航空材料
——之发动机涡轮叶片
班级：发动机1102
航空材料与热处理论文
----飞机发动机涡轮叶片
引言
近半个多世纪以来, 航空发动机技术取得了巨大的进步, 军用发动机推重比从初期的2~ 3提高到10甚至20, 这就对材料和制造技术的发展提出了更高的要求。航空发动机涡轮叶(包括涡轮工作叶片和导向叶片)是航空发动机中承受温度载荷最剧烈和工作环境最恶劣的部件之一, 在高温下要承受很大、很复杂的应力, 因而对其材料的要求极为苛刻。自20世纪四十年代以来, 对航空发动机涡轮叶片用材料, 国内外都投入了大量的人力、物力进行研究, 研制出了不同的系列, 满足了航空发动机发展的需求。
关键词：涡轮叶片；防腐与维护；K403合金；热处理；显微组织
一、国外概况
航空发动机涡轮叶片用材料最初普遍采用变形高温合金。随着材料研制技术和加工工艺的发展,铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片, 前苏联在60年代中期应用了铸造涡轮叶片, 英国于70年代初采用了铸造涡轮叶片。而航空发动机不断追求高推重比, 使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求, 因而国外自70年代以来纷纷开始研制新型高温合金, 先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料; 单晶高温合金已经发展到了第3代。80年代, 又开始研制了陶瓷叶片材料, 在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。
二、中国概况
中国高温合金的研制始于1956年。1957年成功研制出第1种涡轮叶片材料GH4033, 但是, 由于当时生产水平较低, 工艺未完善, 航空发动机制造用材料基本上是从前苏联进口的。直至60年代初, 由于中苏关系恶化, 无法从前苏联进口材料, 发动机的生产面临材料短缺。在此情况下, 中国相关部门联合开展技术攻关, 解决了GH4033、GH4037、GH4049等材料的生产质量和工艺问题, 开始书写了研制中国发动机涡轮叶片用变形高温合金的新篇章。在变形高温合金成功研制的基础上, 中国又相继研制了K403、K405、K417、K418 和K423 等一系列等轴晶铸造高温合金, 满足了国内航空发动机生产以铸造代锻造, 使导向叶片和涡轮叶片铸造化的要求, 并在70 年代应用于航空发动机制造。70年代末, 中国开始了定向凝固柱晶高温合金、单晶高温合金、金属间化合物基高温合金等新材料的研制工作, 先后研制成功了DZ4、DZ22、DZ125等定向凝固柱晶高温合金,
DD3、DD4, DD6等单晶高温合金,IC6, IC6A, IC10等金属间化合物基高温合金, 并已应用于中国各型号航空发动机涡轮工作叶片和导向叶片的制造。从表1列出的中国涡轮叶片用主要材料的概况中看出, 航空发动机的发展对涡轮叶片用材料的使用温度提出了越来越高的要求; 中国涡轮叶片用材料也从变形高温合金发展到了单晶高温合金和金属间化合物基高温合金, 其使用温度从700℃提高到了1100℃~1150℃。
表1.. 中国涡轮叶片用主要材料的概况
序号材料牌
号
材料类别用途使用
温度
(℃﹚
开始应
用时间
(年代)
1 GH230
2 变形高温合金工作叶片800 60
2 GH403
3 变形高温合金工作叶片700 60
3 GH4037 变形高温合金工作叶片850 60
4 GH4049 变形高温合金工作叶片900 60
5 GH4220 变形高温合金工作叶片950 80
6 GH710 变形高温合金工作叶片950 80
7 GH738 变形高温合金工作叶片815 70
8 K403 等轴晶铸造高温合金工作叶片、导向叶片900
~1000
70
9 K405 等轴晶铸造高温合金工作叶片950 70
10 K417G 等轴晶铸造高温合金工作叶片、导向叶片900 80
11 K418 等轴晶铸造高温合金工作叶片、导向叶片900 70
12 K423 等轴晶铸造高温合金导向叶片1000 70
13 K441 等轴晶铸造高温合金导向叶片1100 90
14 K4002 等轴晶铸造高温合金工作叶片1000 80
15 K640 等轴晶铸造高温合金导向叶片1000 80
16 DZ4 定向凝固柱晶高温合金工作叶片、导向叶片1000~
1050
80
17 DZ5 定向凝固柱晶高温合金工作叶片、导向叶片1000 80
18 DZ417G 定向凝固柱晶高温合金工作叶片、导向叶片980 90
19 DZ22 定向凝固柱晶高温合金工作叶片、导向叶片1000~
1050
90
20 DZ125 定向凝固柱晶高温合金工作叶片、导向叶片1000~
1050
90 21 DZ125L 定向凝固柱晶高温合金工作叶片、导向叶片1000~90
1050
22 DD3 单晶高温合金工作叶片、导向叶片1040~
1100
90
23 DD4 单晶高温合金工作叶片、导向叶片1000~
1050
90
24 DD6 单晶高温合金工作叶片1100 21世纪
25 IC6(IC6
A) 金属间化合物基高温合
金
导向叶片1150 90
26 IC10 金属间化合物基高温合
金
导向叶片1150 21世纪
三、工作环境及其性能要求
涡轮叶片包括静止的导向叶片和转动的工作叶片。涡轮是在燃烧室后面的一个高温部件，燃烧室排出的高温高压燃气流经流道流过涡轮，所有叶片恰好都是暴露在流道中必须承受约1000°C的高温1Mpa的以上高压燃气的冲刷下正常工作。燃气和空气的混合气体从燃烧室喷出后，气流沿两片导向叶片之间收敛的通道，加大速度，降低压强，膨胀并改变方向，以适当的角度和每秒几百米的速度，冲向涡轮的工作叶片，使工作叶片高速旋转，并通过涡轮轴带动压气机旋转。
涡轮转子叶片在工作中一直处于高温工作状态，因此热疲劳和高温蠕变性能也是涡轮转子叶片的重要失效抗力指标。
四、失效形势
叶片产生失效的主要原因，归纳起来主要包括：热疲劳在内的低循环疲劳。振动引起的高循环疲劳，高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应力断裂，高温燃气冲刷腐蚀和氧化、以及外物损伤等。转子叶片的失效模式随工作条件的不同而有所不同，主要是外物损伤、变形伸长和断裂三种失效形式。
叶片的外物损伤失效主要表现为凹坑、掉块、表层剥落、弯曲变形、裂纹和折断等。其中凹坑、裂纹等损伤往往会成为腐蚀和疲劳断裂的初因。
转子叶片变形伸长失效的直接后果是叶身与机匣相磨，降低发动机的使用可靠性。其主要原因有：材料选用不当或热处理工艺不当使叶片的屈服强度偏低；叶片工作温度过高，是叶片强度降低；或者发动机超转，造成离心力过高。叶片变形失效在实际使用中出现的概率较低。判断叶片是否发生变形伸长的主要依据是检查机匣有无磨损的痕迹或检查叶片是否由于使用温度过高而发生蠕变。
转子叶片出现断裂失效的概率最高，其危害性也最大，往往是一个叶片折断而打坏其他叶片，乃至使整台发动机无法工作而危及飞行安全。除因外物撞击造成叶片瞬时过载断裂外，绝大多数是由于各种原因引起的不同类型的疲劳断裂失效。
叶片疲劳断裂失效主要是因为离心力叠加弯曲应力引起的疲劳断裂、由振动环境引起的颤振，扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质以及接触状态引起的高温疲劳、微动疲劳和腐蚀损伤导致的疲劳断裂。但由于叶片工作环境的复杂性，叶片实际的疲劳断裂往往并非上述某一模式。而是多种情况的叠加。
五、涡轮转子叶片结构特点
现代航空发动机多处采用多级轴流式涡轮。涡轮叶片具有气动力翼型型面，为了使燃气系统排出的燃气流竜在整个叶片长度上做等量得功，并保证燃气流以均匀的轴向速度进入排气系统从叶根到叶尖有一个扭角，叶尖处的扭角比叶根处要大。
涡轮转子叶片在涡轮盘上的固定方法十分重要，现代大多数燃气涡轮发动机转子都采用“枞树形”榫齿。这种榫齿精确加工和设计，以保证所有榫齿都能按比例承受载荷。当涡轮静止时，叶片在榫槽内有一定的切向活动量；而当涡轮转动时，离心力将叶根拉紧在盘上。
涡轮叶片材料是保证涡轮性能和可靠性的基础，涡轮叶片早期是用变形高温合金，采用锻造的方法制造。由于发动机设计与精铸技术的发展，发动机涡轮叶片从变形合金发展为铸造合金从实心发展为空心，从多晶发展为单晶，从而大大提高了叶片的耐热性能。由于镍基单晶超合金具有卓越的高温蠕变性能已成为制造航空发动机热端部件的重要材料。
六、涡轮叶片所采用的材料
所选材料是K403,K403合金是一种铸造镍基高温合金。该合金具有较高的高温强度，广泛用于铸造涡喷、涡浆、涡轴和涡扇等系列发动机的导向叶片和工作叶片。γ’相是镍基合金的主要强化相，影响合金的高温性能。K403合金中有较高含量的γ’相形成元
素Al，Ti 等，因而合金组织中γ’相的体积分数较高。
表1 K403镍基合金的化学成分
成
分
C Cr Co W Mo B Al Ti Ce Fe Si Mn Ni
含
量
%
0.1511.2 5.2 5.02 4.200.02 5.62 2.650.070.50.20.1Bal
七、零件热处理工艺
a.铸造毛坯叶片→固溶处理或固溶+时效处理→粗加工→涂渗防护层→精加工。
b.铸造无余量叶片（包括定向结晶或单晶叶片）→真空下（或保护气体）固溶处理或
固溶+时效处理→涂渗防护层→精加工。
K403热处理
合金牌号工序名称
热处理工艺
冷却方式备加热温度℃保温时间
K403固溶处理12104h空冷
K403热处理后的高温性能
试验温度℃σb,MPaδs,%Ψ,%持久
不小于σ，MPa t,h(不小于) 800785 2.0 3.0
75064550
不同固溶温度下K403 合金的显微组织
热处理工艺
σb/MPa σ0.2/MPa
δ5/% ψ/% Hardness,
HRC 1190℃,4h ，AC+900℃,16h ，AC 1060 955 6.0 7.0 42.4 1190℃,4h ，AC+940℃,16h ，AC 1110 930 4.0 5.0 45.2 1190℃,4h ，AC+980℃,16h ，AC
1050
900
7.0
8.5
41.1
表2 不同温度时效后合金的800 ℃拉伸性能和室温硬度
八、材料的腐蚀情况
对于发动机涡轮叶片来说，涡轮叶片的工作环境是在高温下进行的高速旋转，因此，对于高温来说，为了防止高温的腐蚀，我们通常在涡轮叶片上涂上一层隔热图层，已达到高温防腐的目的
九、防护方法 1. 改进工艺
工艺因素对涡轮叶片疲劳强度的影响远大于尺寸因素的影响。先进、合理的工艺流程可以使叶片的疲劳性能稳定、并提高叶片的承载能力。 2. 锻、铸造工艺
为了提高叶片的锻、铸造质量，因此在锻、铸造过程中要注意以下工作参数的选择： （1） 浇注温度的选区应以使型壳得到良好的填充和保证铸件获得最少的疏松为原则 （2） 型壳温度的选择应与浇注温度相配合
（3） 冷却速度。影响叶片蠕变性能的主要因素是铸造条件下的叶片冷却速度。对于高
温的涡轮叶片，应选取高的冷却速度，以改善涡轮叶片的高温性能。
3.机械加工工艺
涡轮叶片的疲劳强度同时取决于机械加工和残余应力的大小，以及叶片的结构复杂性。因此，在机械加工过程中，主要从以下几个方面改进加工工艺。
（1）提高叶片表面光洁度，尽量皮面擦伤和划痕；
（2）使叶片的加工方向与最大主应力方向一致；
（3）在制造过程中，应避免在叶片表面层产生有害的拉伸残余应力。
（4）采取时效处理。
（5）尽可能将叶片按设计流线型加工，确保叶片表面成流线型状态，减小应力集中。
4.表面强化
表面强化是提高涡轮叶片疲劳强度的有效方法之一，目前涡轮叶片常用的表面强化的主要措施有：化学热处理，表面淬火，喷丸处理和表面滚压。这些强化表面层的工艺措施可以提高涡轮叶片的表面硬度，从而减少涡轮叶片的表面损伤，而最主要的还是在涡轮叶片表面形成一层具有压缩残余应力的表面层。涡轮叶片的疲劳损坏是由其表面层所受的拉应力所引起的，表面层的残余压应力可以抵消一部分拉应力，从而使涡轮叶片的疲劳强度得到提高。
5.表面防护
涡轮叶片疲劳破坏一般都是从表面开始，而表面与高温燃气环境接触，这对疲劳强度影响很大。因此，采用合适的表面防护方法，使叶片表面与高温燃气环境隔离可以提高叶片的耐高温疲劳强度。目前涡轮叶片表面防护的主要措施是各种高温涂层。这些高温涂层主要包括扩散涂层、改性铝化物涂层、包覆涂层和热障涂层。
6.合理维护和使用
合理的维护和使用对提高涡轮叶片的疲劳强度也有重要意义。在外场维护的过程中，要严格按照维护手册和飞行条例操作。加强叶片的检测和维护，尽量减小叶片振动和避免出现叶片的共振，防止在叶片内部出现大的交变应力，防止叶片因腐蚀及打伤而加速叶片的振动疲劳损坏。严禁频繁的启动和停车，因为在规定寿命内发动机启动次数越多，叶片抗疲劳性能降低就越多。尽量避免出现高频的载荷波动，防止造成低周疲劳破坏和高低周复合疲劳破坏。
喷气发动机原理简介
分类 涡轮喷气式发动机 完全采用燃气喷气产生推力的喷气发动机是涡轮喷气发动机。这种发动机的推力和油耗都很高。适合于高速飞行。也是最早的喷气发动机。离心式涡轮喷气发动机 使用离心叶轮作为压气机。这种压气机很简单，适合用比较差的材料制作，所以在早期应用很多。但是这种压气机阻力很大，压缩比低，并且发动机直径也很大，所以现在已经不再使用这种压气机。 轴流式涡轮喷气发动机 使用扇叶作为压气机。这样的发动机克服了离心式发动机的缺点，因此具有很高的性能。缺点是制造工艺苛刻。现在的高空高速飞机依然在使用轴流式涡喷发动机。 涡轮风扇发动机 一台涡扇发动机的一级压气机 主条目：涡轮风扇发动机
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飞机才第一次上天，没有参加第二次世界大战，轴流式诞生在德国，并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动力参加了1944年末的战斗。 相比起离心式涡喷发动机，轴流式具有横截面小，压缩比高的优点，但是需要较高品质的材料——这在1945年左右是不存在的。当今的涡喷发动机均为轴流式。 一个典型的轴流式涡轮喷气发动机图解（浅蓝色箭头为气流流向）图片注释: 1 - 吸入, 2 - 低压压缩, 3 - 高压压缩, 4 - 燃烧, 5 - 排气, 6 - 热区域, 7 - 涡轮机, 8 - 燃烧室, 9 - 冷区域, 10 - 进气口
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航空发动机涡扇叶片及其成形工艺 涡扇发动机具有耗油率低、起飞动力大、噪音低和迎风面积大等特点。60年代中期，它只应用于客机和轰炸机，当时人们普遍认为，它很难在高速歼击机上应用。自70年代以来，带加力的高推比涡扇发动机的相继问世，使战斗机的性能提高到了一个新的水平，从而彻底改变了人们对涡扇发动机的偏见。90年代中期，又为第四代战斗机成功研制了推重比10带加力的涡扇发动机。与此同时，为满足发展巨型、远程运输机、宽机身客机的需要，国外先进的发动机厂家又研制成功了大推力、低耗油率、大流量比的涡扇发动机。时至今日，涡扇发动机已是应用数量最多、范围最广和最有发展前景的航空发动机。 风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。初期的风扇叶片材料为钛合金，具有实心、窄弦、带阻尼凸台结构。现今，风扇叶片在材料、结构方面已改进许多。为了增强刚性，防止振动或颤振，提高风扇叶片的气动效率，用宽弦结构代表了窄弦、带阻尼凸台结构；为了减轻重量，用夹芯或空心结构取代了实心结构；为了增大流量比，提高大推力涡扇发动机推进效率，风扇转子直径已增大到了3242mm，风扇叶尖速度已高达457m/s。而这些材料新、叶身长、叶弦宽、结构复杂的风扇叶片的成形工艺是非常复杂的。因此，风扇叶片的成形工艺始终是涡扇发动机的关键制造技术之一。 1早期风扇叶片 早期风扇叶片为大尺寸实心结构，为防止共振及颤振，它的叶身中部常带有一个阻尼凸台(又称减振凸台)。所有叶片的凸台连成一环状，既增强了刚性又改变了叶片固有频率，减小了叶根弯曲和扭转应力。阻尼凸台接合面喷涂有耐磨合金，当叶片振动时，接合面相互摩擦可起阻尼作用。阻尼凸台一般位于距叶根约整个叶片长度的50%～70%处。阻尼凸台的存在带来一系列问题，如：由于它的存在及它与叶身连接处的局部加厚，使流道面积减少约2%，使空气流量降低，造成气流压力损失，使压气机效率下降，发动机耗油率增加；增加了叶身重量，使叶片离心力负荷加大；使叶片制造工艺更加复杂。在有些风扇叶片上，为了增强抗外物撞击损伤能力，叶身上除了阻尼凸台以外，还有较厚的加强筋。 CFM56-3和CFM56-5发动机风扇转子直径约1700mm，风扇叶片长约600mm，由整体钛合金锻件经机械加工而成。风扇叶片毛坯先镦锻出叶根和阻尼凸台，经预锻成形，再精锻、切边。叶身成形可用数控铣、数控仿形磨、电解加工和抛光等工艺。随着叶片批量生产的增加，应尽量采用精锻法生产出钛合金风扇叶片的锻坯，以提高材料的利用率，减少机械加工工作量和提高风扇叶片的使用寿命。但生产这样大的风扇叶片精锻毛坯，需要使用昂贵的高精度的万吨级机械压力机或螺旋压力机，所需模具的尺寸大、精度也高。因此，精锻工序的成本很高。4钛合金宽弦无凸台空心风扇叶片5高韧性环氧复合材料风扇叶片
大修航空发动机涡轮叶片的检修技术示范文本 In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each Link To Achieve Risk Control And Planning 某某管理中心 XX年XX月
大修航空发动机涡轮叶片的检修技术示 范文本 使用指引：此解决方案资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。 介绍了涡轮叶片的清洗、无损检测、叶型完整性检测 等预处理，以及包括表面损伤修理、叶顶修复、热静压、 喷丸强化及涂层修复等在内的先进修理技术。 涡轮叶片的工作条件非常恶劣，因此，在性能先进的 航空发动机上，涡轮叶片都采用了性能优异但价格十分昂 贵的镍基和钴基高温合金材料以及复杂的制造工艺，例 如，定向凝固叶片和单晶叶片。在维修车间采用先进的修 理技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复，延长其使用寿 命，减少更换叶片，可获得可观的经济收益。为了有效提 高航空发动机的工作可靠性和经济性，涡轮叶片先进的修 理技术日益受到发动机用户和修理单位的重视，并获得了
广泛的应用。 1.修理前的处理与检测 涡轮叶片在实施修理工艺之前进行必要的预处理和检测，以清除其表面的附着杂质；对叶片损伤形式和损伤程度做出评估，从而确定叶片的可修理度和采用的修理技术手段。 1.1清洗 由于涡轮叶片表面黏附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和(或)基体经过高温氧化腐蚀后所产生的热蚀层，一般统称为积炭。积炭致使涡轮效率下降，热蚀层会降低叶片的机械强度和叶片表面处理的工艺效果，同时积炭也掩盖了叶片表面的损伤，不便于检测。因此，叶片在进行检测和修理前，要清除积炭。 1.2无损检测 在修理前，使用先进的检测仪器对叶片的叶型完整性
第六章双轴涡轮喷气发动机 Twin spool turbo-jet engine 第6.1节双轴涡轮喷气发动机的防喘原理和性能优点Avoiding surge occurred and other adventages of Twin spool turbo-jet engine 采用双轴涡轮喷气发动机的主要目的是防止压气机喘振。双轴发动机把一台高设计增压比的压气机分为二台低设计增压比的压气机，分别由各自的涡轮带动。低压压气机与低压涡轮组成低压转子，高压压气机与高压涡轮组成高压转子，双轴发动机的结构方案如图6.1.1。 图6.1.1 双轴发动机简图 为什么双轴发动机在转速降低时有效的防止压气机喘振？这个问题在前面已经讨论过了，现在联系涡轮的工作状态进一步说明如下： 单轴的高设计增压比压气机在非设计状态下工作严重恶化，是由于沿压气机气流通道轴向速度的重新分布所引起的，根据压气机进口和出口流量相等的条件，可以得到 式中A 2、A 3 、c 2z 、c 3z 、ρ 2 和ρ 3 分别代表压气机进出口的面积、气流轴向分速度 和密度。上式可以改写为 由多变压缩过程的关系可得： 式中 n——多变指数 分别用压气机进出口的周向速度u 2和u 3 除上式左边的分子和分母，可得
上两式中K 1和K 2 为常数。在速度三角形中c z /u称为耗量系数。 由上两式可见，压气机增压比的变化将导致压气机进出口轴向速度之比和耗量系数之比也相应地变化。当发动机相似参数变化时，就会产生这种情 况。发动机相似参数的变化可能是由于转速的变化引起的，也可能是在转速不变时压气机进口温度变化引起的，这两种情况没有本质的差别。 由压气机的气流速度三角形可以知道，耗量系数的变化影响着速度三角形的形状，使气流流入压气机叶片的攻角发生变化。例如，压气机进口耗量系数c 2z 降低，将引起第一级压气机叶片的攻角增大；而压气机出口耗量系数c 3z 增加，将引起末级压气机叶片攻角减小。 因此，当发动机转速相似参数降低后，压气机的最前面几级和末后几级都将 偏离它们的设计状态，中间各级由于耗量系数c z 变化不大，因而工作状态变化不大。压气机前后各级的攻角偏离设计状态，首先使压气机级效率降低，进一步发展将会导致压气机喘振。在非设计状态下前后各级工作不协调的现象对于高设计增压比的压气机将更为严重。 通过上述分析，可以知道，要达到在非设计状态下前后各级协调地工作，最有效的方法是使各级的转速相应于各级进口气流轴向速度的重新分布而各自变 化，以保证各级耗量系数c z 不变。然而这在结构上是不可能的，也不需要这样。在一般情况下只要把压气机分成两组就足够了。这就成为双轴压气机和双轴发动机。 当双轴发动机的转速相似参数降低以后，高压转子和低压转子的转速自动地进行调整，使前后各级能够协调工作。为了说明这个现象，再进一步分析压气机和涡轮工作的某些特点。 压气机由设计状态降低转速和增压比时，前后各级的气流轴向速度和耗量系数都将重新分布，前几级的耗量系数降低，攻角加大；而后几级的耗量系数加大， 攻角减小。攻角的改变将引起各级加功量w c,i 的变化。 对于前面几级，攻角加大时，工作轮出口的气流相对速度方向基本不变，因 而气流转角Δβ加大，扭速Δw u 加大。如果是压气机进口温度增加使转速相似参数降低而工作轮切线速度u不变时，级的加功量也加大。 对于后面几级，流入角减小时，将使气流转角Δβ减小，扭速Δw u 减小， 因而级加功量w c,i 减小。 总之，当压气机增压比降低时，低压压气机的加功量w c,l 和高压压气机的加 功量w c,h 之比将加大，即 式中下角注s表示设计状态下的比值。 如果低压压气机和高压压气机用同一个比值降低转速(这在双轴发动机上当然是不可能的，但为了便于分析，姑且这样假设)，那末上述加功量比值的变化关系仍然是正确的。因为
目录 【引言】 (1) 一．涡轮增压器的作用和构造以及工作原理 (1) （一）作用 (1) （二）构造 (2) （二）工作原理 (3) 二．汽车涡轮增压器的维护及使用常识 (3) （一）涡轮增压器的维护 (3) （二）涡轮增压发动机的使用 (6) 三．汽车涡轮增压器的分类及优缺点 (7) （一）汽车涡轮增压器的分类 (7) （二）汽车涡轮增压器的优缺点 (8) 四．涡轮增压器的常见故障及案例分析 (9) （一）故障现象 (9) （二）故障检修 (10) （三）废气涡轮增压器漏油 (11) （四）案例分析 (12) 五．涡轮增压器的改进措施 (13) （一）现代化设计方法和制造技术方面 (13) （二）新材料的应用方面 (14) 六．涡轮增压器的发展趋势 (14) （一）柴油机涡轮增压技术现状 (15) 【结束语】 (16) 参考文献 (17)
汽车涡轮增压的常见故障及改进措施 【摘要】涡轮增压简称Turbo，如果在轿车尾部看到Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。本文介绍了涡轮增压器的构造和原理，对它的保养及使用进行了阐述，同时，通过分析常见故障，对改进措施以及发展方向有了一定的看法。 【关键词】涡轮增压废气常见故障改进措施 【引言】 涡轮增压器，一个近十年出现的词语。人们只知道汽车排量后面带T的车辆就是带有涡轮增压器的发动机，汽车的加速就会快，性能也好。 涡轮增压器会产生更大的扭矩以满足驾驶乐趣。为了满足发动机不同转速下的需求，1989年出现了可变增压的涡轮增压器（VNT）。在发动机低速时，涡轮增压器减小喉口，提高增压；在发动机全速运转时，涡轮增压器喉口增大，保证增压不会超出需求。喉口可用真空管控制。优点是提高了发动机低速时的加速性能。目前，涡轮增压器已经占到了50%，在亚洲、美国也都在增长。现代涡轮增压器也改变了人们对柴油机的看法，涡轮增压器已经成为提高动力性能的主流方向。 本文着重介绍涡轮增压常见故障及改进措施，针对故障的案例进行分析，调研。 一．涡轮增压器的作用和构造以及工作原理 （一）作用 涡轮增压器按增压方式分为废气涡轮增压器、复合式废气涡轮增压器和组合式涡轮增压器。他们的作用分别如下： 1.废气涡轮增压器是利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。废气涡轮与压气机通常装成一体，便称为废气涡轮增压器。其结构简单，工作可靠，一般柴油机合理地加装废气涡轮增
1.涡喷发动机的工作原理？ 涡喷发动机以空气为介质，进气道将所需的的外界空气以最小的流动损失送到压气机；压气机通过高速旋转的叶片对空气压缩做功，提高空气的压力；空气在燃烧室内和燃油混合燃烧，将燃料化学能转变成热能，生成高温高压燃气；燃气在涡轮内膨胀，将热能转为机械能，驱动涡轮旋转，带动压气机；燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，燃气以较高速度排出，产生推力。 2.涡轮发动机的特征，什么是燃气涡轮发动机的特性？发动机特性分哪几种？ 特征：发动机作为一个热机，它将燃料的热能转变为机械能，同时作为一个推进器，它利用所产生的机械能使发动机获得推力。 发动机的特性：燃气涡轮发动机的推力和燃油消耗率随发动机转速、飞行高度和飞行速度的变化规律叫发动机特性。发动机特性分为：保持飞机高度和飞机速度不变的情况下，发动机推力和燃油消耗率随发动机转速的变化规律叫发动机转速特性。在给定的调节规律下，保持发动机的转速和飞机速度不变时，发动机的推力和燃油消耗率随飞机的高度的变化规律叫高度特性。在给定的调节规律下，保持发动机的转速和飞行高度不变时，发动机的推力和燃油消耗量随飞机速度（或马赫数）的变化规律叫速度特性。 3.净推力和总推力 根据牛顿第2，第3定律，气流进入发动机和离开发动机的动量发生变化，产生推力。 净推力：取决于离开发动机的燃气动量与进来的空气动量加进来的燃油动量。净推力还包括喷管出口的静压超过周围空气的静压产生的推力。Fn=Qma(Vj-Va)+Aj(Pj-Pam) 总推力：是指当飞机静止时发动机排气产生的推力，包括排气动量产生的推力和喷口静压和环境空气静压之差产生的附加推力。Fg=Qma(Vj)+Aj(Pj-Pam)。 正常飞行时，压气机、扩压器、燃烧室、排气锥产生向前推力，涡轮、尾喷口产生向后的推力。 4.影响热效率的因素？ 热效率表明，在循环中加入的热量有多少变为机械功。影响因素有：加热比（涡轮前燃气总温），压气机增压比，压气机效率和涡轮效率。加热比、压气机效率和涡轮效率增大，热效率也增大。压气机增压比提高，热效率增大，当增压比等于最经济增压比时，热效率最大，继续提高增压比，热效率反而下降。热效率也称做内效率。 5.进气道的作用？什么是进气道总压恢复系数？ 一是尽可能多的恢复自由气流的总压并输送该压力到压气机，这就是冲压恢复或压力恢复；二是提供均匀的气流到压气机使压气机有效地工作。进气道出口截面的总压与进气道前方来流的总压比值，叫做进气道总压恢复系数，该系数是小于1的数值，表示进气道的流动损失。 6.进气道冲压比的定义，影响冲压比的因素？ 进气道的冲压比是：进气道出口处的总压与远方气流静压的比值。冲压比越大，说明空气在压气机前的冲压压缩程度越大，影响冲压比因素：流动损失，飞行速度和大气温度。（大气密度、高度、发动机转速）：当大气温度和飞行速度一定时，流动损失大，则冲压比下降；当大气温度和流动损失一定时，飞行速度越大，则冲压比增加；当飞行速度和流动损失一定时，大气温度上升，则冲压比下降。 7.压气机分哪两种？目前燃气涡轮发动机中常采用哪一种，为什么？ 离心式和轴流式。目前燃气涡轮发动机中常采用轴流式压气机。这是因为轴流式压气机具有下述优点：总的增压比高，压气机效率高，单位面积的流通能力高，迎风面积小，阻力小。缺点：单级增压比低，结构复杂 离心式优点：单级增压比高，压气机稳定工作范围宽，结构简单可靠，重量轻，长度短，起动功率小，缺点：流动损失大，效率低，单位面积的流通能力低，迎风面积大，阻力大 8.进口导向叶片的功能是什么？决定进入压气机叶片气流攻角的因素是什么？ 为了保证压气机工作稳定，有的在第1级工作叶轮前还有一排不动的叶片称为进口导向叶片。其功能是引导气流的流动方向产生预旋，使气流以合适的方向流入第1级工作叶轮。决定因素是：工作叶轮进口处的绝对速度（包括大小和方向），压气机的转速。 9.简要说明空气在多级压气机中的流动。 基元级的叶栅通道均是扩张形的。在叶轮内，绝对速度增大，相对速度减小。同时，总压、静压和总温、静温都升高；在整流器内，绝对速度减小；静压和静温升高，总压略有下降，总温保持不变。由此可见，空气流过基元级时，不仅在叶轮内受到压缩，而且在整流器内也受到压缩。
中文题目：废气涡轮增压器结构设计 外文题目：Exhaust turbocharger structure design 毕业设计（论文）共67 页（其中：外文文献及译文36页）图纸共3张
摘要 涡轮增压器能在发动机排量不变的情况下，提高其动力性能，降低尾气排放，最初主要用于柴油发动机。最近，汽油发动机也越来越多地安装了涡轮增压器。Turbo，即涡轮增压，简称T，最早时候由瑞典的萨博（SAAB）汽车公司应用于汽车领域。现在很多人都知道了，涡轮增压简称TURBO，如果在轿车尾部看到TURBO或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。这些汽车的发动机工作，是靠燃料在发动机气缸内燃烧作功，从而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下，若想提高发动机的输出功率，最有效的方法就是多提供燃料燃烧。然而，向气缸内多提供燃料容易做到，但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难完成的。 关键字：涡轮增压；气缸内燃烧；燃料
Abstract Turbochargers can improve e ngines?power performance and reduce exhaust emissions without changing their capacity.They were mainly used in diesel enginesfirstly .Turbo, namely the turbocharging, is called T, most early time (SAAB) the Car company applies by Sweden's Sabo in the automobile domain. Many people have known now, the turbocharging is called TURBO, if saw in the passenger vehicle rear part TURBO or T, namely indicated this vehicle uses the engine is the turbocharging engine. These automobile's engine work, is makes the merit depending on the fuel in the engine cylinder internal combustion, thus foreign output. In engine capacity certain situation, if wants to raise engine's output, the most effective method provides the fuel burning much. However, provides the fuel to the air cylinder in easily to do, but must provide the enough quantity the air to support the fuel to burn completely, is very difficult to complete depending on the traditional engine air intake system. Key words: Turbo; Air cylinder internal combustion; Fuel
《航空燃气涡轮发动机典型制造工艺》课程教学大纲 执笔：XXX审核：XXX编写日期：2017.05 一、课程的性质和任务 本课程是为高等院校航空发动机制造专业基础课程之一，是航空发动机类专业技术人员的必修课程,也是从事地面燃气轮机、蒸汽轮机、风机、以及其它热旋转动力机械装置的专业技术人员可以选修的课程。通过了解航空燃气涡轮发动机主要零部件的制造工艺、装配和试车技术等，可以在学生的飞行器动力设计知识结构和制造工艺之间架起一座桥梁，通过对工艺知识的了解和掌握，提升工程设计的技术水平。 二、课程的基本内容及要求 要求学生通过各教学环节的学习，达到以下要求：了解航空发动机常用材料、典型零件金属成形工艺及无损检测基本类型；掌握航空燃气轮机的盘、轴、叶片、机匣类零件的制造工艺；掌握航空燃气轮机的装配工艺；了解航空燃气轮机的试车工艺。 1、工艺基础知识 了解航空发动机常用材料 掌握航空发动机的典型零件金属成形工艺 了解航空发动机常用无损检测基本类型 2、叶片制造工艺 掌握航空发动机叶片的结构特点 掌握航空发动机叶片的锻压成形、精密铸造、机械加工、特种加工、表面工程技术和叶片检测。 3、盘类零件制造工艺 掌握航空发动机盘类零件的结构特点
掌握航空发动机盘类零件的毛坯制造、典型加工工艺、鼓筒盘组件的成形及加工工艺、整体叶盘制造工艺、盘类件热处理及表面处理工艺和盘类件、焊接鼓筒盘组件的技术检测 4、轴类零件制造工艺 掌握航空发动机轴类零件的结构特点 掌握航空发动机轴类零件的毛坯制造、加工工艺、热处理、表面处理工艺及检测 5、机匣制造工艺 掌握航空发动机机匣类零件的结构特点 掌握航空发动机机匣类零件的成形工艺、机械加工、热处理工艺、特种工艺及检测 6、装配工艺 掌握航空发动机装配概念、方法、方案、工艺流程、选配、修配、试验、检验方法 掌握航空发动机装配工艺技术准备、典型装配工艺、组合件和部件装配、发动机整机装配及分解 7、试车工艺 了解航空发动机试车工艺 三、成绩考核方式 1、考核方式：本门课程为考试课，采用闭卷形式、笔试方式，考试时间为120分钟。 2、成绩综合评定：总成绩为百分制，包括平时成绩和期末考试卷面成绩两部分，其中平时成绩包括出勤、学习态度、作业、测验和课堂讨论等，占总成绩的30%，期末考试卷面成绩占总成绩的70%。 四、学时分配建议 1、理论学时安排表
航空发动机叶片材料及制造技术现状 在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志【007】。 航空发动机不断追求高推重比，使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求，因而国外自7O年代以来纷纷开始研制新型高温合金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料；单晶高温合金已经发展到了第3代。8O年代，又开始研制了陶瓷叶片材料，在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。 1 航空发动机原理简介 航空发动机主要分民用和军用两种。图1是普惠公司民用涡轮发动机主要构件；图2是军用发动机的工作原理示意图；图3是飞机涡轮发动机内的温度、气流速度和压力分布；图4是罗尔斯-罗伊斯喷气发动机内温度和材料分布；图5为航空发动机用不同材料用量的发展变化情况。 图1 普惠公司民用涡轮发动机主要构件 图2 EJ200军用飞机涡轮发动机的工作原理
图3 商用涡轮发动机内的温度、气流速度和压力分布 图4 罗尔斯-罗伊斯喷气发动机内温度和材料分布 图5 航空发动机用不同材料用量的变化情况
1变形高温合金叶片 1.1 叶片材料 变形高温合金发展有50多年的历史，国内飞机发动机叶片常用变形高温合金如表1所示。高温合金中随着铝、钛和钨、钼含量增加，材料性能持续提高，但热加工性能下降；加入昂贵的合金元素钴之后，可以改善材料的综合性能和提高高温组织的稳定性。 1.2 制造技术 生产工艺。变形高温合金叶片的生产是将热轧棒经过模锻或辊压成形的。模锻叶片主要工艺如下： （1）镦锻榫头部位； （2）换模具，模锻叶身。通常分粗锻、精锻两道工序；模锻时，一般要在模腔内壁喷涂硫化钼，减少模具与材料接触面之阻力，以利于金属变 形流动； （3）精锻件，机加工成成品； （4）成品零件消应力退火处理； （5）表面抛光处理。分电解抛光、机械抛光两种。 常见问题。模锻叶片生产中常见问题如下： （1）钢锭头部切头余量不足，中心亮条缺陷贯穿整个叶片； （2） GH4049合金模锻易出现锻造裂纹； （3）叶片电解抛光中，发生电解损伤，形成晶界腐蚀； （4） GH4220合金生产的叶片，在试车中容易发生“掉晶”现象；这是在热应力反复作用下，导致晶粒松动，直至剥落。 发展趋势。叶片是航空发动机关键零件．它的制造量占整机制造量的三分之一左右。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件。如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。
产品名称: 微型涡轮喷气发动机 规格型号: 包装说明: 多种规格和型号的微型喷气发动机，推力60kg，40kg，12kg，6kg，能满足不同需要。 本实用新型涉及的一种微型涡轮喷气发动机，它包括有外壳、轴承、转轴、进气外定子、进气定子、轴套、尾排气定子、整流罩、尾轴螺母、排气定子、排气叶轮、控制装置，它还包括有前轴螺母、大轴套、燃烧室，所述转轴的前轴伸端和后轴伸端设有外螺纹，在转轴的前轴伸端的外螺纹上旋有前轴螺母，并且在转轴上向后依次设置有进气叶轮、轴套、一对支撑轴承、轴套、排气叶轮，在后轴伸端的外螺纹上旋有尾轴螺母，所述进气叶轮和排气叶轮与转轴相固定连接；由于采用了本设计方案，提高了航模发动机推动力，大大提高了航模飞行的性能，拓展了航模在现代战争、军事演习和提高军事演练技能上发挥其重要的作用 20CM的涡扇发动机存在使用型号，但全是军用型号，用于某些巡航导弹的。也正因为如此，具体的数值保密，无法知道。但两位工程师大概估算了一下，根据构型不同，最大推力应当在200磅（离心式压气机构型），至400磅（轴流式压气机构型）之间。 航模协会的人说，用于航模的涡喷发动机口径4-8厘米。最大推力20-40公斤，相当吓人。他有一架装备4.3厘米口径涡喷发动机的模型，自重1.6公斤，最大飞行速度可达350公里/小时。 30厘米直径，10000牛？差不多一吨的推力？ 双路式涡轮喷气发动机 百科名片 涡轮发动机 涡轮发动机通过增加空气流过发动机的速度来产生推力。它包括进气道，压缩器，燃烧室，涡轮节，和排气节。
如图1 涡轮发动机相比往复式发动机有下列优点：振动少，增加飞机性能，可靠性高，和容易操作。
航空发动机叶片涂层技术 一．涡轮叶片是先进航空发动机核心关键之一 航空发动机被称为现代工业“皇冠上的明珠”，航空发动机是飞机的“心脏”，价值一般占到整架飞机的20%-25%。目前，能独立研制、生产航空发动机的国家只有美、英、法、俄、中5个。但是，无论“昆仑”、“秦岭”发动机、还是“太行”系列，我国航空发动机的水平距离这一领域的“珠穆朗玛”依然存在不小的差距。美、俄、英、法四个顶级“玩家”能够自主研发先进航空发动机。西方四国由于对未来战场与市场的担忧，在航空发动机核心技术上一直对中国实施禁运和封锁。技术难关有很多。本人认为涡轮叶片是先进航空发动机的核心技术之一。 随着航空航天工业的发展，对发动机的性能要求越来越高，要使发动机具有高的推重比和大的推动力，所采用的主要措施是提高涡轮进口温度。国外在20世纪90年代，要求涡轮前燃气进口温度达1850-1950K。美国在IHPTET计划中要求：在海平面标准大气条件下，航空燃气涡轮机的的涡轮进口温度高达2366K。涡轮进口温度的提高要求发动机零件必须具有更高的抗热冲击、耐高温腐蚀、抗热交变和复杂应力的能力。对于舰载机，由于在海洋高盐雾环境下长期服役，要求发动机的叶片的耐腐蚀性更高；常在沙漠上飞行的飞机，发动机的叶片要具有更好的耐磨蚀。 众所周知：镍基和钴基高温合金具有优异的高温力学和腐蚀性
能，广泛用于制造航空发动机和各类燃气轮机的涡轮叶片（blade and vane）。就材质来看：各国的高温合金型号虽各不相同，但就相近成分的高温合金来说，其性能相近（生产工艺方法不同有也造成性能有大的差异）。好的高温合金的使用温度也只有1073K左右，为达到前面所说的要求温度，采用的方法有二：一是制成空心的叶片。空心叶片自20世纪60年代中期出现以来，经历了对流冷却、冲击冷却、气膜冷却以及综合冷却的发展历程，使进气口温度高出叶片材料约300—500℃，内腔的走向复杂化和细致化。这一步的改进仍难满足需要，且英国发展计划将取消冷却。二是涂层，常进行多材质多层次涂层。 PVT公司研究表明：军用直升机上的发动机叶片采用涂层，在沙漠上飞行，寿命可提高3倍左右，不仅大大降低了制造发动机叶片的成本，同时也使飞机的维护时间延长了两倍。 二．涡轮叶片的涂层 高温合金的生产方法或晶形结构对产品的性能是有很大影响的，如图1所示，GE公司20年前开始采用单晶高温合金制作战机用发 Fig.1 Comparative preperties of polycrystal,columnar and single-crystal superallys