-压气机转子
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。
叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。
由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。
随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。
本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。
关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)课题介绍 (1)研究方法 (1)直接计算法 (1)有限元分析法 (2)2 转子叶片 (2)叶身结构 (3)榫头结构 (5)叶片截面的几何特征 (7)3 叶片强度计算 (10)叶片受力分析 (10)离心拉应力计算 (10)离心弯应力计算 (12)气流弯应力计算 (15)叶片热载荷 (18)榫头强度计算 (19)4 压气机内气流场的模拟 (21)Fluent软件介绍 (21)双向流固耦合 (22)模型建立 (23)实体模型的建立 (23)ICEM CFD网格划分 (27)相关条件的设置 (28)运行结果和分析 (29)速度计算和分析 (29)压力场计算和分析 (31)5 结束语 (33)【参考文献】 (34)致谢 (35)附录1 相关英文文献: (36)附录2 英文文献中文译文: (50)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。
第3章 压气机
3.4 压气机防喘系统
3.4.1 压气机的喘振 基元级 攻角 落后角 失速：攻角过大时，气流从叶背分离，导致压气机效率降
低、工作不稳定、旋转失速、喘振。 旋转失速：失速区向叶片旋转相反方向移动的现象。 喘振：在非设计状态下，压气机前面增压级和后面增加级
不匹配，导致气流的攻角变大，所产生的脉冲型的气流分 离和堵塞。
3.4 压气机防喘系统
3.4.1 压气机的喘振 对于多级轴流式压气机，容易出现喘振的情况
➢ 在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降 低到一定程度时，就会产生共振。因为空气流量降低时， 各级叶片上的气流攻角增加，容易产生气流分离和堵塞。
➢ 当发动机偏离设计工作状态而降低转速时容易发生喘振。
装配紧度研究
恰当半径内：鼓径向变形小，盘大；盘压入鼓 恰当半径外：盘径向变形小，鼓大；鼓压入盘
3.2.2 鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子
装配定心：径向销钉原理
3.2.2 鼓盘式转子
2. 可拆卸的鼓盘式转子 在转配以后可以根据使用和维修的要求进行可以进行无
损分解的转子。 分类 （1）用拉杆联接 JT3D （2）短螺栓联接 JT9D高压 （3）长轴螺栓联接 30KY低压
（2） 特点 端部过弯叶身的叶片
为了减少叶片两端壁附面层所造成的损失，而将叶身（包括静子叶 片）尖端和根部前、后缘特别地加以弯曲，提高压气机效率。
3.2 轴流式压气机转子
3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接 2、榫头的构造
（1） 要求
3.2 轴流式压气机转子
3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接 2、榫头的构造
（2） 特点 减震凸台
较长叶片为避免发生危险共振或颤震在叶身中部的凸台
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机是一种常见的流体机械，它主要通过对流动气体的动能进行转换来实现对气体的压缩。
轴流式压气机的工作原理如下：
1. 气体进入压气机通过进气口，进入压气机中的转子。
2. 转子上安装有一系列的叶片，这些叶片呈倾斜角度，使得气体在通过叶片时产生一个向前的推力。
3. 气体在经过叶片时，受到叶片的作用力，产生一个向前的冲力。
这个冲力使得气体的速度增加，同时也增加了气体的动能。
4. 当气体通过转子时，气体被推入下一个叶片组，重复上述的过程。
这样，气体在不断的通过叶片组，速度逐渐增加，并且产生了连续的推力。
5. 在气体通过压气机后，气体的动能转化为压力能，实现了气体的压缩。
此时，气体会通过出口口排出。
值得注意的是，轴流式压气机的工作原理与离心式压气机有所不同。
轴流式压气机通过叶片的作用将气体推向前进方向，而离心式压气机则通过离心力使得气体沿着轴线方向扩散。
由于工作原理的不同，轴流式压气机通常适用于需要高流量、低压比的应用，而离心式压气机则适用于需要高压比的应用。
压气机静子叶片和转子叶片
压气机静子叶片和转子叶片压气机是一种将气体进行压缩的设备，广泛应用于工业生产和能源领域。
其中，静子叶片和转子叶片是压气机中的两个重要组成部分。
本文将分别介绍压气机的静子叶片和转子叶片，探讨它们的作用和特点。
一、压气机静子叶片静子叶片是压气机中的固定叶片，通常由金属材料制成。
它们位于压气机的壳体内部，静止不动，起到引导和改变气流方向的作用。
静子叶片的主要作用有以下几个方面：1. 引导气流：静子叶片的形状和布置可以引导气流在压气机内部流动。
通过合理设计静子叶片的弯曲和角度，可以使气流按照一定的路径流动，从而提高压气机的效率。
2. 改变气流速度：静子叶片的形状和数量也可以改变气流的速度。
当气流经过静子叶片时，由于叶片的曲率和角度变化，气流将受到阻力和压力的作用，从而改变气流的速度。
这种速度的改变对于压气机的工作效果至关重要。
3. 分流和分离：静子叶片的布置可以分流和分离气流。
通过合理设置静子叶片的位置和形状，可以使气流在压气机内部得到充分的分流和分离，从而提高气体的压缩效果。
压气机静子叶片的设计需要考虑多个因素，包括气体的性质、流量、压力等。
合理的静子叶片设计可以提高压气机的效率，降低能耗，提高系统的可靠性和稳定性。
二、压气机转子叶片转子叶片是压气机中的旋转部件，通常由金属材料制成。
它们与压气机的转子相连，随着转子的旋转而产生运动，起到压缩气体的作用。
转子叶片的主要作用有以下几个方面：1. 压缩气体：转子叶片的形状和数量可以实现对气体的压缩。
当转子旋转时，转子叶片会与静子叶片相互作用，将气体从进气口处吸入，经过多个叶片的作用逐渐压缩，最终排出。
2. 提供动力：转子叶片的旋转运动由驱动设备提供动力，如电机、发动机等。
通过转子叶片的旋转运动，可以为压气机提供足够的动力，使其正常工作。
3. 提高压缩效率：转子叶片的形状和布置也可以提高压缩效率。
合理设计转子叶片的叶片数目、曲率和角度，可以使气体在转子叶片上得到更充分的压缩，提高压缩比，从而提高压气机的效率。
单转子、双转子、三转子
单转⼦、双转⼦、三转⼦技术·发现·幻梦单转⼦、双转⼦、三转⼦这就是⽹友说的单轴、双轴、三轴的问题。
早期的轴流式喷⽓发动机⼤多是单轴的，⼜称单转⼦的。
它把压⽓机和涡轮固定在同⼀个主轴上。
在压⽓机和涡轮的中间是燃烧室，⼜称⽕焰筒。
⾼温⾼压的燃⽓推动涡轮以上万转的转速旋转，同时带动压⽓机也以这个速度旋转，压缩空⽓。
单转⼦（单轴）发动机结构简单，但压缩效率有限，⽽且耗油率⾼。
后来，⼈们把压⽓机分成了两部分，即低压压⽓机和⾼压压⽓机；同时，把涡轮也分成了两部分：即⾼压涡轮和低压涡轮。
⾼压涡轮和⾼压压⽓机⽤⼀根空⼼轴连起来，低压涡轮和低压压⽓机⽤⼀根细点⼉的轴连在⼀起，穿在空⼼轴⾥⾯。
强5攻击机这样做的结果就是⾼压压⽓机和低压压⽓机可以⽤不同的转速旋转，⼯作效率⼤为提⾼。
举例说：在轰六轰炸机上安装的涡喷8发动机就是单转⼦的（即单轴），在歼六歼击机和强5强击机上安装的涡喷6发动机也是单转⼦的（即单轴）。
⽽在歼７歼击机上安装的涡喷７发动机就是双转⼦（即双轴）发动机。
⽬前，美国、俄罗斯、法国的主流军⽤和民⽤发动机⼤都是双转⼦（即双轴的），只有英国罗尔斯·罗伊斯公司的⼏款⼤发动机，像遄达700、800、900系列是三转⼦的（俗称三轴的）。
歼-6战⽃机为什么采⽤三轴式或称三转⼦呢？因为涡扇发动机在压⽓机前⾯⼜多了⼀级风扇。
它同压⽓机、涡轮⼀样是⾼速旋转的叶⽚。
那么它应该与谁同轴同速呢？⼀般来讲，风扇与低压压⽓机同轴同速，也就是采⽤双轴体制。
然⽽这⼜产⽣了⼀个效率不⾼的问题。
罗·罗公司⼲脆把风扇轴也独⽴出来，同另⼀组低压涡轮连起来，于是三转⼦（或三轴）发动机就诞⽣了。
三轴提⾼了效率，发动机推⼒⼤增，燃油消耗也节约了不少。
但带来⼀个⼤问题，三根轴，⼀根套⼀根，在⾼速旋转时如何能保证强度。
罗·罗⽤⾃⼰的独门技术解决了这个问题。
然⽽美国的普拉特·惠特尼公司和GE公司颇为不屑，仍然沿⽤⾃⼰的双转⼦（即双轴）技术路线。
第二章压气机
2.5 工作叶片
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2.5 工作叶片
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2.6 榫头
工作叶片通过榫头实现与轮盘的联接。因此，对榫的主 要设计要求是： 1)在尺寸小，重量轻的条件下，将叶身所受的负荷可 靠地传递给轮盘； 2)保证工作时片的准确定位和可靠固定； 3)应有足够的强度、适宜的刚性及合理的受力状态， 尽量避免应力集中 4)结构简单、装拆方便。 目前铀流式压气机转子叶片榫头形式有三种: A）燕尾式 B）销钉式 C)枞树式
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2.2轴流式压气机
轴流式压气机转子 转子是一个高速旋转对气流做功的组合件。在双转子涡 喷发动机中，压气机又分为低压转子和高压转子；在双转子 涡扇发动机中．低压转子就是风扇转子．或者是风扇转子和 低压压气机转子的组合。压气机转子一船是简支的，也有些 是悬臂 轴流式压气机静子
静子是静子组合件的总称，包括机匣和整流器。在单 转子涡喷发动机中，压气机机匣由进气装置、整流器机匣 和扩压器机匣组成。在双转子压气机中，在风扇和压气机 之间还有一个分流机匣，将内、外涵道的气流分开；在高、 低压压气机之间有一个中介机匣，将气流由低压压气机顺 利引入高压压气机。
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2.3 轴流式压气机转子的基本结构
加强的盘式转子
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2.3 轴流式压气机转子的基本结构
鼓盘式转子由若干个轮盘，鼓简和前、后半轴组成。 盘缘有不同形式的榫槽用来安装转子叶片。级间联接可采 用焊接、径向销钉、轴向螺栓或拉杆。转子叶片、轮盘和 鼓简的离心力由轮盘和鼓筒共同承受．扭矩经鼓筒逐级传 给轮盘和转子叶片，转子的横向刚性由鼓筒和连接件保证。
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2.6 榫头
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2.6 榫头
槽向固定的方式很多，通常采用卡圈、锁片、档销等锁紧 方式或复合方式，也可利用其他结构件固定，如封严环、径向 销钉等。要根据具体结构和槽向力的大小来选择固定方式。
压气机工作原理
压气机工作原理
压气机是一种用于将气体压缩的设备，工作原理基于变化的体积和压力之间的关系。
在压气机内部，气体被吸入并通过压缩过程提高其压力。
压气机的工作过程可以分为吸气、压缩和排气三个阶段。
在吸气阶段，活塞或螺杆等机械构件移动，使气体从外部环境中进入压气机内部。
在这个过程中，压气机的体积会扩大，导致气体的压力降低。
接下来是压缩阶段，当活塞或螺杆移动到极限位置时，压气机的体积会迅速缩小，使气体被压缩至较高的压力。
这一过程中，气体的分子被挤压在一起，导致气体分子之间的碰撞频率增加，从而使气体的压力增加。
最后是排气阶段，当压气机的体积达到最小值时，气体被迫通过出口排出压缩空间。
在这一过程中，压气机的压力达到最高峰值，气体被排出压力容器。
压气机的工作原理可以是基于活塞、转子、螺杆等不同的机械结构。
活塞式压气机通过活塞在气缸内的运动来压缩气体；转子式压气机则利用旋转齿轮的运动来压缩气体；螺杆式压气机则是通过两个螺杆的运动来实现气体的压缩。
总的来说，压气机工作通过改变气体的体积和压力之间的关系，将气体压缩至更高的压力。
不同的压气机采用不同的机械结构，但其基本工作原理都是类似的。
图说燃气轮机的原理与结构
图说燃气涡轮发动机的原理与结构曹连芃摘要：文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理；对燃气轮机的主要部件轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍；对燃气涡轮发动机的整体结构也进行了介绍。
关键字：燃气涡轮发动机，燃气轮机，轴流式压气机，燃烧室，轴流式涡轮1. 燃气涡轮发动机的工作原理燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。
走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。
燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。
图1-走马灯与燃气涡轮燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。
图2是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。
从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。
燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。
图2-模型燃气轮机结构在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。
图3-燃气轮机工作过程在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，如图4所示。
图4-燃气轮机转子燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢，简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。
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2.压气机工作叶片结构
叶身
❖叶型：亚音、超音。 ❖叶尖切速：决定叶片的加功量。 ❖宽弦：提高抗外物打伤能力，减振。
端弯叶片
2.压气机工作叶片结构
2.压气机工作叶片结构
2.压气机工作叶片结构
根部 (榫头)
2.压气机工作叶片结构
根部 (榫头)
❖叶片和盘的连接部分并将叶片的离 心力均匀加在盘缘上。
❖轴向燕尾型--广泛采用于风扇、压气 机中。
❖环形燕尾槽--用于高压后几级中。 ❖榫树型榫头--在压气机中较少使用。
（为什麽?）
2.压气机工作叶片结构
环型燕尾榫头
❖加工简单 ❖安装方便 ❖承受负荷小 ❖零件数目减少
2.压气机工作叶片结构
叶片在轮盘槽内的 固定
❖卡圈 ❖锁片 ❖锁板 ❖销钉
3.压气机轮盘结构
F404低压风扇
第一节 概 述
❖等内径设计
❖优点：提高末级叶片效率。 ❖缺点：对气体加功量小，级数多。
❖等中径设计
❖介于两者之间，一般均混合采用。
CFM56-5C高压压气机
第二节 轴流压气机转子
1. 转子的基本结构 2. 压气机工作叶片结构 3. 压气机轮盘结构 4. 转子平衡技术
1. 转子的基本结构
恰当半径：
❖盘的变形等于鼓的变形。
盘加强鼓：
❖盘的变形小于鼓的变形。
鼓加强盘：
❖盘的变形大于鼓的变形。
混合式转子
1. 转子的基本结构
二、转子的连结形式：
❖短螺栓连接 ❖焊接的盘鼓混合式转子 ❖销钉连接转子 ❖长螺栓连接转子
短螺栓连接转子
焊接的盘鼓混合式转子
销钉连接 转子
长螺栓连接转子
❖AL-31F
❖对空气做功：
❖要求效率高、叶型设计
❖叶片高而薄：
❖易振动、高频疲劳。
第一节 概 述
3.要求解决的问题
❖转子有足够的刚性和强度； ❖抗外物打伤能力和包容能力强； ❖防喘、减缓振动，避免共振； ❖效率提高、重量轻、工作稳定可靠、
寿命长、成本低。
第一节 概 述
4. 气流通道形式
❖等外径设计
❖能充分提高叶片切向速度，加大加工量。 ❖以减少压气机级数。 ❖切向速度受到强度的限制。 ❖多在压气机前面几级使用。
风扇盘结构
4.转子平衡
静不平衡量：单位：牛顿 * 米
4.转子平衡
动不平衡：单位：牛顿 * 米*米
作用
❖固定叶片状
❖外缘：视叶片尺寸而定。 ❖内部：由强度而定，一般为对称。 ❖中心：开孔愈大加厚愈大。
3.压气机轮盘结构
盘～轴作成一体简化结构
盘～叶片做成一体
❖ （Blade+Disk＝Blisk）
整体叶环
❖ （Blade+Ring＝Bling）
压气机盘
第一节 概 述
1. 组成及分类
❖进气道、静子、转子、防喘系统、 防冰系统。
❖分类：轴流、离心、混合。
❖（气流，结构）
第一节 概 述
第一节 概 述
第一节 概 述
❖涡轮螺桨发动机
第一节 概 述
❖涡轮轴发动机
第一节 概 述
2.特 点
❖进口处：
❖外物易打伤、结冰、腐蚀。
❖转速高：
❖叶片根部、轮盘承受负荷极大，平衡要求高。
一、结构分类
❖鼓式转子
❖结构简单弯曲刚性好 ❖转速受到限制(低于200米/秒)。 ❖大流量比发动机增压级多采用。
鼓式转子—斯贝MK-202
1. 转子的基本结构
一、结构分类
❖ 盘式转子
❖盘的强度好 ❖弯曲刚性差 ❖盘易产生振动
盘式转子—PW4000
加强盘式转子
SPEY 低压压气机转子
混合式转子