第三章-压气机转子

第三章燃气轮机燃气轮机（Gas Turbine）作为新型的动力设备，由于具有结构紧凑、单位功率重量轻、启动迅速、运行平稳且安全可靠等显著的优点，受到世人的广泛关注，应用的范围越来越广，已成为世界主要动力设备之一。

燃气轮机在电力、石化、冶金、交通等行业都有广泛应用，也是海上平台大型发电机组的主要动力之一。

燃气轮机的特点：（1）质量轻、体积小燃气轮机与活塞式内燃机相比，由于以高速回转运动代替了活塞的往复运动。

因而做到质量轻、体积小、功率大。

其比质量仅为内燃机的几分之一到几十分之一，且振动小、噪声低。

开式循环单机功率可达几十万千瓦。

燃气轮机的金属消耗量约为同功率汽轮机的l／4~l／6。

（2）水、电和润滑油的消耗省燃气轮机装置运行所需的水、电极少，甚至可以不用水和无电源起动。

润滑油消耗也较汽轮机或内燃机省。

因此，适用于缺水、缺电地区。

（3）燃料适应性强、公害少燃气轮机能燃用多种燃料和廉价燃料，如重油、原油、天然气等。

同一台机子可燃用液体或气体等几种燃料而其设备不需作很大变动。

排气比较干净，除NOx需加考虑外，对空气污染较少。

（4）起动快、自动化程度高工业燃气轮机从冷态起动、加速直到带上满负荷，一般只需3～15分钟。

易于实现集控、程控和遥控，操作简单，运行维护也较方便，甚至可以不需要现场运行人员。

燃气轮机目前在中小功率动力机械中尚未普遍应用，是因为还有一些缺点有待进一步研究解决。

主要是：（1）涡轮内是高温燃气、需用耐高温材料制造涡轮叶片，这必然增加生产成本；若采用冷却措施，又必然引起机械的复杂性。

（2）由于目前受到材料和冷却技术的限制，不能选用过高的燃气温度，因而单机热效率不如内燃机高，经济性较差，燃油消耗率一般在270g／kw·h以上。

若用复合循环，热效率固然可以提高，但结构复杂。

第一节燃气轮机的工作过程燃气轮机是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，主要由压气机、加热工质的设备（燃烧室）、透平机三大部分组成。

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。

第三章 轴流压气机的工作原理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。

本章论述轴流式压气机的基本工作原理，重点介绍压气机基元级和压气机一级的流动特性及工作原理。

第一节 轴流压气机的增压比和效率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（包括动叶安装盘）和紧随其后的一排静叶（包括机匣）构成轴流式压气机的一级。

图3－1为一台10级轴流压气机，在第一级动叶前设有进口导流叶片（静叶）。

图3－1 多级轴流压气机压气机的增压比定义为 ***=1p p k k π （3－1） *k p ：压气机出口截面的总压；*1p ：压气机进口截面的总压；*号表示用滞止参数（总参数）来定义。

依据工程热力学有关热机热力循环的理论，对于燃气涡轮发动机来讲，在一定范围内，压气机出口的压力愈高，则燃气涡轮发动机的循环热效率也就愈高。

近六十年来，压气机的总增压比有了很大的提高，从早期的总增压比3.5左右，提高到目前的总增压比40以上。

图3－2 压气机的总增压比发展历程压气机的绝热效率定义为***=k adkkL L η （3－2） 效率公式定义的物理意义是将气体从*1p 压缩到*2p ，理想的、无摩擦的绝热等熵过程所需要的机械功*adk L 与实际的、有摩擦的、绝热熵增过程所需要的机械功k L *之比。

p 1*p k*1k adkL *k L *ad ksh *图3－3 压气机热力过程焓熵图 由热焓形式能量方程（2－5）式、绝热条件、等熵过程的气动关系式)1(11)(k k adk adk p p T T -****=和R k k c p 1-=可以得到 )1(1)(111--=-=-****k k k adk p adk RT k k T T c L π （3－3） )1(1)(111--=-=******T T RT k k T T c L k k p k （3－4） 将（3－3）和（3－4）式代入到（3－2）式，则得到1111--=**-**T T k k k k k πη （3－5）效率公式（3-5）式可以用来计算多级或单级压气机的绝热效率，也可以用来计算单排转子的绝热效率，只要*k p 和*k T 取相应出口截面处值即可。

三级转子是汽车发动机压气机的关键零件，发动机压气机转子是用来对空气作功产生反作用推力，并将空气压缩后送到燃烧室和涡轮；发动机转子由于在高转速下工作，承受着相当大的而且复杂的负荷，例如，扭矩、轴向力、径向方、陀螺力矩及振动等，因此对其加工要求十分严格。

而高精度加工在国内来讲也是制造业一个较困难的课题，叶型加工包含了多项高尖技术，蕴藏了巨大的科研价值和经济价值，所以研究叶型加工工装具有重要意义。

发动机压气机Ⅲ级转子就是这样一个零件，现以这个零件为例来研究叶型加工的工艺规程及夹具设计。

该转子的加工过程是比较复杂的，这是由零件本身的复杂程度所决定的。

加工该零件的最大难题之一就是要克服它的高精度要求。

对表面的车削加工；对叶形铣削加工；对成型面的车削加工；以及在直径87的圆周上钻头8个孔的钻削加工都是本次加工的重点中的重点。

且为了保证上述加工的精度，必须有针对性的对其进行专用夹具的设计，以求达到最好的效果。

目录摘要---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 ABSTRACT ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2第一章序论 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31.1工艺的内容 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31.1.1机械制造工艺的目标 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.2工艺的任务 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.3工艺规程的基本要求 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41.3.1工艺规程的作用---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41.3.2工艺规程的选择---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41.3.3工艺规程的编制---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 51.3.4工艺规程的设计准则 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 51.3.5制定工艺规程的原始资料 --------------------------------------------------------------------------------------------- 61.3.6生产类型的工艺特征 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 第二章零件工艺方案制定------------------------------------------------------------------------------------------------------ 92.1零件分析------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 92.1.1零件的作用 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 92.1.2零件的工艺分析---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2.2工艺规程设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 92.2.1确定毛坯的制造形式 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 92.2.2工艺路线的制订---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 92.2.3 工艺方案的比较与分析 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.3工艺过程卡的制做 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12第三章夹具设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 133.1机床夹具----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 133.1.1机床夹具的概述-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 133.1.2机床夹具的作用-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 133.1.3机床夹具的分类-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 153.1.4机床夹具的一般组成 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 153.1.5机床夹具的发展-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 153.1.6转子等分孔加工的专用夹具设计---------------------------------------------------------------------------------- 16 3.2定位误差----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 3.3四个专用夹具的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 173.3.1精车一专用夹具的设计 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 173.3.2精车二的夹具设计----------------------------------------------------------------------------------------------------- 193.3.3钻孔夹具的设计-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 233.3.4铣叶型夹具的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------- 26第四章设计总结----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 274.1工艺文件设计 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27 4.2关键工序的工艺措施与实施效果 --------------------------------------------------------------------------------------- 27 4.3实际加工出现的问题及采取的相应措施------------------------------------------------------------------------------ 27第五章转子的计算机辅助设计---------------------------------------------------------------------------------------------- 315.1设计软件简介 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31 5.2传统设计方法与运用PRO/E软件设计方法的区别----------------------------------------------------------------- 32 5.3设计产品简介及PRO/E的设计优点 ----------------------------------------------------------------------------------- 33 5.4三级转子的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 33 5.5小结----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38总结--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42摘要高精度叶型加工在国内来讲是制造业一个较困难的课题。

《航空发动机结构分析》课后思考题答案第一章概论1.航空燃气涡轮发动机有哪些基本类型？指出它们的共同点、区别和应用。

答：2.涡喷、涡扇、军用涡扇分别是在何年代问世的？答：涡喷二十世纪三十年代（1937年WU；1937年HeS3B）；涡扇 1960~1962军用涡扇 1966~19673.简述涡轮风扇发动机的基本类型。

答：不带加力，带加力，分排，混排，高涵道比，低涵道比。

4.什么是涵道比？涡扇发动机如何按涵道比分类？答：（一）B/T，外涵与内涵空气流量比；（二）高涵道比涡扇（GE90），低涵道比涡扇（Al-37fn）5.按前后次序写出带加力的燃气涡轮发动机的主要部件。

答：压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、喷管。

6.从发动机结构剖面图上，可以得到哪些结构信息？答：a)发动机类型b)轴数c)压气机级数d)燃烧室类型e)支点位置f)支点类型第二章典型发动机1.根据总增压比、推重比、涡轮前燃气温度、耗油率、涵道比等重要性能指标，指出各代涡喷、涡扇、军用涡扇发动机的性能指标。

答：涡喷表2.1涡扇表2.3军用涡扇表2.22.al-31f发动机的主要结构特点是什么？在该机上采用了哪些先进技术？答：AL31-F结构特点：全钛进气机匣，23个导流叶片；钛合金风扇，高压压气机，转子级间电子束焊接；高压压气机三级可调静子叶片九级环形燕尾榫头的工作叶片；环形燃烧室有28个双路离心式喷嘴，两个点火器，采用半导体电嘴；高压涡轮叶片不带冠，榫头处有减振器，低压涡轮叶片带冠；涡轮冷却系统采用了设置在外涵道中的空气-空气换热器，可使冷却空气降温125-210*c；加力燃烧室采用射流式点火方式，单晶体的涡轮工作叶片为此提供了强度保障；收敛-扩张型喷管由亚声速、超声速调节片及蜜蜂片各16式组成；排气方式为内、外涵道混合排气。

3.ALF502发动机是什么类型的发动机？它有哪些有点？答：ALF502，涡轮风扇。

优点：●单元体设计，易维修●长寿命、低成本●B/T高耗油率低●噪声小，排气中NOx量低于规定第三章压气机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？答：（一）轴流压气机增压比高、效率高单位面积空气质量流量大，迎风阻力小，但是单级压比小，结构复杂；（二）离心式压气机结构简单、工作可靠、稳定工作范围较宽、单级压比高；但是迎风面积大，难于获得更高的总增压比。

第3章进气道、压气机和涡轮inlet 、Compressor and turbine第3.1节进气道Inlet一. 概述(Introduction)进气道的作用是引导外界空气进入压气机。

对进气道的要求是使气流流经进气道时具有尽可能小的流动损失，并使气流在进气道出口处(即压气机进口处)具有尽可能均匀的气体流场。

进气道前方气流的速度是由飞机的飞行速度决定的，而进气道出口的气流速度是由发动机的工作状态决定的，一般情况下两者是不相等的。

进气道要在任何情况下满足气流速度的转变。

进气道进出口气流状态瞬息万变，而进气道的形状不可能随着变化，因此，空气流经进气道时产生流动损失是不可避免的。

进气道的流动损失用进气道总压恢复系数σi来表示:(3.1-1)式中p2* ─ 进气道出口截面的总压；p1* ─ 进气道前方来流的总压。

根据压气机进口截面的流量公式：(3.1-2) 可以看出，当发动机工作状态不变时(q(λ2)为定值)，进气道流动损失的大小改变了气流总压p2*，直接影响进入发动机的空气流量qma，从而影响发动机推力的大小。

因此设计进气道时应该尽可能减小气流的总压损失。

对进气道最基本的性能要求是：飞机在任何飞行状态以及发动机在任何工作状态下，进气道都能以最小的总压损失满足发动机对空气流量的要求。

二. 亚声进气道(Subsonic Inlet)亚声进气道是为在亚声速或低超声速范围内飞行的飞机所设计的进气道。

它的进口部分为圆形唇口，进气道内部通道为扩张通道，使气流在进气道内减速增压。

图3.1.1 亚声速进气道简图使用亚声进气道的喷气飞机其飞行速度可达到或略超过声速(约为300～350m/s)，与之相比，压气机进口的气流速度往往较低，一般轴流压气机进口处气流速度为180～200m/s。

因此，迎面气流在进入压气机前需要在进气道中减速扩压，气流减速不一定都要在进气道内部进行，因为，若进气道内部扩张角太大，容易使气流分离造成总压损失，所以往往使气流在进气道前方就开始减速扩压，进气道前方气流的减速扩压过程可以近似的认为是理想绝热过程。

压气机转子叶尖封严结构研究摘要：叶尖间隙损失是通道端壁损失和压气机喘振裕度损失的重要组成部分，这种损失是由动叶和机匣间的间隙造成的。

叶尖间隙过大会导致部件效率下降，过小则会影响发动机的工作安全。

本文详述了对涡桨发动机压气机转子叶尖封严结构进行改进的过程，以及试车考核过程中出现的故障，可以从中总结出压气机转子叶尖封严结构设计过程中需要重点考虑的问题，为后续相关结构设计改进提供参考。

关键词:转子叶尖封严涂层1.涡桨发动机封严结构改进设计介绍1.设计背景涡桨发动机10级轴流压气机部件结构见图1，转子叶尖采用石墨封严的结构，转子叶片为不带冠叶片。

采用的石墨封严涂层涂覆工艺方法为手工涂覆，封严涂层材料由封严涂层粉、涂料等多种原料手工配制而成，其制造工艺落后，涂覆性能欠佳，质量不稳定；同时，涂层的结合力也受基体滚花质量的影响，以上原因导致发动机石墨涂层易脱落。

图1 涡桨发动机压气机部件结构该型发动机到寿返厂时，大部分发动机存在压气机工作环、整流环石墨层脱落情况，其中高压级（8～10级）压气机工作环及整流环石墨层脱落现象最为严重。

石墨脱落易造成发动机异常响声故障，同时石墨层脱落会导致转静子间隙增大，影响压气机效率乃至整机性能。

随着航空发动机制造技术的发展，手工涂覆封严层已由热喷涂技术所替代，采用热喷涂工艺制造出的涂层结合强度及涂层性能均优于手工涂覆层。

为提高封严涂层与机体的结合强度，减少封严涂层脱落，拟将全部或部分手工涂覆石棉涂层改为热喷涂镍石墨涂层。

另外，该发动机石墨涂层基体材料为结构钢，发动机在外场长时间工作后，涂层基体锈蚀严重，无法继续使用，因此计划将涂层基体材料更改为不锈钢，以提高其耐腐蚀性。

由于该发动机曾多次出现过转子偏磨故障，同时，与该发动机结构相似的发动机涂层更改为热喷涂涂层后，也多次出现转子偏磨故障，因此，上述涂层的更改方案需要进行详细论证。

1.1.压气机偏磨故障简介1.故障模式1982年至1995年，该型发动机连续发生压气机转子偏磨故障，故障发生共计60次，其主要故障模式如下：1.故障发生在发动机热起动过程中，转速约80%左右；故障发生时，从放气活门排出是黑色粉尘和火花，并伴有不同程度的轰鸣声。

第三章压气机第一节概述第二节压气机转子第四节压气机静子第五节防冰装置、防喘装置等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）涡轮螺桨发动机涡轮轴发动机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。

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。

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。

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。

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-2021. 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。

端弯叶片根部(榫头)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。