01航空燃气轮机结构设计概论
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典型航空燃气涡轮发动机结构分析(讲义)北京航空航天大学能源与动力工程学院2007年3月前言航空燃气涡轮发动机的发展已有70年的历史,特别是在近20年以来在结构设计,生产工艺和应用材料上都有了飞速的发展,同时在结构设计上英国罗罗公司,美国通用电气公司、普惠技术联合公司和俄罗斯的航空动力设计集团都逐步形成各自的设计风格和结构特点。
在航空发动机的结构设计中各设计集团在新机的结构设计上一般新结构所占比例不超过30%,因此,在航空发动机发动机结构设计中体现出鲜明的继承性和创新性。
在初步学习了航空发动机结构设计的基础知识后,通过对各设计集团(公司)所设计的航空发动机,在结构设计中的特征进行对比分析有助于更好的了解各种结构的使用优点和问题。
本讲义选取了6种结构设计特征鲜明的燃气涡轮发动机在结构设计方面进行了论述和分析,以加深对航空发动机结构设计中的各种结构使用的条件的理解。
为适合航空发动机维修专业学生的使用,本讲义对两种民用涡扇发动机(CFM56、PW4000)的维修和装配进行了介绍。
目录第一章WP7涡喷发动机 (1)1.1概况 (1)1.2结构和系统 (3)1)总体结构 (3)2)压气机 (8)3)燃烧室 (13)4)涡轮 (15)5)加力燃烧室 (22)6)附件传动系统 (23)7)滑油系统 (24)第二章斯贝涡扇发动机 (26)2.1研制概况 (26)2.2结构和系统 (26)1)总体结构 (26)2)压气机 (28)3)高压压气机 (33)4)燃烧室 (33)5)高压涡轮................................................................................................................................. - 37 -6)低压涡轮................................................................................................................................. - 37 -7)加力燃烧室............................................................................................................................. - 37 -8)尾喷管..................................................................................................................................... - 39 -9)其他......................................................................................................................................... - 39 -第三章F404系列涡轮风扇发动机.................................................................................................... - 40 -3.1F404系列发动机研制与结构 .. (40)1)发展综述................................................................................................................................. - 40 -2)结构设计特点......................................................................................................................... - 41 -3.2F414发动机研制与结构 (43)1)研制背景................................................................................................................................. - 43 -2)主要设计特点......................................................................................................................... - 44 -3.3广泛的可靠性试验 . (48)3.4研制概况 (50)第四章АЛ-31Ф涡扇发动机 (51)4.1研制概况 (51)4.2结构和系统 (51)第五章CFM56系列涡轮风扇发动机结构 (59)5.1CFM56系列发动机研制背景及发展概况 (59)1)发展概述 (59)2)技术数据 (61)3)装机对象 (61)4)结构概述 (61)5.2结构设计特点 (62)1)总体结构 (62)2)风扇及增压压气机 (65)3) 风扇叶片及进气整流锥 (67)4)风扇机匣 (72)5)高压压气机(HPC) (72)6)扩散器及燃烧室 (74)7)高压涡轮 (76)8)低压涡轮(LPT) (80)9) 发动机安装节 (83)10)滑油系统 (84)11) 控制系统 (84)12)起动系统 (85)第六章PW4000系列涡轮风扇发动机结构 (86)6.1PW4000系列发动机研制背景及发展概况 (86)1)发展综述 (86)2)装机对象 (87)3)技术数据 (88)4)结构概述 (88)6.2结构设计特点 (89)1)总体结构 (89)2)低压压气机(LPC) (96)3)压气机进气锥 (97)4)风扇叶片 (98)5)风扇机匣 (99)6)中介机匣 (102)7)高压压气机(HPC) (103)8)扩散器及燃烧室 (104)9)涡轮导向器 (108)10)高压涡轮(HPT) (108)11)低压涡轮(LPT) (110)12)涡轮排气机匣 (111)13)角齿轮箱(AGB) (112)14)主齿轮箱(MGB) (113)15)发动机安装节 (113)第一章WP7涡喷发动机1.1概况涡喷7系列发动机是带加力燃烧室的双转子涡轮喷气发动机,是歼7、歼八8飞机的动力装置。
慕课航空燃气涡轮发动机结构设计课后慕课航空燃气涡轮发动机结构设计课程,是航空工程专业必修的一门课程。
通过学习这门课程,我们可以了解到航空燃气涡轮发动机的基本结构设计原理和方法。
本文将从涡轮发动机的构成、主要部件的设计和优化等方面进行探讨。
一、涡轮发动机的构成航空燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮和喷管等四个部分组成。
压气机负责将空气进行压缩,增加压力和温度,以提供给燃烧室进行燃烧。
燃烧室将燃油喷入其中,并与压缩空气进行混合燃烧,产生高温高压的气体。
涡轮通过高温高压气体的冲击和推动,带动压气机和燃烧室的运转。
喷管则负责将高速高温的尾流排出,产生推力。
二、主要部件的设计与优化1. 压气机的设计与优化:压气机是涡轮发动机的核心部件之一,其设计与优化对发动机性能有着重要影响。
在设计过程中,需要考虑叶片的数量、压比、压气机级数等参数。
通过优化叶片的形状和布局,可以提高压气机的效率和性能。
2. 燃烧室的设计与优化:燃烧室的设计与优化主要涉及燃油喷射、燃烧过程和燃烧室的结构等方面。
在设计过程中,需要考虑燃油的喷射方式、喷油嘴的位置和角度等参数。
通过优化燃烧室的结构和燃烧过程,可以提高燃烧效率和减少污染物的排放。
3. 涡轮的设计与优化:涡轮是涡轮发动机的核心部件之一,其设计与优化对发动机性能和寿命有着重要影响。
在设计过程中,需要考虑叶片的材料、形状和布局等参数。
通过优化叶片的结构和流动特性,可以提高涡轮的效率和寿命。
4. 喷管的设计与优化:喷管是涡轮发动机的尾流排出部件,其设计与优化对发动机的推力和燃油消耗有着重要影响。
在设计过程中,需要考虑喷管的形状、长度和喷嘴的数量等参数。
通过优化喷管的结构和流动特性,可以提高喷管的推力和减少燃油消耗。
三、结语航空燃气涡轮发动机结构设计是航空工程专业的重要课程,通过学习这门课程,可以了解到涡轮发动机的基本结构设计原理和方法。
本文对涡轮发动机的构成和主要部件的设计与优化进行了探讨。
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。
航空中的燃气轮机技术研究第一节:燃气轮机的概念燃气轮机是一种将燃气燃烧产生的热能转化为动能的发动机。
它主要由压缩机、燃烧室和涡轮三部分组成。
燃气轮机具有结构简单、工作可靠、功率密度大等优点。
目前,燃气轮机已广泛应用于军事、工业以及航空等领域。
第二节:航空中的燃气轮机技术研究历程自从20世纪50年代起,燃气轮机就成为了航空发动机的主流,因为它具有比较高的推力、效率比和维护成本低等优点。
在燃气轮机技术的研究方面,主要包括以下几个方面。
1.燃烧室设计燃烧室是燃气轮机中最重要的组成部分,它的设计影响着燃气轮机的性能和使用寿命。
在燃烧室设计上,主要需要考虑如何使燃烧更加充分,同时保证燃气轮机的寿命和可靠性。
近年来,采用先进的计算机模拟技术和实验手段,来优化燃烧室的设计,取得了较好的效果。
2.燃气轮机材料研究燃气轮机工作在高温、高压、高速的环境下,对材料的要求非常高。
为了提高燃气轮机的耐久性和寿命,需要采用一些先进的新材料。
例如,钛合金、高温合金等。
3.涡轮设计涡轮是燃气轮机的核心部件之一,它的设计影响着燃气轮机的功率输出、效率等方面。
近年来,涡轮的设计越来越注重提高效率和降低成本,采用先进的三维流场数值模拟技术以及碳纤维复合材料等,可以有效地提高涡轮的性能。
4.燃气轮机控制技术燃气轮机控制技术是航空燃气轮机研究的重要组成部分,其目的是实现燃气轮机的高效、稳定、可靠运行。
为了提高燃气轮机的控制性能,需要采用先进的控制算法、传感器和执行器等。
第三节:未来发展趋势未来发展趋势将主要表现为以下几个方面:1.提高功率密度燃气轮机的功率密度越高,可以在同等体积下获得更大的功率输出。
因此,在未来的发展中,燃气轮机将会逐渐提高功率密度。
2.提高工作效率燃气轮机的效率越高,可以获得更高的燃油效率和环保性能。
因此,在未来的发展中,燃气轮机将会逐渐提高工作效率。
3.提高可靠性和安全性燃气轮机的可靠性和安全性非常重要,在未来的发展中,将会更加注重这方面的研究和提高。
压气机结构(1)发电机连接方式-冷端驱动(2)气缸--水平中分(3)转子(4)压缩机-15级-优化流动设计-进口可转导叶(5)燃烧室-环形燃烧室-24个组合式燃烧器-陶瓷与金属遮热瓦(6)燃烧器-低NOx 技术-可燃烧多种燃料(7)透平-4级-先进的冷却技术-叶片隔热塗层-叶型气膜冷却(8)排气-轴向排气西门子V94.3A 燃气轮机设计特点燃气轮机的组成13264578航空燃气轮机2020/3/34❖燃烧室❖燃气轮机装置循环❖进气❖压气机❖泵❖排气❖汽轮机❖燃料❖1❖2❖3❖41q 2q32324411pv Tssspp❖一、燃气轮机装置定压加热理想循环-布雷顿循环1.循环图1-2 绝热压缩2-3 等压加热3-4 绝热膨胀4-1 等压放热2020/3/372020/3/382020/3/392020/3/3102020/3/3112020/3/3122020/3/3132020/3/3142020/3/315第一章压气机第一节概述第二节压气机转子第三节压气机静子第四节防冰装置、防喘装置等2020/3/316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)2020/3/317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。
❖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。
2020/3/318第一节概述3.要求解决的问题❖转子有足够的刚性和强度;❖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。
2020/3/319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,加大加功量。
❖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。
2020/3/320第一节概述❖等内径设计❖优点:提高末级叶片效率。
第2章航空燃气轮机的工作原理Principle of Aero Gasturbine Engine第2.1节概述Introduction涡轮喷气发动机是航空燃气轮机中最简单的一种,它是飞机的动力装置。
涡轮喷气发动机在工作时,连续不断地吸入空气,空气在发动机中经过压缩、燃烧和膨胀过程产生高温高压燃气从尾喷管喷出,流过发动机的气体动量增加,使发动机产生反作用推力(图2.1.1)图2.1.1 单轴涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机(图2.1.2)作为一个热机,它将燃料的热能转变为机械能。
涡轮喷气发动机同时又作为一个推进器(,它利用产生的机械能使发动机获得推力。
图2.1.2 表示热机和推进器的单轴涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机,作为热机,它和工程中常见的活塞式发动机一样,都是以空气和燃气作为工作介质。
它们的相同之处为:均以空气和燃气作为工作介质。
它们都是先把空气吸进发动机,经过压缩增加空气的压力,经过燃烧增加气体的温度,然后使燃气膨胀作功。
燃气在膨胀过程中所作的功要比空气在压缩过程中所消耗的功大得多。
这是因为燃气是在高温下膨胀的,于是就有一部分富余的膨胀功可以被利用。
它们的不同之处为:•进入活塞式发动机的空气不是连续的;而进入燃气轮机的空气是连续的。
•活塞式发动机中喷油燃烧是在一个密闭的固定空间里,称为等容燃烧,而燃气轮机则在前后畅通的流动过程中喷油燃烧,若不计流动损失,则燃烧前后压力不变,故称为等压燃烧。
下面给出了涡轮喷气发动机的简图,图中标出了发动机各部件名称和各个截面的符号。
对于单轴和双轴涡轮喷气发动机的尾喷管,若为收敛性喷管,其出口截面9在临界或超临界状态下成为临界截面,故也可以标注为8。
0---远前方,1---发动机进气道入口,2---压气机入口,3---燃烧室入口,4---涡轮入口,5---尾喷管入口,8---尾喷管临界截面,9---尾喷管出口图 2.1.3涡轮喷气发动机各部分名称请记住上图涡轮喷气发动机各个截面符号的含义。