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1、第2章 压气机,第2.1节 离心式压气机 第2.2节 轴流式压气机 第2.3节 进气和防冰装置 第2.4节 轴流式压气机转子结构 第2.5节 轴流式压气机静子结构 第2.6节 轴流式压气机的防喘机构,压气机是航空燃气涡轮发动机中的一个重要组成部分，它的主要功用是对流过它的空气进行压缩，提高空气的压力，为燃气膨胀作功创造条件，以改善发动机的经济性，增大发动机的推力。压气机提高空气压力的方法是利用高速旋转的叶片对空气作功，将功转变为压力能。,压气机的功用,根据压气机的结构型式和气流的流动特点，压气机可分为 离心式压气机 轴流式压气机 混合式压气机,压气机的类型,表2-1 压气机主要参数的变化范围,
2、轴流式压气机的增压比大，效率高，单位空气流量大，这就意味着在相同外廓尺寸条件下，采用轴流式压气机的发动机推力大，耗油率低。所以，目前航空燃气涡轮发动机上，特别是在大、中推力的发动机上几乎全部采用轴流式压气机。 离心式压气机最先使用在航空发动机上，有着丰富的设计和使用经验，而且结构简单，生存能力强，目前主要使用于教练机、导弹、靶机等小型动力装置和辅助动力装置上. 在直升机的动力装置中，则广泛采用混合式的压气机。,由表2-1可以看出：,第2.1节 离心式压气机,离心式压气机由转动部分与静止部分组成。转动部分包括导风轮、离心叶轮以及带动它们的转子轴。 静止部分由进气装置、叶轮前壁、后壁、扩压器以及支
3、承转动部分的机匣组成。,2.1.1 离心式压气机的组成,典型离心式压气机,离心式压气机中压力和速度的变化,一、导风轮,2.1.2 主要部件,导风轮位于叶轮前部，其通道是收敛形的。它的功用是使气流以一定的方向均匀地进入工作叶轮，以减小流动损失。空气在流过它时速度增大，而压力和温度下降。为了将空气无冲击地引入离心叶轮，导风轮的叶片进气边缘向转动的方向弯曲。为了满足气流进入转动部分的相对速度的方向，进气边缘在叶尖弯曲比较多，而在叶根弯曲较少。离心压气机的导风轮是由不锈钢精密铸造后经机械加工制成。它有若干片带进气边缘扭向的叶片，叶片排气边缘在径向线上。导风轮以中心孔安装定位在离心叶轮轴上，由离心叶轮用
4、销钉带动。,悬臂式的导风轮叶片容易产生弯曲、扭转或局部振动。当在某种工作转速下叶片产生共振时，导风轮叶片会产生裂纹、掉块以致折断。此种故障曾在航空发动机上多次发生。 为改善导风轮工作的可靠性，可以采取如下的措施： 1用抗疲劳性较好的材料来制造导风轮。例如，通常钢的抗疲劳性优于铝合金，因此，经常用钢来制造导风轮，而离心压气机的其余部分，例如离心叶轮，机匣用铝合金制造。 2. 制造中检查并调整导风轮叶片的自振频率，使它们在一定的范围之内，以减少发生共振的机会。 3. 采取结构措施增加导风轮叶片的刚性。,WP5发动机离心压气机转子,图示导风轮在自由状态，叶片排气边缘端面与叶轮叶片端面间有0.4630
5、.523毫米的轴向间隙。用螺栓将导风轮、叶轮轴与叶轮拧紧后，此轴向间隙减小到不大于0.06毫米。此时，在导风轮叶尖产生0.3450.53毫米的紧度，使叶片的联接刚性提高。,4采取结构措施增加导风轮叶片振动时的阻尼。例如，可在导风轮叶片与离心叶轮叶片相邻的端面间涂以橡胶形成阻尼。也可在端面开径向的槽，在槽内嵌入橡胶条，同样可形成减振阻尼。5由于设计、造型，特别是工艺技术的进步，现代的离心压气机多数已将导风轮与离心叶轮制成为一整体，没有单独的导风轮零件，JT15D-4涡轮风扇发动机的离心压气机的转子即是。这样不但流线光顺，不存在导风轮叶片与离心叶轮叶片工作表面平滑衔接的问题，而且由根本上解决了悬臂
6、的导风轮叶片刚性差而引起的振动裂纹问题。但这种一体化的转子在制造与检验方面需要更复杂的工艺装备。,JT15D-4涡轮风扇发动机的离心压气机,二、离心叶轮,离心叶轮通常用铝合金、钢或钛合金锻件经机械加工制成。为有效地利用叶轮外径的切线速度以提高叶轮对气流的加功量，叶轮的进口要向中心收拢以使它的直径尽量减小。一般进口处的外径相当叶轮外径的0.60.7。降低这一数值对提高叶轮的加功能力十分有利。,早期的离心叶轮叶片沿径向是直的，例如WP5发动机的离心叶轮以及WP11发动机的离心叶轮。这种叶片设计与制造均比较方便。当代的离心压气机为改善效率与特性，不但采用后弯的、S型的叶片，而且在两个叶片之间还有较短
7、的分流叶片。这种叶轮加工比较困难，通常要在四座标或五座标数控铣床上加工。此外，有些叶轮在槽道的壁面留有铣削的刀痕用以增加叶轮的加功量。,三、扩压器,扩压器位于叶轮的出口处，其通道是扩张形的，空气在流过它时，将动能转变为压力位能，使速度下降，压力和温度都上升。在离心式压气机中，通常压力的升高一半在叶轮中，另一半在扩压器中。,最简单的扩压器是沿圆周通道面积逐渐加大的蜗壳式扩压器。它的结构简单，特性平稳。但是，由于气流在扩压器内按螺旋线展开流动，轨迹较长，所以流动损失较大。故它只用在离心增压器中。,航空燃气涡轮发动机的离心式压气机通常采用叶片式的扩压器。若干沿周向分布的叶片，使得由离心叶轮甩出的气流
8、，沿叶片组成的气流通道扩压。气流在这种扩压器内流动的路径短，流动损失小。,WP11发动机的叶片式扩压器是一个钣金组合件。它由钣料制成的叶片及前盖板、后盖板组成。17片叶片两侧各有三个榫头，以它插入前、后盖板相对应的槽内，用铜钎焊固定。整个扩压器用六个螺栓固定在离心机匣上。,有的发动机上采用了管式扩压器。按气流流线方向弯曲的渐扩导管将气流由径向引到轴向，同时在管内扩压。这样可以提高在稳定工作状况下扩压器的效率。,离心式压气机的优缺点,离心式压气机的主要优点是：单级增压比高，一级的增压比可达4151，甚至更高；同时离心式压气机稳定工作范围宽；结构简单可靠、重量轻，所需要的起动功率小。 缺点是流动损
9、失大，尤其是级间损失更大，不适用于多级，最多两级。正因为这样，离心式压气机的效率较低，单位面积的流通能力低，故迎风面积大，阻力大。,根据转子的数目，轴流式压气机可分为 单转子压气机 双转子压气机 三转子（多转子）压气机,第2.2节 轴流式压气机,轴流式压气机由两个基本部分组成： 固定部分：由几排整流叶片组成，叫做压气机静子； 旋转部分：由几排工作叶片组成，叫做压气机转子。 压气机的静子叶片（整流器）和转子叶片（叶轮）交错排列，一个叶轮和一个整流器组成一个单级压气机，它是多级轴流式压气机的基本单元，为了提高压气机的增压比，轴流式压气机可多达1517级。,轴流式压气机的组成,对压气机结构的基本要求
10、是： （1） 满足性能所提出的各项要求，如通道面积、迎风面积、级数、叶片型面及安装角等。 （2） 采取适当的防喘措施，保证压气机稳定工作范围宽广。 （3） 满足强度、振动及刚性要求，主要部件寿命长。 （4） 结构简单，尺寸小，重量轻。 （5） 装配维修方便，制造成本低。,图2-11 CFM56涡扇发动机的压气机构造,图2-12 PW2037涡扇发动机的压气机构造,图2-13 斯贝发动机的压气机构造,图2-14 J85发动机的压气机构造,第2.3节 进气和防冰装置,压气机的进气部分一般包括进气装置和防冰装置。,进气装置的功用是保证气流以最小的损失均匀地进入压气机；而防冰装置的功用是对进气装置易结
11、冰的零件表面进行加温防止结冰。,2.3.1 进气机匣和进口导流叶片,进气机匣一般由机匣内、外壁、进口导流叶片及进气整流罩等组成。在进气机匣的中心，往往装着压气机转子的前支承以及低压转子转速表传感器等附件，因而进口导流叶片常常做成空心的，中间穿过滑油、通气、防冰空气的管路以及附件传动杆等。下图所示的进气机匣中，钢制的内、外壁与钢的空心导流叶片焊为一体，形成低压压气机前轴承的传力件。为了减小叶片在引入防冰热空气时受热膨胀产生热应力，19片导流叶片均与半径方向倾斜710。这样做，还可以使导流叶片的尾迹力均匀地作用在工作叶片上，有效地减小工作叶片的激振力。,2.3.1 进气机匣和进口导流叶片,当风扇叶
12、片或压气机第一级工作叶片在超跨音速状态下工作时，往往不带进口导流叶片。此时进气机匣只有机匣外壁，整流罩则固定在转子上和转子一起旋转，如CFM56和PW2037发动机的进气机匣。,2.3.2 防冰装置,当发动机在空气湿度较高和温度接近0的条件下工作时，在压气机进口部分就会出现结冰现象。危害：冰层会引起发动机进气面积缩小，减小发动机的空气流量，使发动机的性能变坏，严重时还可能引起压气机喘振。此外，由于发动机振动，冰层可能破裂，冰块被吸入发动机内会打伤叶片，甚至会使整台发动机损坏。,要求：防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防止结冰。防冰系统的工作必须可靠，同时要求重量轻，便于安装和维修，工作时不
13、至引起发动机性能的很大损失。最常用的防冰方法是对容易结冰的零件表面进行加温。常用的加温方式有：压气机的热空气加温；电加温；热滑油加温；混合采用以上几种加温方式。在涡喷和涡扇发动机上，多采用压气机后级引来的热空气加温。在进气部分有减速装置的涡桨、涡轴或单转子涡扇发动机中，则常常利用冷却减速齿轮后的热滑油防冰。,图2-16 热空气加温防冰,图2-17 热空气、热滑油、电加温防冰,图2-15 斯贝发动机压气机的进气及防冰装置,防冰热空气从高压12级空气集气环引出，通过防冰管进入防冰电磁活门。当接通防冰系统时，防冰电磁活门打开，使热空气通过防冰管进入进气机匣周围的防冰总管，防冰总管里的前后两排防冰空气
14、管将热空气分配到进口导流叶片内。大部分热空气在流到叶片根部后折转向上，沿叶片的进、排气边缘流到防冰总管腔内，再通往发动机进气道前缘进行防冰，小部分热空气由进气内机匣通过5根导管，引往进气整流罩的头部，沿着整流罩的夹层流到整流罩后部，然后排入主气流。,图2-18 CFM56的锥形进气整流罩,CFM56风扇发动机的进气整流罩呈锥形，分两段制成，前段为玻璃纤维加树脂烧结而成（Kinel），后段为钛合金。与常用的椭圆形整流罩做对比，在相同的条件下，结冰量仅为椭圆形的6%，因而该机未采用防冰装置。,在现代大型风扇发动机如JT9D、CF6、PW4000、V2500等上，由于压气机进口处只有和风扇叶片一起旋
15、转的进气整流罩，采用了加强的宽叶弦风扇叶片，叶片稠度较小，而且采取了防外物打伤的措施，经试验证明，即使有结冰现象也并未造成规范不允许的损坏，所以这些发动机的进气整流罩都没有防冰装置。,2.3.3 防止外来物打伤的措施,一些小型的涡桨或涡轴发动机，由于要用在各种地面条件下起落的运输机或直升机上，容易吸入地面的砂石及其它杂物，所以在进气装置处设有防尘网或进口粒子分离器等进气防护装置。前者会增加进气的阻力，后者巧妙地利用了石粒等杂物的离心惯性力使其排出发动机外，因此效果较好。,图2-19 采用进气防尘网的涡桨发动机,飞鸟撞击,飞鸟撞击在大型的（风扇）发动机中，除砂石等杂物外，飞机在航线中受到飞鸟撞击
16、也是十分严重的问题。世界上第一起造成人员死亡的鸟击事件发生在1912年：美国飞行员卡尔罗杰斯驾机在南美海岸作飞行表演时，一只海鸥缠住了操纵杆控制线，造成飞机失控坠入大海，飞行员丧生。,1988年埃塞俄比亚的一架波音737飞机在起飞爬升到3800米时，遭遇鸟击，结果造成机上85人死亡，21人受伤。1996年9月22日，美国空军的一架由波音707改装的E-3A预警机从阿拉斯加的埃尔门多夫空军基地起飞。飞机以230海里/小时的速度滑跑，在抬起前轮的一刹那，撞上了30多只加拿大鹅。瞬间两台发动机火光冲天。飞机坠毁在机场附近的洼地里。24名空勤人员全部遇难。,2005年5月15日，中国国际航空公司一架空客A319型客机从杭州飞往广州途中，在5000米高空与一只飞鸟相撞，机头雷达防护罩撞出一个比脸盆还大的凹坑。撞击位置距离飞行员驾驶舱仅有1米多。,2005年4月20日上午8时38分，一架波音737-300班机，在重庆江北国际机场遭遇鸽群“袭击”，造成左边发动机停止工作。机长依靠右边发动机单机工作，在空中盘旋59分钟后安全着陆。发动机的38块风扇叶片中，19块已全部报废（每片价值15万元）。中国国际航空报告的数据显示，此次直接经济损失达295万元。,
