航空发动机学习整理资料

航空发动机
一主要机件
1.进气道：在工作上是发动机的主要机件之一，它在发动机的前面，其作用是把足够数量的外界空气以较小的流动损失顺利地导入压缩器。

2压缩器：来压缩进入发动机的空气提高空气的压力，供给燃烧室以大量高压空气的机件。

压缩器提高空气压力的目的是为燃气在发动机内部膨胀创造有利条件。

为座舱增压、涡轮散热和其它发动机的起动提供压缩空气。

3燃烧室：是燃料和空气混合并燃烧的机件。

从压缩器来的压缩空气在这里被加热，获得热能，具备了膨胀做功使发动机产生推力的必要条件。

4涡轮：是在燃气的作用下旋转做功的机件。

从燃烧室来的高温、高压燃气流过涡轮时，使工作叶轮高速旋转做功，带动压缩器和一些附件工作。

5发动机转子的支承、减荷与附件转动：
6加力燃烧室：发动机工作时燃气从涡轮流出后，在加力燃烧室后部膨胀加速，然后以很高的速度从喷口喷出，使发动机产生推力。

7压缩器与涡轮的共同工作：稳定工作状态下，压缩器与涡轮的共同工作；过度工作状态下，压缩器与涡轮的共同工作。

8发动机在飞机上的固定：发动机安装在飞机的22框以后的机身内，由前固定点、后固定点和加力燃烧室导轨固定在飞机上。

（前固定点，后固定点，加力燃烧室导轨）
二航空发动机分类
1、活塞式发动机
冷却方式（液冷式、气冷式）。

气缸排列方式(星形、V形、直列式、对列式、X形)
2、空气喷气式发动机
无压气机（冲压式发动机、脉动式发动机）。

有压气机（涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、浆扇发动机）。

3按照做功方式分五种基本类型
涡轮喷气发动机（涡喷）（WP），涡轮螺浆发动机（涡浆）（WJ），涡轮风扇发动机（涡扇）（WS），涡轮轴发动机（涡轴）（WZ），螺浆风扇发动机（浆扇）(JS)
4各类发动机的特点与部件。

●WP：主要部件：进气装置、压气机，燃烧室，燃气涡轮，尾喷管,(加力燃烧室)
特点：(1)涡轮只带动压气机压缩空气。

(2)发动机的全部推力来自高速喷出的燃气所产生的反作用力。

●WJ：主要部件：压气机,燃烧室,燃气涡轮,尾喷管,减速器
特点：涡轮不仅带动压气机压缩空气，还带动螺浆产生拉力。

发动机推力来自两个部分，一部分是由高速喷出的燃气所产生的反作用力（10%），一部分涡轮带动螺浆产生前进的拉力（90%）。

●WS：主要部件：风扇、外涵道、内涵道（压气机、燃烧室、涡轮），尾喷管
特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力的总和。

涵道比（流量比）：外、内涵道空气流量之比。

●WZ：主要部件：进气道、压气机、燃烧室、动力涡轮、自由涡轮、尾喷管
特点：通常带有自由涡轮，而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。

●桨扇发动机
螺桨风扇发动机是一种介于涡扇发动机和涡桨发动机之间的一种发动机形式。

它既可看作带除去外涵道的大涵道比涡扇发动机，又可看作高速先进螺桨的涡桨发动机，因而兼有前者飞行速度高和后者耗油率低的优点。

目前正处于研究和实验阶段
桨扇发动机的关键部件是先进高速螺桨，它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数0.8下保持较高的效率，
桨扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点象螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有6-8叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片。

5使用最广泛的燃气涡轮发动机
a.加力的涡喷发动机
b.加力的涡扇发动机
6燃气涡轮发动机的共同特点：
①获得高温高压燃气；
②利用着部分燃气产生推力或机械功（在尾喷管内继续膨胀，高速喷出产生推力；或
者在后续涡轮内继续膨胀获得机械功，带动风扇、螺浆或其它装置）
7核心发动机（燃气发生器）：
发生燃气的部件，即压气机、燃烧室和涡轮称为燃气发生器。

由于它处于发动机的核心部位，故又称为核心发动机。

a.对单转子发动机来讲，就是指压气机、主燃烧室的带动压气机的涡轮；
b.对双转子发动机来讲，就是指高压压气机、主燃烧室和高压涡轮。

8燃气涡轮发动机的基本机理---喷气推进原理：
喷气推进是牛顿第三定律（作用在物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力）的实际应用。

喷气式飞机飞行时，它向后高速喷出大量气体，这表明发动机对喷出的气体作用了“力”。

根据牛顿第三定律（就飞机推进而言，“物体”是通过发动机时受到加速的大气中的空气），该高速气体也必然会给发动机一个大小相等方向相反的反作用力，使飞机向前运动。

高速喷出的气体给发动机的这一反作用力，就称为喷气发动机的推力，喷出的气体越多，速度越大，所产生的推力也就越大。

9压气机作用：
①用来提高进入发动机内的空气压力，供给发动机工作时所需要的压缩空气。

②为座舱增压、涡轮散热和其它发动机的起动提供压缩空气。

10轴流式压气机的特点:
增压比高、效率高、单位空气流量大。

在相同迎风面积下，轴流式比离心式吸入的空气多得多，产生的推力更大。

通过增加级数就能增加增压比。

高增压比有利于采用轴流式压气机，因为它改善了效率，并进而改善了给定推力下的耗油率。

在大、中推力发动机上，普遍采用轴流式压气机。

11离心式压气机的特点:
●结构简单、结实可靠，容易制造和发展，生存力强、特性比较平稳、级增压比高等优点。

●应用在小型发动机采用。

主要用于教练机、导弹、靶机上的小型动力装置和辅助动力装
置。

在直升机的动力装置中采用混合式压气机
12轴流式压气机的构成：由转子和静子组成。

转子是一个高速旋转对气流作功的组合件，包括轮盘、鼓筒、叶片等。

从受力的角度分析：转子都是在高速转速下工作，惯性负荷（离心力很大，而气体力不大。

静子是静子组合件的总称，包括机匣和整流器。

静子所承受的负荷基本上是气体力和力矩，以及周期性的惯性力。

13压气机的主要特点:从结构设计的角度来讲，转速高，每分钟达数千或数万转（如JT8D-9发动机高、低压转速分别为12250、8600r/min）。

转速高的优点：可以使压气机在尺寸小重量轻的条件下，得到所需的性能（即给定的空气流量和增压比），满足发动机性能设计的最基本要求。

转速高的缺点：在高转速条件下，转子零件及其连接处要承受巨大的惯性力、气体力、扭矩和复杂的振动负荷。

若零件型面和传力方案设计不当，工作时就有破坏损坏的危险。

若转子零、组件的定心方案不妥，转子装配不当，平衡不好，横向刚性不足，当压气机高转速工作时，转子就会发生剧烈振动而影响发动机正常工作。

转子结构设计的基本问题就是针对这些缺点而进行的。

14转子结构设计所需要解决的基本矛盾：
在考虑到尺寸小、重量轻、结构简单、工艺性好的前提下，转子零、组件间其连接处应保证可靠的传力（对结构设计起决定作用的负荷是叶片和转子的离心力、弯矩和扭矩），良好的定心和平衡、足够的刚性。

这些就是压气机转子方案设计所应遵循的基本原则，也是分析各种转子方案的基本原则。

15转子叶片与轮盘的连接
转子叶片的组成：转子叶片是轴流式压气机最重要的零件之一。

它主要由叶身和榫头组成。

在有些长叶片上，或者在激振力比较强的区域内工作的叶片叶身上还带有阻尼台
17轴流式压气机转子叶片榫头的型式
（1）销钉式榫头
结构简单、工艺简单；尺寸重量大，承载能力低
（2）燕尾形榫头
尺寸小、重量轻，承载能力强，加工方便，根部有应力集中。

（3）枞树形榫头
尺寸重量小，承载能力最强。

应力集中最严重，加工精度高
18静子部件的组成：
静子是压气机中不旋转的部分。

整流器机匣，整流器
（由机匣和静子叶片组成）尺寸重量小，承载能力最强。

应力集中最严重，加工精度高
整流器机匣的结构
（1）是一个圆柱形或圆锥形的薄壁圆筒
（2）前后与其它机匣联接，
（3）内壁上有固定整流叶片的各种型式的构槽，
（4）发动机转子支承在机匣内，有些发动机的安装节以及一些附件和导管还固定在机匣外壁上。

整流器机匣的负荷
●静子的重量、惯性力、内外空气压差、扭矩、轴向力、弯矩、热载荷、振动载荷。

●它是发动机的主要承力壳体之一，也是气流通道的外壁。

整流器机匣的结构设计的基本要求
（1）重量轻，具有足够的强度，可靠承受各种载荷；
（2）具有足够的刚度，保证在各种载荷作用下，机匣的径向、横向变形在允许范围之内；（3）保证各段机匣之间的同心和机匣与转子的同心；
（4）具有包容性，保证在叶片折断或轮盘破裂不被击穿；
（5）采取措施减少漏气损失和与转子之间的径向间隙，提高压气机效率；
（6）装配方便,工艺性好,维修性好,具有可检测性。

主要的附属装置和系统
►封气装置
►防冰系统
►防喘振系统
►压气机气流控制系统
►间隙控制装置
1封气装置
原因：在压气机转子和静子之间，转子前、后端面与机匣间都存在着漏气损失，严重影响着
压气机的效率。

减少漏气量的方法：
1、正确选择合适的间隙
2、采用封气装置
2防冰系统
原因：冰层会破坏发动机的性能。

（1）冰层会引起发动机进气面积缩小，减小了通过发动机的空气流量，从而引起发动机性能损失并可能使发动机发生故障。

（2）由于发动机振动，冰层可能破裂，破裂的冰块可能被吸入发动机内，打伤叶片，甚至使整台发动机破坏。

防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防止结冰。

功能：涡轮是将高温高压燃气的能量转变为动能和机械能的叶轮机械。

气流在涡轮中转弯膨胀产生机械功从而带动压气机、风扇、螺旋桨、直升机旋翼及附件传动系统等。

((((((有叶片排的流道构成了涡轮的主燃气气流流道；
一排导向叶片及紧跟其后的一排转子叶片构成一个涡轮级；
多级涡轮是由多个涡轮级组成。

含导向叶片排的组件称为导向器；
含转子叶片的组件称为工作轮。

))))))
涡喷6发动机涡轮部件
组成：单转子双级轴流式涡轮，由转子、静子两部分组成。

涡轮转子是悬臂不可拆卸的鼓盘式转子，两级转子叶片借枞树形榫头安装在相应的轮盘上，并用锁片固定。

涡轮静子由前后两段组成，前段为能传递负荷的一级导向器，后段为具有双层冷却机匣的二级导向器。

盘与轴连接的方式：不可拆式、可拆式
不可拆式：焊接、径向销钉、盘轴锻制成整体件
径向销钉
优点：结构简单、加工方便，
强度、刚度均较满意，
具有一定的热节流作用。

应用：
WP6
WP7
组成：涡轮机匣（涡轮外环或涡轮壳体）、
导向器、涡轮的支承及传力系统
设计要求：
(与压气机静子相比)设计中要解决以下特殊矛盾
(1)涡轮机匣除要求刚性均匀，不产生翘曲变形外，还要保证尽可能小的叶尖间隙，以提高涡轮部件的效率，又要保证工作时转子与静子不致碰坏。

(2)导向器承受高温燃气冲击，要处理好传力和自由膨胀的问题。

(3)在结构上不仅要满足导向器排气面积的变化,而且要考虑热应力、热疲劳、热变形以及热冲击等的影响。

影响涡轮的径向间隙的因素主要有：
1、工作时由于离心力和热膨胀引起叶片和轮盘的伸长；
2、工作时机匣受热膨胀及不均匀变形；
3、高温工作带来转子的蠕变伸长等
4、转子和静子的偏心度（由于加工误差、机匣刚性、支点径向间隙、转子重量造成下垂所引起）及椭圆和翘曲变形等；
5、结构型式带来的工作中径向间隙的变化。

6、发动机工作状态。

径向间隙还随发动机工作状态的变化而变化.特别是当发动机过渡工作时，径向间隙值取决于转子对转速和温度变化的响应及静子机匣对温度变化的响应速度。

涡轮导向器
功能：导向器的功用是使气流的部分热能变成动能，并以一定的方向流出，推动工作轮做功。

组成：它是由内、外环和一组导向叶片组成的环形静止叶栅
主要问题：
高温燃气作用下，不作为承力件
热变形不协调，自由热补偿
交变温度、热冲击、热疲劳、加温冷却
设计要求
足够的强度与刚性；减小热应力；导向叶片不作传力件；可分解的、便于制造和更换。

材料：高温合金
结构：实心叶片（铸造方便、但叶片内热应力较大）
空心叶片(精铸工艺复杂，但叶片的工作温度较低、热应力较小)
第一级导向器设计要求：
1、采用有效的冷却措施：因为第一级导向器紧接在燃烧室的出口，工作温度最高，温度最不均匀，通常都采用有效的冷却措施；
2、支承形式：为了保证叶片具有足够的刚性，采用了两端与机匣（即双支点）的结构；
3、可调排气面积：第一级导向器的排气面积对发动机的性能影响较大，因此要求较严、结构上通常允许调整。

转子叶片的温度分布
由图可见（当燃气温度沿径向不变时），沿大部分叶高，温度都是不变的，只有从距叶根
1/3处开始，温度才向叶根按立方规律下降。

叶根温度同轮盘的冷却方式有关
涡轮盘温度的分布
燃气中的热量由转子叶片经过榫头传到涡轮盘，因此轮盘边缘温度高、中心温度低。

当燃气温度=820-900度，采用径向吹风冷却的轮盘，轮缘温度为500-600度，轮心温度
为200-400度，温度随半径的变化规律大致按二次抛物线规律变化。

轮缘处的温度由叶片根部的温度和榫头中的温降决定。

涡轮部件冷却的目的
1、提高涡轮前的温度，进而提高发动机的性能
2、降低零件工作温度
3、使零件温度分布均匀，减小热应力
涡轮部件冷却原则
1、需要冷却的部件（根据材料和工作环境决定，一般情况下，第一级导向器叶片必须冷却，
轮盘一般不需要冷却，榫头处必须冷却（榫头吹风，热节流），轴承必须冷却）；
2、从什么地方引入冷却空气；
3、冷却空气最后的排出。

涡轮部件的空气冷却系统
主要冷却对象是榫头、轮盘、承力环、第一级导向叶片、涡轮外环。

根据被冷却零件的工作温度和冷却系统的流动阻力确定从哪里引入冷却空气；
根据冷却后空气的压力和排气系统的阻力确定如何排出。

尽管对涡轮部件采取了各种冷却和结构措施，但在高温大负荷下，涡轮部件还出现较多的故障，如烧毁叶身、叶身因蠕变过大形成缩颈，叶身进、排气边缘裂纹等现象。

引用冷却空气应考虑的因素
压力：冷却空气通常是从压气机引出，不同级的空气压力是不同的。

压力的选定不仅要考虑“流阻”的影响，而且要考虑排放冷却空气处的空气压力。

流量：冷却空气的流量由冷却的要求决定。

温度：冷却空气温度应该低于冷却对象的工作温度。

清洁：冷却空气必须是干净的。

整个冷却系统的设计要求：
1、冷却的有效性；
2、对发动机的主流道的流动影响尽可能小；
3、构造简单、工作可靠；
4、转子轴向力的调整。

WP6发动机涡轮部件冷却系统图
冷却涡轮的空气由燃烧室两股气流中分两路引来。

1一路由后机匣（即燃烧室外壳）及第一级导向器外环前安装边上的180个小孔A引入，一部分空气去冷却第一级导向器叶片及其内腔的拉杆衬筒，
另一部分空气冷却涡轮外环，并对其起隔热作用；
2.另一路从轴承机匣及隔热筒之间引入，经承力腹板及导气盆上的通气孔去冷却第一、二级轮盘及第一、第二级叶片榫头。

冷却后的空气进入燃气流中
涡轮盘的冷却
涡轮盘的受热主要来自燃气和转子叶片的热量，由轮缘传向轮毂。

常用的冷却方式为：1）空气沿轮盘侧面径向吹风（气流的流动方向可分为由里向外、由外向里两种）。

2）空气吹过叶片根部或榫头的装配间隙。