航空发动机结构_课件

19:37NPU--ZhaoMing1目录•绪论•压气机•涡轮•燃烧室•尾喷管•总体结构•受力分析航空发动机结构分析西北工业大学19:37NPU--ZhaoMing2概论发动机是飞机上的动力装置。自从人类尝试进行有翼飞行器飞行以来，经历了无数次失败，只是在使用了活塞式内燃机以后，才在20世纪初把第一架飞机送上蓝天。二战后,由于喷气发动机的迅速发展,活塞式发动机逐渐被淘汰。20世纪60年代，由于涡扇发动机的问世，大大降低了耗油率，才有可能设计制造成大型喷气飞机，大幅度提高载重量和航程。燃气涡轮发动机大大提高了战斗机的性能，使其飞行速度达到2倍以上的音速。直到现在还被广泛应用于各种类型的飞机上。19:37NPU--ZhaoMing3航空发动机的作用•航空发动机是航空器飞行的动力，也是航空事业发展的推动力；•航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素；•航空发动机的发展对冶金、机械、电子、仪表等行业的发展具有重要的带动和促进作用。19:37NPU--ZhaoMing4航空发动机研究工作的特点•技术难度大一台发动机内有十几个部件和系统及数万个零件研制一种新的发动机需要1万小时的整机试验和10万小时的部件和系统试验。•周期长先进发动机的研制周期为9-15年，F119从1986年开始到2005年投入使用，前后达19年。•费用高F119的研制费用超过20亿美元；发动机的研究和发展费用占航空总费用的1/4。19:37NPU--ZhaoMing5军用发动机设计要求A性能要求，包括地面台架性能和空中飞行性能（推力和耗油率）、起动性能、加减速性能、引气量、功率提取和过载；B适用性要求，包括发动机在飞行包线内稳定工作和油门杆使用不受限制，加力接通、切断不受限制，飞行状态变化、极限机动状态等时的发动机稳定工作；C结构和安装要求，包括安装节位置、外廓尺寸、重量和重心位置；19:37NPU--ZhaoMing6D可靠性要求包括发动机寿命和工作循环、发动机各状态连续工作时间和平均故障时间；E维修性要求，包括发动机外场可更换件的更换时间、每飞行小时的平均维修工时和更换发动机时间等；F其他要求，如满足飞机隐身要求的红外信号和雷达反射特性以及飞行控制的矢量推力。19:37NPU--ZhaoMing7航空发动机分类：在过去的一个航空百年里，人类所使用的主要的航空发动机，可分为两大类: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）。19:37NPU--ZhaoMing819:37NPU--ZhaoMing9航空燃气涡轮发动机的基本类型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)19:37NPU--ZhaoMing101、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。19:37NPU--ZhaoMing112、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%）。19:37NPU--ZhaoMing123、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。19:37NPU--ZhaoMing134、WZ发动机主要部件：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。19:37NPU--ZhaoMing145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。桨扇发动机的概念研究始于70年代中期。80年代后半期已完成地面和飞行验证试验，基本达到预期目标。由于航空公司的综合经济因素和公众接受心理等种种原因，桨扇发动机尚未进入实用阶段。19:37NPU--ZhaoMing15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，见图1－6。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。19:37NPU--ZhaoMing16使用最广泛的燃气涡轮发动机：•加力的涡喷发动机•加力的涡扇发动机燃气涡轮发动机的共同特点：•获得高温高压燃气；•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）19:37NPU--ZhaoMing17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。•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；•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。以核心机为基础，增添不同类型的部件就可以发展成不同类型的发动机。19:37NPU--ZhaoMing18燃气涡轮发动机的主要性能参数推力单位推力推重比单位迎面推力单位燃油消耗率增压比涡轮前燃气温度涵道比19:37NPU--ZhaoMing19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。19:37NPU--ZhaoMing20燃气涡轮发动机的工作循环19:37NPU--ZhaoMing21压气机作用：•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。•为座舱增压、涡轮散热和其它发动机的起动提供压缩空气。结构类型：轴流式离心式混合式主要性能指标：•增压比•效率•外廓尺寸和重量•工作可靠性•制造和维修费用19:37NPU--ZhaoMing22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。19:37NPU--ZhaoMing23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。19:37NPU--ZhaoMing24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。19:37NPU--ZhaoMing25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。19:37NPU--ZhaoMing26压气机转子上的负荷:见图3－5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。19:37NPU--ZhaoMing27压气机转子的基本结构型式1鼓式转子2盘式转子3盘鼓式（混合式）转子压气机转子的基本型式19:37NPU--ZhaoMing28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。19:37NPU--ZhaoMing29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19:37NPU--ZhaoMing3019:37NPU--ZhaoMing3119:37NPU--ZhaoMing32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）机匣静子叶片19:37NPU--ZhaoMing33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。19:37NPU--ZhaoMing34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。19:37NPU--ZhaoMing35整流器机匣的结构方案(1)整体式(2)分半式(纵剖结构)(3)分段式(横剖结构)19:37NPU--ZhaoMing36整流器安装在机匣内，位于两级转子之间，因此转子和机匣的方案决定整流器的方案。在铸造的分半机匣内，由于机匣壁较厚，整流叶片可以用不同形式的榫头直接固定在机匣内壁的特制环槽内。整流叶片在机匣上的直接固定形式1、用榫头；2、用螺钉；3、通过焊接。19:37NPU--ZhaoMing37整流器的固定方式有些整流器是有内环的（双支点）；有些则没有内环（单支点）；有些整流器前几级为双支点，后几级则为单支点。作用在整流器叶片上的气动负荷是不大的，但是由于气流脉动导致叶片振动裂纹却往往是叶片损坏的一个