航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)第四章壓氣機(jī)風(fēng)扇新技術(shù)解析課件

第四章壓氣機(jī)和風(fēng)扇部件的新技術(shù)4.1，基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)要求據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，9000kg左右的發(fā)動(dòng)機(jī)具有最大的推重比。我們?yōu)榱藢簹鈾C(jī)進(jìn)行改進(jìn)，對級數(shù)較多的壓氣機(jī)，重點(diǎn)放在減輕葉片重量和減少壓氣機(jī)級數(shù)上。此外，壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的性能指標(biāo)，為了提高壓氣機(jī)性能，最有效的就是提高壓氣機(jī)的單級增壓比，但級間增壓比的提高往往要求轉(zhuǎn)速的提高，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度下降第四章壓氣機(jī)和風(fēng)扇部件的新技術(shù)4.1，基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)要4.2，壓氣機(jī)的選擇目前為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，一般采用低載荷設(shè)計(jì)，即單級增壓比比較低。通過大量的研究工作發(fā)現(xiàn)，采用先進(jìn)的三維氣動(dòng)葉型技術(shù)后，葉片單級增壓比可以明顯提高，這樣，對于同樣增壓比的壓氣機(jī)級數(shù)可以明顯減少，從而大幅度降低壓氣機(jī)重量。4.2，壓氣機(jī)的選擇目前為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，4.2.2性能與重量

大幅度提高壓氣機(jī)負(fù)荷必然要增壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速提高必將加大部件的離心力，因此對壓氣機(jī)和渦輪盤的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了新挑戰(zhàn)。4.2.2性能與重量采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是無法提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，必須要采用新材料和新強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)，才能滿足新一代高性能轉(zhuǎn)速的需要。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是無法提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，4.3高載荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)由工熱知道，壓氣機(jī)的壓縮功越大，則壓氣機(jī)的級增壓比越高。4.3高載荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)因此，由公式可以得出，提高壓氣機(jī)或風(fēng)扇單級增壓比的基本方法是：①提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速②采用先進(jìn)的葉型設(shè)計(jì)因此，由公式可以得出，提高壓氣機(jī)或風(fēng)扇單級增壓比的基本方法是4.3.2先進(jìn)的全三維計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)方法（1）后掠葉片的作用：將壓氣機(jī)葉片沿徑向設(shè)計(jì)成后掠形式，從而減小跨聲速壓氣機(jī)和超聲速壓氣機(jī)的激波損失，提高效率。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口的氣流速度沿徑向是不斷增加的，為了使壓氣機(jī)內(nèi)部基本不產(chǎn)生激波，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將受限。提高壓氣機(jī)單級壓縮功，從而提高級增壓比的一條途徑是增加發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.3.2先進(jìn)的全三維計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)方法航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)第四章壓氣機(jī)風(fēng)扇新技術(shù)解析課件而轉(zhuǎn)速的提高受葉尖氣流超聲速的限制，采用后掠葉片后，葉尖相對Ma數(shù)可以達(dá)到1.6，而壓氣機(jī)內(nèi)部沒有強(qiáng)烈激波，此時(shí)壓氣機(jī)單級增壓比為2.2，單級增壓比顯著提高。缺點(diǎn)：容易造成風(fēng)扇葉片葉尖部分氣流的堆積。而轉(zhuǎn)速的提高受葉尖氣流超聲速的限制，采用后掠葉片（2）前掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高后壓氣機(jī)或風(fēng)扇葉片的激波損失和葉尖氣流堆積問題，使壓氣機(jī)級間增壓比大幅提高。試驗(yàn)完成的圖4-9分隔式葉片壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，單級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子可超過3，是F100的三級風(fēng)扇的增壓比。（2）前掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子（3）其他的最新研究成果①帶冠復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子此新概念的風(fēng)扇在效率、穩(wěn)定裕度、進(jìn)口畸變下的使用性和非設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行方面性能均有明顯改進(jìn)。顯然該設(shè)計(jì)方案在提高壓氣機(jī)性能和工作壽命的同時(shí)，能顯著減少風(fēng)扇和壓氣機(jī)的重量，并且能很好解決前掠葉片的強(qiáng)度和振動(dòng)的問題。（3）其他的最新研究成果②四級先進(jìn)技術(shù)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分采用前掠葉片，利用全三維N-S方程計(jì)算設(shè)計(jì)的4級先進(jìn)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，相當(dāng)于F100的9級高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的增壓比。顯然，該高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子能大大縮短壓氣機(jī)長度，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量②四級先進(jìn)技術(shù)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子第四節(jié)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用由前面的知識可知，采用前掠或后掠式超聲速風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)葉片可以提高壓氣機(jī)的單級增壓比，從而減少壓氣機(jī)級數(shù)，達(dá)到減重的目的。但從另一方面說，前后掠的采用不能減輕單級壓氣機(jī)葉片的重量，因此為進(jìn)一步減輕壓氣機(jī)的重量，還需要采用一些新技術(shù)手段。如：采用復(fù)合材料，空心葉片等。第四節(jié)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用（1）MMC葉片的特點(diǎn)所謂MMC，即空心的，纖維加強(qiáng)的鈦金屬基復(fù)合材料葉片，與普通鈦合金葉片相比，可以減重14%，并且在強(qiáng)度、可靠性、抗疲勞壽命和防鳥撞擊能力方面均有一定的提高。見圖4-14（1）MMC葉片的特點(diǎn)（2）MMC板件的加工首先對鈦合金版面進(jìn)行無損探傷。（3）葉片蒙皮的加工用鈦合金控制纖維的間距（4）葉片燕尾鍥的加工過程圖4-17（5）成形加工圖4-18（2）MMC板件的加工4.4.2用復(fù)合材料加強(qiáng)壓氣機(jī)輪盤采用非金屬復(fù)合材料具有重量輕、抗拉強(qiáng)度高、不易疲勞破壞等特點(diǎn)。在高壓壓氣機(jī)輪盤上纏繞非金屬復(fù)合材料后可以大大減輕輪盤的厚度，減輕單級壓氣機(jī)重量的，同時(shí)提高輪盤的壽命。4.4.2用復(fù)合材料加強(qiáng)壓氣機(jī)輪盤第五節(jié)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子減重設(shè)計(jì)1，輪盤一體化的設(shè)計(jì)思想安裝轉(zhuǎn)子葉片的輪盤不但在葉片安裝處很厚，而且輪盤的內(nèi)部中心孔也很厚，同時(shí)輪盤本身也不薄。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子重量主要來源于安裝壓氣機(jī)葉片的輪盤，若能采用輪盤一體化技術(shù)，減小轉(zhuǎn)子內(nèi)部輪盤的重量，必將對壓氣機(jī)減重作出重要貢獻(xiàn)。第五節(jié)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子減重設(shè)計(jì)1，輪盤一體化的設(shè)計(jì)思想由前知識知道，我們在葉片的重量上采用空心結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料減重，若能在葉盤上減重是最好的，故若能取消葉片和輪盤間的聯(lián)接，采用焊接，可以減重。圖4-21輪盤一體化后壓氣機(jī)工作范圍擴(kuò)大。圖4-22采用各種減重設(shè)計(jì)后，壓氣機(jī)的減重收益如圖由前知識知道，我們在葉片的重量上采用空心結(jié)構(gòu)和復(fù)第四章壓氣機(jī)和風(fēng)扇部件的新技術(shù)4.1，基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)要求據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，9000kg左右的發(fā)動(dòng)機(jī)具有最大的推重比。我們?yōu)榱藢簹鈾C(jī)進(jìn)行改進(jìn)，對級數(shù)較多的壓氣機(jī)，重點(diǎn)放在減輕葉片重量和減少壓氣機(jī)級數(shù)上。此外，壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的性能指標(biāo)，為了提高壓氣機(jī)性能，最有效的就是提高壓氣機(jī)的單級增壓比，但級間增壓比的提高往往要求轉(zhuǎn)速的提高，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度下降第四章壓氣機(jī)和風(fēng)扇部件的新技術(shù)4.1，基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)要4.2，壓氣機(jī)的選擇目前為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，一般采用低載荷設(shè)計(jì)，即單級增壓比比較低。通過大量的研究工作發(fā)現(xiàn)，采用先進(jìn)的三維氣動(dòng)葉型技術(shù)后，葉片單級增壓比可以明顯提高，這樣，對于同樣增壓比的壓氣機(jī)級數(shù)可以明顯減少，從而大幅度降低壓氣機(jī)重量。4.2，壓氣機(jī)的選擇目前為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，4.2.2性能與重量

大幅度提高壓氣機(jī)負(fù)荷必然要增壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速提高必將加大部件的離心力，因此對壓氣機(jī)和渦輪盤的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了新挑戰(zhàn)。4.2.2性能與重量采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是無法提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，必須要采用新材料和新強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)，才能滿足新一代高性能轉(zhuǎn)速的需要。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是無法提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，4.3高載荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)由工熱知道，壓氣機(jī)的壓縮功越大，則壓氣機(jī)的級增壓比越高。4.3高載荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)因此，由公式可以得出，提高壓氣機(jī)或風(fēng)扇單級增壓比的基本方法是：①提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速②采用先進(jìn)的葉型設(shè)計(jì)因此，由公式可以得出，提高壓氣機(jī)或風(fēng)扇單級增壓比的基本方法是4.3.2先進(jìn)的全三維計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)方法（1）后掠葉片的作用：將壓氣機(jī)葉片沿徑向設(shè)計(jì)成后掠形式，從而減小跨聲速壓氣機(jī)和超聲速壓氣機(jī)的激波損失，提高效率。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口的氣流速度沿徑向是不斷增加的，為了使壓氣機(jī)內(nèi)部基本不產(chǎn)生激波，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將受限。提高壓氣機(jī)單級壓縮功，從而提高級增壓比的一條途徑是增加發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.3.2先進(jìn)的全三維計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)方法航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)第四章壓氣機(jī)風(fēng)扇新技術(shù)解析課件而轉(zhuǎn)速的提高受葉尖氣流超聲速的限制，采用后掠葉片后，葉尖相對Ma數(shù)可以達(dá)到1.6，而壓氣機(jī)內(nèi)部沒有強(qiáng)烈激波，此時(shí)壓氣機(jī)單級增壓比為2.2，單級增壓比顯著提高。缺點(diǎn)：容易造成風(fēng)扇葉片葉尖部分氣流的堆積。而轉(zhuǎn)速的提高受葉尖氣流超聲速的限制，采用后掠葉片（2）前掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高后壓氣機(jī)或風(fēng)扇葉片的激波損失和葉尖氣流堆積問題，使壓氣機(jī)級間增壓比大幅提高。試驗(yàn)完成的圖4-9分隔式葉片壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，單級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子可超過3，是F100的三級風(fēng)扇的增壓比。（2）前掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子（3）其他的最新研究成果①帶冠復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子此新概念的風(fēng)扇在效率、穩(wěn)定裕度、進(jìn)口畸變下的使用性和非設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行方面性能均有明顯改進(jìn)。顯然該設(shè)計(jì)方案在提高壓氣機(jī)性能和工作壽命的同時(shí)，能顯著減少風(fēng)扇和壓氣機(jī)的重量，并且能很好解決前掠葉片的強(qiáng)度和振動(dòng)的問題。（3）其他的最新研究成果②四級先進(jìn)技術(shù)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分采用前掠葉片，利用全三維N-S方程計(jì)算設(shè)計(jì)的4級先進(jìn)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，相當(dāng)于F100的9級高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的增壓比。顯然，該高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子能大大縮短壓氣機(jī)長度，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量②四級先進(jìn)技術(shù)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子第四節(jié)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用由前面的知識可知，采用前掠或后掠式超聲速風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)葉片可以提高壓氣機(jī)的單級增壓比，從而減少壓氣機(jī)級數(shù)，達(dá)到減重的目的。但從另一方面說，前后掠的采用不能減輕單級壓氣機(jī)葉片的重量，因此為進(jìn)一步減輕壓氣機(jī)的重量，還需要采用一些新技術(shù)手段。如：采用復(fù)合材料，空心葉片等。第四節(jié)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用（1）MMC葉片的特點(diǎn)所謂MMC，即空心的，纖維加強(qiáng)的鈦金屬基復(fù)合材料葉片，與普通鈦合金葉片相比，可以減重14%，并且在強(qiáng)度、可靠性、抗疲勞壽命和防鳥撞擊能力方面均有一定的提高。見圖4-14（1）MMC葉片的特點(diǎn)（2）MMC板件的加工首先對鈦合金版面進(jìn)行無損探傷。（3）葉片蒙皮的加工用鈦合金控制纖維的間距（4）葉片燕尾鍥的加工過程圖4-17（5）成形加工圖4-18（2）MMC板件的加工4.4.2用復(fù)合材料加強(qiáng)壓氣機(jī)輪盤采用非金屬復(fù)合材料具有重量輕、抗拉強(qiáng)度高、不易疲勞破壞等特點(diǎn)。在高壓壓氣機(jī)輪盤上纏繞非金屬復(fù)合材料后可以大大減輕輪盤的厚度，減輕單級壓氣機(jī)重量的，同時(shí)提高輪盤的壽命。4.4.2用復(fù)合材料加強(qiáng)壓氣機(jī)輪盤第五節(jié)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子減重設(shè)計(jì)1，輪盤一體化的設(shè)計(jì)思想安裝轉(zhuǎn)子葉片的輪盤不但在葉片安裝處很厚，而且輪盤的內(nèi)部中心孔也很厚，同時(shí)輪盤本身也不薄。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子