04-第1章 压气机结构
压气机知识
压气机的特性认识通过这学期的课堂学习和近段时间课下查资料学习，使我对压气机的知识有了一定的了解和认识。
压气机是燃气涡轮发动机的重要部件之一，它的作用是给燃烧室提供经过压缩的高压、高温气体。
根据压气机的结构和气流流动特点，可以把它分为两种主要型式：轴流式压气机和离心式压气机。
首先，我们了解下轴流压气机的结构和工作特性。
轴流式压气机由两大部分组成，与压气机旋转轴相联接的轮盘和叶片构成压气机的转子，外部不转动的机匣和与机匣相联接的叶片构成压气机的静子。
转子上的叶片称为动叶，静子上的叶片称为静叶。
每一排动叶和紧随其后的一排静叶构成轴流式压气机的一级。
压气机的效率高，说明压缩过程中的流阻损失小，实际过程接近理想过程。
或者说，压气机效率愈高，达到相同增压比时，所需要外界输入的机械功愈少。
目前，单级轴流压气机的绝热效率可以达到90％以上，高增压比的多级轴流压气机的绝热效率也可以达到85％以上。
高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一级在一般情况下都是由一排动叶和一排静叶构成，且每级的工作原理大致相同，因此我们可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。
轴流压气机的基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保留了轴流压气机的基本特征。
为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级（如图1－1），在二维平面上研究压气机基元级的工作原理。
图1－1展开成平面的基元级速度三角形在研究压气机工作特性中有着重要的作用。
将动叶进口和动叶出口的速度三角形叠加画到一起，就可以得到基元级的速度三角形，如图1－2（a）所示。
在一般亚声速流动的情况下，气流经过基元级的动叶和静叶后，绝对速度的周向分量Cu和相对速度的周向分量Wu变化比较大，而绝对速度的轴向分量Ca和相对速度的轴向分量w a变化不大，可近似地认为Ca1=Ca2=Ca3。
这样，基元级的速度三角形可进一步化简为图1－2(b)所示形式。
通过速度三角形我们就可以对压气机中气体流动情况进行分析。
压气机
西安航空职业技术学院毕业设计论文涡扇发动机的压气机部件目录1概述 ................................................................................................................................................................2压气机的分类以及结构特点 .......................................................................................................................2.1 ..................................................................................................................................................................2.2 ..................................................................................................................................................................2.3 .................................................................................................................................................................2.3.1 ...........................................................................................................................................................2.3.2 ...........................................................................................................................................................2.3.3 ...........................................................................................................................................................2.3.4 ...........................................................................................................................................................2.3.5 ..........................................................................................................................................................3压气机的工作原理 ........................................................................................................................................3.1离心式压气机的工作原理......................................................................................................................3.2轴流式压气机的工作原理...................................................................................................................... 4压气机的材料 ...............................................................................................................................................56压气机常见故障的诊断以及维修 ................................................................................................................ ......................................................................................................................................................................谢辞 ...............................................................................................................................................................参考文献 ...........................................................................................................................................................附录 ................................................................................................................................................................1概述发动机是飞行器的“心脏”，是在高温、高压、高转速的恶劣环境下长期反复使用的热力机械，对飞行器的性能具有极其重要的作用。
飞机发动机维护—轴流式压气机的结构
1、轴流式压气机的转子
1.1 转子的基本形式 3）鼓盘式——由若干个轮盘、鼓筒和前、后半轴组成。盘缘上有安 装转子叶片的榫槽。
图6. 轴流式压气机鼓盘式转子
1、轴流式压气机的转子
1.2 转子叶片 由叶身和榫头组成。 1）叶身——早期有带减振凸台的风扇叶片；后期取消凸台改用蜂窝 夹层材料的宽弦风扇叶片。
图3. 轴流式压气机转子的基本形式
1、轴流式压气机的转子
1.1 转子的基本形式 1）鼓式——圆柱形或圆锥形筒状结构，外表面有环槽或纵槽用于安 装转子叶片。
图4. 轴流式压气机鼓式转子
1、轴流式压气机的转子
1.1 转子的基本形式 2）盘式——由轴和若干轮盘组成，盘和盘之间可以螺栓连接或焊接 成整体。盘缘上有转子叶片安装榫槽。
航空涡轮发动机（M5）
压气机
二 轴流式压气机
的结构
PART
过渡页
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轴流式压气机由转子组件、静子组件这两大部件组成。根据工作原理， 沿轴向，转子在前静子在后，交错排列从而具有多级。
图2. 轴流式压气机的组成
1、轴流式压气机的转子
1.1 转子的基本形式 基本形式有鼓式、盘式、鼓盘式。
图7. 风扇叶片
1、轴流式压气机的转子
1.2 转子叶片 2）榫头——有销钉式、燕尾形、枞树形三种形式。
图8. 叶片榫头
2、轴流式压气机的静子
2.1 压气机机匣 机匣有分段式、分半式和整体式三种。
图9. 典型发动机的高压压气机分半式机匣
2、轴流式压气机的静子
2.2 静子叶片
图10. 静子叶片的固定方式
风扇压气机结构设计ppt课件
3.防外来物打伤〔FOD）
❖大涵道比风扇及涡轮轴发动机尤为重要
3.防外来物打伤〔FOD）
❖防止外物打伤的措施： ❖叶片上加凸台，带冠； ❖小展弦比叶片 ❖进气锥及增压级气路形状 ❖中介机匣位置 ❖防尘网 ❖粒子分离器
3.防外来物打伤〔FOD）
3.防外来物打伤〔FOD）
RB211-535E4
GE90
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。 ❖叶片在轮盘槽内的固定 ❖卡圈、锁片、锁板、销钉
2.压气机工作叶片结构
❖根部 (榫头)
❖销钉连接
2.压气机工作叶片结构
❖根部 (榫头) ❖锁片槽向固定
2.压气机工作叶片结构
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
二、转子的连结形式
❖发动机转子应力分布
焊接的盘鼓混合式转子
销钉连接 转子
长螺栓连接转子
长螺栓连接转子
❖AL-31F
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
❖作用 ❖固定叶片并使叶片对气
体作功。 ❖负荷很大是重要零件。 ❖剖面形状 ❖外缘：视叶片尺寸定 ❖内部：由强度而定。 ❖中心：开孔大加厚。
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）
离心式压气机的原理与设计(1)
n1 n1 −1
ξin为损失系数，可取 0.05 ~ 0.10
23
空气在进口段中的流动
---进口气流角 ---进口气流角
以叶轮旋转轴为中心轴， 作圆柱面切割叶轮，然后 展开，可以得到如左所示 的叶轮进口处的速度三角 形的图。 叶片安装角βg1,30-35° 进口气流角β1 气流冲角i，3-5° i=βg1- β1
---叶轮的结构(1) ---叶轮的结构(1) 叶轮的结构
铸造叶轮毛坯， 带长短叶片
26
空气在叶轮内的流动
---叶轮的结构(2) ---叶轮的结构(2) 叶轮的结构
五轴铣床铣削叶轮，一般用于大直径的叶轮制造
27
空气在叶轮内的流动
---叶轮的结构(3) ---叶轮的结构(3) 叶轮的结构
叶轮平衡去重位置
28
空气在叶轮内的流动
---导风轮与工作叶轮 ---导风轮与工作叶轮
离心式压气机叶轮由导风轮和工作叶轮两部分 组成。导风轮将流入气体由轴向转为径向；工 作叶轮使气体由内向外作径向流动。通常将直 径方向尺寸基本不变的一段叫做导风轮。 车辆用增压器由于压气机叶轮小型化及采用精 密铸造工艺，而将导风轮和工作叶轮铸成一个 整体，并统称压气机叶轮。
n k Wr = − n − 1 k − 1 R T4* − T1*
(
)
(3-6)
20
空气在进口段中的流动
---进口的形式(1) ---进口的形式(1) 进口的形式
车辆用增压器的进口型式一般为圆锥形或圆柱形，图 3-6(a)。极少部分的进口采用预扭叶片，以扩大压气 机的流量范围。
21
空气在进口段中的流动
前弯叶片，工作叶轮可将较多的能量传递给空气， 但是，这部分多出来的能量是以增加叶轮出口处的 气流速度的方式，即增加动能的方式传递给空气， 因而必须经过叶轮之后的扩压段，和涡壳通道才能 转变为气体的压力能。由于扩压段及涡壳中的效率 较低，这种形式的叶轮降低了压气机的级效率。 目前用的极少。
飞机发动机原理与结构—压气机
举例：CFM56 发动机低压压气机的转子采用的就是鼓式转子。
一. 轴流式压气机的结构
（1）鼓式转子
CFM56低压压气机的转子
一. 轴流式压气机的结构
（2）盘式转子
结构形式：盘式转子由一根轴和若干个轮盘组成，用轴将各级轮盘联成一体。
2
转子叶片
3
压气机静子
4 轴流式压气机的工作原理
二.转子叶片 1. 叶片叶身特点
特点：数量多，尺寸形状复杂 组成：叶身 + 榫头
二.转子叶片 1. 叶片叶身特点
（1）叶身扭转：叶尖处叶型弯度小，安装角大，叶根处叶型弯度大，安装角小； （2）减振凸台：减振；减小空气流量,效率下降，离心力增加； （3）加强筋：减震的一种形式； （4）宽弦叶片：叶栅通道面积大，喘振裕度大，级效率高，减振效果好；
二. 转子叶片
2. 榫 头
周向燕尾形榫头
——简单，加工费用低，允许单独更换，所以一般用于压气机后几级 （叶片小，相应的离心负荷小）。
周燕尾型榫头叶片
周燕尾型榫槽
二. 转子叶片
3. 叶片的槽向固定
（a）榫头凸块和锁片固定
作用：防止叶片沿槽向
移动。
固定方法：
• 卡圈 • 锁片 • 挡销
（b）挡销和锁片固定 （c）（d）锁片固定 （e）弹簧卡圈固定 （f）锁丝固定
优点：
• 增加刚性，改变叶片的固有频率，降低叶片根部的弯 曲扭转应力。
• 减震凸台结合面上喷涂耐磨合金，当叶片发生振动时， 结合面互相摩擦，可起阻尼减振的作用。
缺点：
• 增加叶片的重量，使叶片的离心负荷加大； • 连接处局部加厚，使流道面积减少2%，减少发动机的
发动机原理-压气机
汽车发动机中的压气机通常与 发动机曲轴联动，利用发动机
的旋转来驱动压气机工作。
为了提高效率和减少能耗，汽 车发动机中的压气机通常采用 高效的设计，如采用高效的叶 轮和良好的密封措施。
汽车发动机中的压气机也需要 定期维护和检修，以确保其正 常工作和可靠性。
其他领域的应用
01
02
03
04
除了航空和汽车领域，压气机 还广泛应用于工业领域，如压 缩机站、气体分离和液化等。
现代航空发动机通常采用多级轴流式 压气机，这种设计能够提供更高的压 缩效率，同时降低能耗。
压气机的维护和检修对于确保航空发 动机的安全和可靠性至关重要，需要 定期进行清洗、检查和更换损坏的零 件。
汽车发动机中的压气机
在汽车发动机中，压气机通常 被称为空气压缩机，用于压缩 空气以供应制动系统、气瓶、 空调和其他需要压缩空气的设
空气的压缩
总结词
压缩过程是压气机工作的核心，主要通过压气机的旋转叶片实现。
详细描述
吸入的空气在压气机的叶片作用下开始压缩，随着叶片的旋转，空气被逐渐压缩，压力和温度也随之升高。这个 过程中，空气的体积被减小，密度增大，以便于更有效地进行燃烧。
空气的排
总结词
排出过程是压气机工作的最后一步， 主要通过排气口实现。
压气机的种类
离心式压气机
离心式压气机利用旋转叶片的离心力将空气吸入并压缩。其结构简单，可靠性 高，但效率较低。
轴流式压气机
轴流式压气机利用高速旋转的叶片将空气吸入并沿轴向流动，通过叶片的多次 压缩达到高压。其效率较高，但结构复杂，维护成本较高。
压气机的工作原理
01
02
03
空气吸入
压气机通过进气道吸入空 气。
工程热力学(压气机)
1
RgT1
p2 p1
1
多变过程：
n1
wc,n
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
1
等温过程：
wc,T
RgT1 ln
p2 p1
1
T2s
T1
p2 p1
n1
T2n
T1
p2 p1
n
T2T T1
工程热力学 Thermodynamics
叶轮式压气机的耗功计算
wC
h2
理想气体
1.4 1
1)
429.1 kJ/kg
工程热力学 Thermodynamics
因 T1 T2 T3 ，且各级压缩比相等，故各级压气机排气温度相等
p
T2
T3
T4
T1
1
1.41
293 4 1.4
435 K
(2) 单级压气机的排气温度
κ1
T5
T1
p5 p1
κ
O
0.4
293
6.304 106 98.5 103
一、概述
工程热力学 Thermodynamics
工程热力学 Thermodynamics
二、耗功计算
理想气体
wC h2 h1 cp (T2 T1)
1
T2
T1
p2 p1
理想气体
wC h2 h1 cp (T2 T1)
T2 T2 ,C,s
h2 h2 ,C,s
C,s
wC wC
-
Rgln
p2 ) p1
T
2
471.5
2
6 (1.004ln 0.287ln4) 0.336 ( kW K )
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第四部分燃气轮机结构与强度
第一章轴流式压气机结构
压气机是工作在300 —550℃之间的高速转动部件，由于该工作温度不太高，结构设计时主要考虑作用在压气机上的各种机械力。
压气机
在结构上应满足强度和刚度要求。
刚度
轴流式压气机由于级数多而细长，必须保证足够的刚度。
对气缸来说，
要求有足够的抗变形能力和抗振能力。
而转子的刚度，主要对临界转速有较
大影响，对于一般所用的转子，当临
界转速符合要求时，转子的刚度就能
满足要求。
强度
主要是对转子来说，因它承受
着很大的离心力、气体作用力等。
压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（3）等平均直径：等平均直径的级数及效率介于两者之间。
压气机的通流部分型式
轴流式压气机静子主要由气缸和静子叶片组件组成。
它是压气机
中不旋转的部分
（一）气缸
气缸是静子的核心，其他的静止部件均固定在上面。
它是整台机组的
承力骨架，承受着机组的重量、压缩
空气的内压力以及其他的作用力。
（一）气缸
工业型机组的压气机气缸一般是铸造的。
为了减小气缸的厚度，通常采用在气缸外表面加筋的办法来增强刚性。
一般沿轴间及周向同时加筋，不仅能获得良好的刚性，且气缸壁可较薄而使重
量较轻。
（一）气缸
§1.2 压气机的静子
（一）气缸
分段的气缸结构优点：
1.前后缸可采用不同材料，前段工作温度
低用铸铁，后段工作温度高用铸钢，以
便物尽其用。
2.每段气缸较短，便于内表及叶根槽的加
工。
3.压气机一般需在中间级放气防喘，在气
缸分段处采用一圈环状放气道，这样沿
圆周一圈流出的气流较均匀，不会对叶
片造成不均匀的激振力。
（一）气缸
压气机进气机匣一般都是铸造的，进气机匣中收敛器流道截面的不断缩小，以满足气流在其中均匀加速的要求，同时使气流较为均匀地流入进口导叶，以保证压气机达到
好的性能。
（一）气缸
气缸内壁的型线取决于通流部分的型式。
等外径的内壁是一个直的圆筒，而其他型式的通流部分的内壁型线是曲线。
由于该型线的曲率半径很大，通常用2～3条直线组成的折线代替，即气缸内壁是2～3个圆坡面。
在沿轴向分段的气缸中，气缸分段处一般都和内壁两圆锥面的分界处一致，使单段气缸的内壁型线是只有一个锥角的圆锥面，以利于加工。
（一）气缸
在机组的轴向尺寸允许时，压气机出口采用直线通道式的扩压器较好。
扩压角2γ＜10°－12 °时扩压效率较高。
（二）静叶
静叶的功能是把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应下级动叶的进口方向。
工作时静叶只承受气流作用力，与动叶相比较强度问题不大，但应考虑共振问题。
通常，压气机静叶设计成直叶片，且沿叶高各截面的型线一样。
1、直接装配的静叶
这种固定方式的静叶相当于一个悬臂梁，它的缺点是叶片刚性较差。
对长叶片来说问题较大，解决的方法是在静叶
端部加装内环来加强刚性。
2、静叶环
①焊接静叶环
将静叶插入两个加工有叶型孔的静叶内环和静叶外环后焊接而成。
①焊接静叶环
其优点是静叶不需加叶根，而当静叶为直叶片时可采用轧制成型的工艺，故叶片加工简单。
其内、外环用薄板冲压而成，加工方便。
静叶为两端支承，刚性好。
静叶环装入气缸的槽中后，靠两端的耳环以螺栓固定在气缸上，装拆简单。
缺点是若有叶片损坏，则需更换整个静叶半环。
为便于装配，半个静叶环沿圆周分为数个扇形段。
WH公司的压气机即采用此结构。
（2）装配式静叶环
一种可拆装的静叶环，个别叶片损坏后可拆下单独更换。
该结构的主要缺点是整个压气机静子的机加工量大。
GE公司的压气机就采用该结构。
（3）用固紧环固定的静叶环
用可拆卸的固紧环来固定静叶环。
其优点是气缸内壁无槽道而加工简化。
3 可调静叶
MS9001E
§1.3
转子1.3 转子
§1.3 转子
压气机转子是高速旋转的部件，它包括轮盘、轴、动叶以及装在一起的其他零件。
转子把从透平传来的扭矩传给动叶以压缩空气，这一特点决定了转子对强度有高的要求。
刚度问题主要反映在临界转速上，机组的工作转速应避开临界转速。
最大工作转速低于一阶临界转速的称刚性转子，它要求临界转速高于最大工作转速20％—25％。
当工作转速高于一阶或二阶临界转速的称柔性转子。
§1.3 转子（一）压气机转子的结构型式
鼓筒式
盘式
盘鼓混合式不可拆卸可拆卸
1、鼓筒式转子
鼓筒式转子由鼓筒及半轴组成，结构简单，刚性好，一般为刚性轴。
但由于它是靠鼓筒来承受离心力载荷的，因而强度差，鼓筒外径处的圆周速度不大于150m／s左右，故只适用于级压比低、通流部分是等内径或接近等内径的压气机中。
2、盘式转子
盘式转子上各级轮盘是分开的，安装时以一定的过盈量红套套在轴上，靠红套的预紧力传扭。
由于轮盘的强度好，可用于圆周速度较高的转子上。
但由于主轴细长，故刚性差、临界转速低，一般只能设计成柔性轴。
目前，美国WH公司的燃气轮机采用此种转子。
3、盘鼓式转子
盘鼓式转子把各级轮盘在轮缘或接近轮缘处的鼓环压紧连接或焊接而形成。
在轮缘或接近轮缘处是一转鼓，转子刚性较好；而离心力则靠轮盘来承受，转子强度高。
故盘鼓式转子兼有鼓筒式和盘式转子的优点而获得了广泛的应用。
3、盘鼓式转子
盘鼓式
焊接式
径向销钉式
拉杆式
中心拉杆转子
外围拉杆转子
（1）焊接式转子Array
结构简单，
不可拆卸。
焊接式转子常见
于ABB公司生产
的燃气轮机中。
（2-1）径向销钉式
径向销钉转子重量轻，强度及刚度均好。
但相对于拉杆转子来说，径向销钉转子的解体、复装很麻烦，工作量大。
在燃气轮机总装时，径向销钉转子不可能拆卸，是不可拆卸的转子。
此外在销钉孔周围应力集中较严重。
（2-2）短螺栓式
（3）拉杆式
①中心拉杆式
（a）轴向销钉式
（3）拉杆式
①中心拉杆式
（b）骑缝径向销钉式
①中心拉杆转子
（c）端面齿式
端面齿同时起传扭和对中作用，不再需要定位止口。
端面齿的齿形有三角形、矩形等，有直齿及圆弧状齿。
采用端面齿的转子对中可靠，当工作时各轮盘因温度不同而热膨胀不一致时，端面齿处沿径向允许相互滑动，以减小相互间的作用力。
当端面齿与中心拉杆配合使用时，转子的拆装更为方便。