03 第三章 压气机与风扇解析
第三章 燃气轮机的主要性能指标
FS = FN Wa
气体冲量函数
气体冲量函数定义如下：
f (λ ) = p + ρv 2 / pt
(
)
在发动机净推力表达式中引入气体 冲量函数，可以得到净推力的表达：
⎡p ⎤ FN = A9 p 0 ⎢ t 9 f (λ9 ) − 1⎥ − W0 v0 ⎣ p0 ⎦
第二节
涡喷发动机的推进效率
推进效率定义为推进功与有效循环功之比，其物理意义在于评价发动机有效 功转化为推进器推进功的程度。
循环加热量 循环热效率 有效循环功 推进效率 推进功
涡喷发动机的推进效率
假定尾喷管完全膨胀，并忽略燃 油流量，得到推进功的表达：
L p = FS v0 = (v9 − v0 ) v0
迎面推力 ( frontal area thrust ) 迎风面积 ( frontal area )
发动机推力与发动机迎风面积之比 称为迎面推力，即：
Fa = FN Am
发动机迎风面积指发动机最大直径 处的截面面积。 发动机迎风面积直接影响到飞行器 的阻力特性和隐身性能。
GE 公司生产的发动机的推重比发展趋势
第四节
涡轴发动机和涡桨发动机的主要性能指标 涡桨发动机
当量功率和单位当量功率： N e = N B + F j v0 / η B
Le = N e / Wa
涡轴发动机
功率和单位功率：
N s = L sW a Ls = LT − LC
耗油率：
sfc = 3600W f Ns
耗油率：
sfc = 3600W f Ne
功率质量比：涡轴发动机功率与 质量之比。
功率质量比：涡桨发动机功率与质 量之比。 总效率：
涡轮风扇发动机的结构和工作原理
涡轮风扇发动机的结构和工作原理涡轮风扇发动机是一种常用于飞机的发动机类型，它通过涡轮的旋转产生推力，驱动飞机前进。
涡轮风扇发动机由多个部件组成，包括压气机、燃烧室、涡轮和喷气管等。
本文将详细介绍涡轮风扇发动机的结构和工作原理。
一、结构1. 压气机：压气机是涡轮风扇发动机的关键部件之一。
它由多级叶片组成，每一级叶片都会将进气空气压缩，提高气体的密度和压力。
压气机的作用是将进入发动机的空气压缩到更高的压力，为后续的燃烧提供条件。
2. 燃烧室：燃烧室是涡轮风扇发动机中的燃烧部分。
在燃烧室中，燃料与空气混合并点燃，产生高温高压的燃烧气体。
燃烧室内的燃烧过程需要控制好燃烧速度和温度，以保证燃料的充分燃烧，并避免过热引起的损坏。
3. 涡轮：涡轮是涡轮风扇发动机中的动力部分。
当燃烧室中的燃烧气体经过涡轮时，会驱动涡轮旋转。
涡轮与压气机通过轴连接在一起，涡轮的旋转将压气机中的空气压缩并推向喷气管。
4. 喷气管：喷气管是涡轮风扇发动机的出口部分。
经过涡轮的气体通过喷气管排出，形成推力。
喷气管的形状和设计会影响喷气速度和喷气方向，从而影响飞机的推力和飞行性能。
二、工作原理涡轮风扇发动机的工作原理是基于动量守恒和能量守恒的原理。
具体工作过程如下：1. 进气：当飞机起飞时，涡轮风扇发动机会通过进气口吸入大量空气。
进气口的设计可以提高进气效率，保证足够的气体供给。
2. 压缩：进入发动机的空气首先经过压气机的多级叶片压缩，使气体的密度和压力增加。
压气机的叶片旋转产生离心力，将气体向外推送，并将其压缩。
3. 燃烧：压缩后的空气进入燃烧室，与燃料混合并点燃。
燃烧产生的高温高压气体会迅速膨胀，将燃烧室内的压力转化为动能。
4. 膨胀：燃烧后的气体经过涡轮，驱动涡轮旋转。
涡轮的旋转将压气机中的空气压缩并推向喷气管。
同时，涡轮的旋转也为压气机提供动力，使其继续工作。
5. 喷气：经过涡轮的气体流经喷气管，形成高速喷射。
喷气产生的反冲力推动了飞机向前运动，实现了飞机的推进。
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
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）
风扇压气机结构设计
优化方法
几何优化
调整风扇压气机的叶片形状、角 度和位置等几何参数，以提高其
性能表现。
流动控制
采用适当的流动控制措施，如安装 导流叶片、使用湍流模型等，改善 风扇压气机的内部流场结构。
多学科优化
综合考虑结构、热力学和气动力学 等多个学科因素，进行多学科优化 设计，提高整体性能。
优化实例
某型风扇压气机通过改进叶片形状，减少了流动 损失，提高了效率。
轻量化
风扇压气机的设计应尽可能减 轻其重量，以减小发动机的总
重，提高飞行器的性能。
维护性
风扇压气机的设计应便于维护 和修理，降低维护成本，提高
发动机的经济性。
03 风扇压气机的设计方法
设计方法概述
理论设计
基于压气机气动理论和结 构力学原理，进行风扇压 气机的设计。
实验设计
通过实验测试和数据分析， 对风扇压气机进行优化设 计。
风扇压气机结构设计
目录
CONTENTS
• 引言 • 风扇压气机的基本原理 • 风扇压气机的设计方法 • 风扇压气机的结构设计 • 风扇压气机的性能仿真与优化 • 结论与展望
01 引言
研究背景和意义
随着航空工业的快速发展，风扇压气机作为航空发动机的关 键部件，其性能和效率对整个发动机的性能有着重要影响。 因此，研究风扇压气机的结构设计具有重要的实际意义。
04 风扇压气机的结构设计
风扇叶轮设计
总结词：高效低阻
详细描述：风扇叶轮设计应注重提高空气流动效率，降低流动阻力，以达到更高的压缩效率。叶轮的形状、叶片的数目、角 度以及材料选择都是关键因素。
机匣设计
总结词
刚度与强度
详细描述
机匣作为风扇压气机的外壳，需要承受内部的气体压力和旋转力矩。因此，机匣设计应注重提高刚度 和强度，防止变形和振动。同时，机匣的冷却设计也是关键。
第七讲离心式压气机讲解
单位面积的流通能力低, 故迎风面积大, 阻力大
4.1.2 空气在离心式压气机中的流动
空气在导流器中的流动
单面进气的离心式压气机叶轮的进口直接与 进气道的出口相接
双面进气离心式压气机的进气装置一般由预 旋片和分气盆构成
工作叶轮通道并不是设计成扩张形的
除了在导风轮中的变化之外, 在叶轮中的变化不 大
气体增压主要靠离心增压实现
由于离心力作用，叶轮外径处压强比内径大的多
总之，气体增压有两方面因素
相对速度的变化 圆周速度的变化（占据主导地位）
空气在扩压器中的流动
空气离开工作叶轮时,相对速度并不高, 而绝对速度还是很高的,一般相应的马 赫数为1.1～1.2。因此要有扩压器使空 气的静压进一步提高。
压气机主要功用
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
提高空气压力的方法
利用高速旋转的叶片对空气作功, 将功转变 为压力位能和内能
压气机分类
分为离心式压气机和轴流式压气机
第4.1节 离心式压气机
定义：
使气流变为轴向, 将 空气引入燃烧室
离心压气机中的压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和速度变化
离心式压气机的主要优点
单级增压比高
一级的增压比可达4:1－5:1, 甚至 更高
同时离心式压气机稳定的工作范 围宽
结构简单可靠 重量轻, 所需要的起动功率小
主要缺点
但它的流动损失大, 尤其是级间损失更 大, 不适于用多级, 最多两级
60年代借助于数值流场计算技术使增压比达到6-8 组合压气机（前面加上1-2级超跨音速轴流压气机），
西北工业大学航空发动机结构分析课后答案第3章压气机
第三章压气机1.航空燃气涡轮发动机中,两种基本类型压气机的优缺点有哪些？压气机类型优点缺点轴流式压气机增压比高、效率高、单位面积空气质量流量大、迎风面积小等。
结构复杂，零件数多，重量大。
成本高，维修不方便。
单级增压比低。
离心式压气机结构简单、零件数量少，成本低。
尺寸小、转子强度好，重量轻。
良好的工作可靠性。
稳定工作范围宽，维修方便。
单级增压比高迎风面积大。
效率低。
3.在盘鼓式转子中恰当半径是什么？在什么情况下是盘加强鼓？恰当半径：在盘鼓式转子中，随着圆周速度的增大，鼓筒和轮盘都会发生形变，这里有三种情况：一是在小半径处，轮盘的自由变形大于鼓筒的自由变形；二是在大半径处，轮盘的自由变形小于鼓筒的自由变形；三是在中间某个半径处，两者的自由变形相等。
对于第三种情况，联成一体后，相互没有约束，即没有力的作用，这个半径称为恰当半径。
在第二种情况下，实际变形处于两者自由变形之间，对于鼓筒，自由变形变小，轮盘则相反。
这种情况是盘加强鼓。
5.转子级间联接方法有哪些?转子级间联接方法有用拉杆联接、短螺栓连接和长轴螺栓连接等几种。
7.如何区分盘鼓式转子和加强的盘式转子？区分方法在于辨别转子的传扭方式。
鼓盘式转子靠鼓筒传扭，而加强的盘式转子主要靠轴来传扭。
9.风扇叶片叶身凸台的作用是什么？风扇叶片叶身凸台的作用：在叶片较长的情况下，为了避免发生危险的共振或颤震，叶身中部常常带一个减振凸台。
11.压气机机匣的功能是什么？压气机机匣是发动机的主要承力壳体之一，又是气流通道的外壁。
工作时，机匣承受静子的重力、惯性力，内外空气压差，整流器上的扭矩，轴向力，相邻组合件传来的弯矩、扭矩和轴向力等。
此外，机匣还承受着热负荷和振动负荷，传递支撑所受的各种载荷，如径向力、剪力和弯矩等。
13.列举整流叶片与机匣联接的三种基本方法。
一、在锻造的分半式机匣内，机匣壁较厚，整流叶片用各种形式的榫头直接固定在机匣内壁机械加工的特定环槽内。
二、整流叶片还可以通过焊接直接与机匣联接。
压气机工作原理
压气机工作原理压气机是一种用来增加气体压力的机械设备，它在各种工业领域中都有着广泛的应用。
在飞机的发动机中，压气机起着至关重要的作用，它能够将空气压缩，提高空气压力，为燃烧提供必要的氧气，从而推动飞机飞行。
那么，压气机是如何工作的呢？接下来，我们将详细介绍压气机的工作原理。
首先，压气机的工作原理可以简单地理解为通过叶片的旋转来增加气体的压力。
当空气进入压气机时，它会被叶片所围绕，随着叶片的旋转，空气被迫不断地受到挤压，从而增加了空气的压力。
这种方式类似于风扇的工作原理，但压气机的压缩效果更为显著。
其次，压气机的工作原理还涉及到了多级压缩的概念。
在压气机内部，通常会设置多个级别的叶片，每个级别都会对空气进行一次压缩，最终将空气的压力提高到所需的水平。
这种多级压缩的设计能够有效地提高压气机的效率，使得压缩过程更加充分和均匀。
另外，压气机的工作原理还包括了适当的冷却和润滑措施。
由于压气机在工作过程中会产生大量的热量，如果不及时散热，就会对设备造成损坏。
因此，压气机通常会采用冷却系统来降低温度，确保设备的正常运行。
同时，润滑系统也是不可或缺的，它能够减少叶片之间的摩擦，延长设备的使用寿命。
最后，压气机的工作原理还与叶片的设计和材料选择有关。
为了能够更好地实现空气的压缩，压气机的叶片通常会采用空气动力学设计，以确保空气能够在叶片上得到充分的压缩。
同时，叶片的材料也需要具有较高的强度和耐磨性，以承受高速旋转和持续的压缩工作。
综上所述，压气机的工作原理涉及到了空气压缩、多级压缩、冷却润滑和叶片设计等多个方面。
这些原理的相互作用，共同确保了压气机能够稳定、高效地工作，为各种工业设备和飞行器提供了必要的气体压力。
希望本文能够帮助大家更好地理解压气机的工作原理，为相关领域的工作者和爱好者提供一些参考和借鉴。
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2 压气机的工作原理
（1）基元级工作原理 (Principle of Operation of Elementary Stage) 为了减小工作叶片沿高度方向的扭转，有些压气机采用进口导 流叶片(Inlet Guide Vane) 。
2 压气机的工作原理
（2）多级压气机(Multi-stage Compressor)
7 可调静子叶片(Variable Guide/Stator Vanes)
改变进口导流叶片以及前面若干级静叶的安装角，从而改变气 流进入工作叶片时的流动方向，使攻角处于最佳状态，避免气流的 分离。
7 可调静子叶片 (Variable Guide/Stator Vanes)
8 双转子结构(Dual-spool)
3 转子结构
（3）轮盘(Disk) 轮盘结构形式：盘式、鼓式、混合式、整体式。 轮盘之间的联结：径向销钉、短螺栓、长螺栓、中心轴、焊接 与整体结构。 轮盘与轴之间的连接：花键、螺栓等。
4 静子结构
单片与叶片组；带内环的整流器；整体与剖分；固定与可调。
4 静子结构
级间封严(Inter-stage seals)
2 类型
离心式压气机 轴流式压气机 离心轴流组合式压气机
离心式压气机
Centrifugal Compressor
轴流式压气机 Axial-flow Compressor
离心轴流组合式压气机 Hybrid Compressor
3.2 离心式压气机
1 组成与结构(Basic Construction)
第三章 压气机与风扇 Compressors & Fans
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 压气机的功用及类型 离心式压气机 轴流式压气机 风扇 工作叶片和轮盘的强度
3.1 压气机的功用及类型 Function and Types
1 功用
吸入并压缩大量空气，提高空气压力，使空气在进入 燃烧室时具有较高的压力，保证发动机具有较高的效率。
3 风扇和增压器单元体(Fan/Booster Module)
离心式压气机结构简单、紧凑，单级能提高压力比达 4-8。 但径向尺寸大，气流转弯太大，效率低，不适合大中 型发动机。 目前，主要用于某些小型发动机，或用于离心轴流组 合压气机。
3.3 轴流式压气机
1 轴流式压气机的基本组成 单转子(single-spool)
3.3 轴流式压气机
1 轴流式压气机的基本组成 双转子(dual-spool)
3.2 离心式压气机
2 工作原理(Principle of Operation)
利用叶轮旋转运动，将气体向外推动，使气体获得巨大的切向 速度，与此同时，因叶轮通道截面扩散使气流相对速度降低而提高 静压；通过扩压器将一部分动能转化为势能，进一步提高静压。
3.2 离心式压气机
3 特点和应用(Features and Applications)
（1）工作原理 当发动机转速下降时，低压转子的转度下降比高压转子转速下 降得更多，使其适应流量减少的特点，保持气流进入工作叶片时仍 然有比较合适的攻角，避免产生分离。 （2）结构特点
3.4 风扇(Fan)
1 功用与工作原理 (Function and Principle of Operation) 增加发动机的空气总流量，既提高发动机的总推力，又降低发 动机的耗油率。 2 风扇的基本组成 (Basic Construction) 风扇部件由风扇和增压器(Booster)、风扇机匣(Casing)和轴承 组件(Bearings)等主要单元体组成。
3.3 轴流式压气机
1 轴流式压气机的基本组成 三转子(tri-spool)
2 压气机的工作原理
（1）基元级工作原理 (Principle of Operation of Elementary Stage) 轴流压气机的基元级是指一级工作叶片(Blades)与一级整流叶片 (Vanes)在同一个圆周上的截面，即由一排工作叶片剖面和后面的一 排整流叶片剖面组成。
2 压气机的工作原理
（3）压气机沿气流方向的通道形状设计 (The Streamwise Passage Shapes)
Douter=const
Dmean=c3 转子结构
（1）转子基本结构(Basic Rotor Construction)
Pratt & Whitney
3 转子结构
（3）轮盘(Disk) 轮盘结构形式：盘式、鼓式、混合式、整体式。 轮盘之间的联结：径向销钉、短螺栓、长螺栓、中心轴、焊接 与整体结构。 轮盘与轴之间的连接：花键、螺栓等。
3 转子结构
（3）轮盘(Disk) 轮盘结构形式：盘式、鼓式、混合式、整体式。 轮盘之间的联结：径向销钉、短螺栓、长螺栓、中心轴、焊接 与整体结构。 轮盘与轴之间的连接：花键、螺栓等。
3.2 离心式压气机
1 组成与结构(Basic Construction)
3.2 离心式压气机
2 工作原理(Principle of Operation)
利用叶轮旋转运动，将气体向外推动，使气体获得巨大的切向 速度，与此同时，因叶轮通道截面扩散使气流相对速度降低而提高 静压；通过扩压器将一部分动能转化为势能，进一步提高静压。
CFM56
3 转子结构
（2）工作叶片(Blades) 功用：对流过的气流做功，提高其静压和速度。
基本结构形状：由叶身、平台和根部组成；有些长的风扇叶片，带 有中间突台。
3 转子结构
（2）工作叶片(Blades) 叶片在轮盘上的安装：
绝大多数轴流压气机的工作叶片利用燕尾形榫头与轮盘上的对 应榫槽相联结，并用各种固定方法使叶片沿轴向得以固定。
5 压气机工作的稳定性
（1）压气机稳定性 (Stability) （2）失速与喘振(Stall and Surge) （3）解决喘振的各种措施: 中间级放气、可调静叶、双转子结构等。
6 中间级放气 (Inter-stage Air Bleed)
（1）工作原理 增大前面各级的空气流量，减小相应的气流攻角，防止叶片低 压面产生分离。 （2）各种放气装置及其控制 放气活门、环形放气带，液压机械、气压机械、电子机械。