航空发动机新技术第四章压气机风扇新技术解析

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4.2，压气机的选择
目前为了提高压气机的稳定性，一般采用低 载荷设计，即单级增压比比较低。通过大量的研 究工作发现，采用先进的三维气动叶型技术后， 叶片单级增压比可以明显提高，这样，对于同样 增压比的压气机级数可以明显减少，从而大幅度 降低压气机重量。
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由前面的知识可知，采用前掠或后掠式超声 速风扇叶片和压气机叶片可以提高压气机的单级 增压比，从而减少压气机级数，达到减重的目的。
但从另一方面说，前后掠的采用不能减轻单 级压气机叶片的重量，因此为进一步减轻压气机 的重量，还需要采用一些新技术手段。如：采用 复合材料，空心叶片等。
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①提高压气机转速
②采用先进的叶型设计
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4.3.2 先进的全三维计算流体力学设计方法
（1）后掠叶片的作用：将压气机叶片沿径向设计 成后掠形式，从而减小跨声速压气机和超声速压 气机的激波损失，提高效率。
压气机转子叶片进口的气流速度沿径向是不断 增加的，为了使压气机内部基本不产生激波，发 动机转速将受限。
《 航空发动道，我们在叶片的重量上采 用空心结构和复合材料减重，若能在叶盘上 减重是最好的，故若能取消叶片和轮盘间的 联接，采用焊接，可以减重。 图4-21 轮盘一体化后压气机工作范围扩大。
图4-22采用各种减重设计后，压气机的减重 收益如图
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第四章 压气机和风扇部件的新技术
4.1，基准发动机要求
据有关文献介绍，9000kg左右的发动机具有最 大的推重比。我们为了对压气机进行改进，对级数 较多的压气机，重点放在减轻叶片重量和减少压气 机级数上。
此外，压气机的稳定工作是设计中至关重要的 性能指标，为了提高压气机性能，最有效的就是提 高压气机的单级增压比，但级间增压比的提高往往 要求转速的提高，从而导致压气机的稳定裕度下降
提高压气机单级压缩功，从而提高级增压比的 一条途径是增加发动机的转速。
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而转速的提高受叶尖气流超声速的限制，采用 后掠叶片后，叶尖相对Ma数可以达到1.6，而压 气机内部没有强烈激波，此时压气机单级增压比 为2.2，单级增压比显著提高。
缺点：容易造成风扇叶片叶尖部分气流的堆积。
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（2）前掠叶片设计技术 前掠叶片很好的解决
了转子转速提高后压气机 或风扇叶片的激波损失和 叶尖气流堆积问题，使压 气机级间增压比大幅提高。
试验完成的图4-9分隔 式叶片压气机转子，单级 风扇转子可超过3，是 F100的三级风扇的增压比。
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（1）MMC叶片的特点
所谓MMC，即空心的，纤维加强的钛金属基复合 材料叶片，与普通钛合金叶片相比，可以减重14%， 并且在强度、可靠性、抗疲劳寿命和防鸟撞击能力方 面均有一定的提高。
见图4-14
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（2）MMC板件的加工 首先对钛合金版面进行无损探伤。
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（3）其他的最新研究成果
①带冠复合材料风扇转子
此新概念的风扇在效率、稳定裕度、进口畸变下 的使用性和非设计点运行方面性能均有明显改进。
显然该设计方案在提高压气机性能和工作寿命的 同时，能显著减少风扇和压气机的重量，并且能很 好解决前掠叶片的强度和振动的问题。
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②四级先进技术高压压气机转子
部分采用前掠叶片，利用全三维N-S方程计算 设计的4级先进的高压压气机转子，相当于F100 的9级高压压气机转子的增压比。
显然，该高压压气机转子能大大缩短压气机 长度，减轻发动机重量
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第四节 金属基复合材料的应用
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4.2.2 性能与重量
大幅度提高压气机负荷必然要增压发动机转 子转速，而转速提高必将加大部件的离心力，因 此对压气机和涡轮盘的强度设计提出了新挑战。
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采用传统的设计 方案是无法提高发 动机转速的，因此， 必须要采用新材料 和新强度设计技术， 才能满足新一代高 性能转速的需要。
（3）叶片蒙皮的加工 用钛合金控制纤维的间距
（4）叶片燕尾锲的加工过程 图4-17
（5）成形加工 图4-18
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4.4.2用复合材料加强压气机轮盘
采用非金属复合材料具有重量轻、抗拉强度高、 不易疲劳破坏等特点。在高压压气机轮盘上缠绕非 金属复合材料后可以大大减轻轮盘的厚度，减轻单 级压气机重量的，同时提高轮盘的寿命。
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第五节 压气机转子减重设计
1，轮盘一体化的设计思想
安装转子叶片的轮盘不但在叶片安装处很 厚，而且轮盘的内部中心孔也很厚，同时轮盘 本身也不薄。
压气机转子重量主要来源于安装压气机叶片 的轮盘，若能采用轮盘一体化技术，减小转子 内部轮盘的重量，必将对压气机减重作出重要 贡献。
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4.3高载荷压气机设计技术 由工热知道，压气机的压缩功越大，则压气机
的级增压比越高。
lst u w u 压气机旋转叶片的圆周速度 w 气流在叶片中流动的转折角
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因此，由公式可以得出，提高压气机或风扇单 级增压比的基本方法是：