航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)的專題培訓(xùn)課件

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)的概論

發(fā)動機是飛機上的動力裝置。自從人類嘗試進行有翼飛行器飛行以來，經(jīng)歷了無數(shù)次失敗，只是在使用了活塞式內(nèi)燃機以后，才在20世紀初把第一架飛機送上藍天。二戰(zhàn)后,由于噴氣發(fā)動機的迅速發(fā)展,活塞式發(fā)動機逐漸被淘汰。20世紀60年代，由于渦扇發(fā)動機的問世，大大降低了耗油率，才有可能設(shè)計制造成大型噴氣飛機，大幅度提高載重量和航程。燃氣渦輪發(fā)動機大大提高了戰(zhàn)斗機的性能，使其飛行速度達到2倍以上的音速。直到現(xiàn)在還被廣泛應(yīng)用于各種類型的飛機上。2023/6/92NPU--ZhaoMing

航空發(fā)動機研究工作的特點技術(shù)難度大一臺發(fā)動機內(nèi)有十幾個部件和系統(tǒng)及數(shù)萬個零件研制一種新的發(fā)動機需要1萬小時的整機試驗和10萬小時的部件和系統(tǒng)試驗。周期長先進發(fā)動機的研制周期為9-15年，F(xiàn)119從1986年開始到2005年投入使用，前后達19年。費用高F119的研制費用超過20億美元；發(fā)動機的研究和發(fā)展費用占航空總費用的1/4。2023/6/93NPU--ZhaoMing軍用發(fā)動機設(shè)計要求A性能要求，包括地面臺架性能和空中飛行性能（推力和耗油率）、起動性能、加減速性能、引氣量、功率提取和過載；

B適用性要求，包括發(fā)動機在飛行包線內(nèi)穩(wěn)定工作和油門桿使用不受限制，加力接通、切斷不受限制，飛行狀態(tài)變化、極限機動狀態(tài)等時的發(fā)動機穩(wěn)定工作；

C結(jié)構(gòu)和安裝要求，包括安裝節(jié)位置、外廓尺寸、重量和重心位置；

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D可靠性要求包括發(fā)動機壽命和工作循環(huán)、發(fā)動機各狀態(tài)連續(xù)工作時間和平均故障時間；E維修性要求，包括發(fā)動機外場可更換件的更換時間、每飛行小時的平均維修工時和更換發(fā)動機時間等；

F其他要求，如滿足飛機隱身要求的紅外信號和雷達反射特性以及飛行控制的矢量推力。2023/6/95NPU--ZhaoMing航空發(fā)動機分類：在過去的一個航空百年里，人類所使用的主要的航空發(fā)動機，可分為兩大類:1、活塞式發(fā)動機冷卻方式（液冷式、氣冷式）。氣缸排列方式(星形、V形、直列式、對列式、X形)2、空氣噴氣式發(fā)動機無壓氣機（沖壓式發(fā)動機、脈動式發(fā)動機）。有壓氣機（渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機、漿扇發(fā)動機）。2023/6/96NPU--ZhaoMing2023/6/97NPU--ZhaoMing

航空燃氣渦輪發(fā)動機的基本類型按照做功方式分五種基本類型渦輪噴氣發(fā)動機（渦噴）（WP）渦輪螺漿發(fā)動機（渦漿）（WJ）渦輪風扇發(fā)動機（渦扇）（WS）渦輪軸發(fā)動機（渦軸）（WZ）螺漿風扇發(fā)動機（漿扇）(JS)2023/6/98NPU--ZhaoMing

1、WP主要部件：進氣裝置、壓氣機，燃燒室，燃氣渦輪，尾噴管,(加力燃燒室)特點：(1)渦輪只帶動壓氣機壓縮空氣。(2)發(fā)動機的全部推力來自高速噴出的燃氣所產(chǎn)生的反作用力。2023/6/99NPU--ZhaoMing

2、WJ主要部件：壓氣機,燃燒室,燃氣渦輪,尾噴管,減速器特點：

渦輪不僅帶動壓氣機壓縮空氣，還帶動螺漿產(chǎn)生拉力。發(fā)動機推力來自兩個部分，一部分是由高速噴出的燃氣所產(chǎn)生的反作用力（10%），一部分渦輪帶動螺漿產(chǎn)生前進的拉力（90%）。

2023/6/910NPU--ZhaoMing3、WS主要部件：風扇、外涵道、內(nèi)涵道（壓氣機、燃燒室、渦輪），尾噴管特點：發(fā)動機的推力是內(nèi)外涵道氣流反作用力的總和。涵道比（流量比）：外、內(nèi)涵道空氣流量之比。2023/6/911NPU--ZhaoMing4、WZ發(fā)動機主要部件：進氣道、壓氣機、燃燒室、動力渦輪、自由渦輪、尾噴管特點：通常帶有自由渦輪，而其他形式的渦輪噴氣發(fā)動機一般沒有自由渦輪。2023/6/912NPU--ZhaoMing5槳扇發(fā)動機螺槳風扇發(fā)動機是一種介于渦扇發(fā)動機和渦槳發(fā)動機之間的一種發(fā)動機形式。它既可看作帶除去外涵道的大涵道比渦扇發(fā)動機，又可看作高速先進螺槳的渦槳發(fā)動機，因而兼有前者飛行速度高和后者耗油率低的優(yōu)點。目前正處于研究和實驗階段。

槳扇發(fā)動機的概念研究始于70年代中期。80年代后半期已完成地面和飛行驗證試驗，基本達到預(yù)期目標。由于航空公司的綜合經(jīng)濟因素和公眾接受心理等種種原因，槳扇發(fā)動機尚未進入實用階段。2023/6/913NPU--ZhaoMing槳扇發(fā)動機的關(guān)鍵部件是先進高速螺槳，它帶有多個寬弦、薄葉型的后掠槳葉，能在飛行馬赫數(shù)0.8下保持較高的效率，見圖1－6。槳扇由渦輪驅(qū)動，無涵道外殼，裝有減速器，從這些來看它有一點象螺旋槳；但是它的直徑比普通螺旋槳小，葉片數(shù)目也多（一般有6-8葉），葉片又薄又寬，而且前緣后掠，這些又有些類似于風扇葉片。2023/6/914NPU--ZhaoMing使用最廣泛的燃氣渦輪發(fā)動機：加力的渦噴發(fā)動機加力的渦扇發(fā)動機燃氣渦輪發(fā)動機的共同特點：獲得高溫高壓燃氣；利用著部分燃氣產(chǎn)生推力或機械功（在尾噴管內(nèi)繼續(xù)膨脹，高速噴出產(chǎn)生推力；或者在后續(xù)渦輪內(nèi)繼續(xù)膨脹獲得機械功，帶動風扇、螺漿或其它裝置）2023/6/915NPU--ZhaoMing

核心發(fā)動機（燃氣發(fā)生器）：發(fā)生燃氣的部件，即壓氣機、燃燒室和渦輪稱為燃氣發(fā)生器。由于它處于發(fā)動機的核心部位，故又稱為核心發(fā)動機。對單轉(zhuǎn)子發(fā)動機來講，就是指壓氣機、主燃燒室的帶動壓氣機的渦輪；對雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機來講，就是指高壓壓氣機、主燃燒室和高壓渦輪。以核心機為基礎(chǔ)，增添不同類型的部件就可以發(fā)展成不同類型的發(fā)動機。2023/6/916NPU--ZhaoMing燃氣渦輪發(fā)動機的主要性能參數(shù)推力

單位推力推重比單位迎面推力單位燃油消耗率增壓比渦輪前燃氣溫度涵道比2023/6/917NPU--ZhaoMing

燃氣渦輪發(fā)動機的基本機理---噴氣推進原理：噴氣推進是牛頓第三定律（作用在物體上的每一個力都有一方向相反大小相等的反作用力）的實際應(yīng)用。噴氣式飛機飛行時，它向后高速噴出大量氣體，這表明發(fā)動機對噴出的氣體作用了“力”。根據(jù)牛頓第三定律（就飛機推進而言，“物體”是通過發(fā)動機時受到加速的大氣中的空氣），該高速氣體也必然會給發(fā)動機一個大小相等方向相反的反作用力，使飛機向前運動。高速噴出的氣體給發(fā)動機的這一反作用力，就稱為噴氣發(fā)動機的推力，噴出的氣體越多，速度越大，所產(chǎn)生的推力也就越大。2023/6/918NPU--ZhaoMing

燃氣渦輪發(fā)動機的工作循環(huán)

2023/6/919NPU--ZhaoMing壓氣機作用：用來提高進入發(fā)動機內(nèi)的空氣壓力，供給發(fā)動機工作時所需要的壓縮空氣。為座艙增壓、渦輪散熱和其它發(fā)動機的起動提供壓縮空氣。結(jié)構(gòu)類型：軸流式離心式混合式主要性能指標：增壓比效率外廓尺寸和重量工作可靠性制造和維修費用2023/6/920NPU--ZhaoMing軸流式壓氣機的特點:增壓比高、效率高、單位空氣流量大。在相同迎風面積下，軸流式比離心式吸入的空氣多得多，產(chǎn)生的推力更大。通過增加級數(shù)就能增加增壓比。高增壓比有利于采用軸流式壓氣機，因為它改善了效率，并進而改善了給定推力下的耗油率。在大、中推力發(fā)動機上，普遍采用軸流式壓氣機。2023/6/921NPU--ZhaoMing

離心式壓氣機的特點:結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實可靠，容易制造和發(fā)展，生存力強、特性比較平穩(wěn)、級增壓比高等優(yōu)點。應(yīng)用在小型發(fā)動機采用。主要用于教練機、導(dǎo)彈、靶機上的小型動力裝置和輔助動力裝置。在直升機的動力裝置中采用混合式壓氣機。

2023/6/922NPU--ZhaoMing軸流式壓氣機的構(gòu)成：由轉(zhuǎn)子和靜子組成。轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)對氣流作功的組合件，包括輪盤、鼓筒、葉片等。從受力的角度分析：轉(zhuǎn)子都是在高速轉(zhuǎn)速下工作，慣性負荷（離心力很大，而氣體力不大。靜子是靜子組合件的總稱，包括機匣和整流器。靜子所承受的負荷基本上是氣體力和力矩，以及周期性的慣性力。2023/6/923NPU--ZhaoMing壓氣機的主要特點:從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來講，轉(zhuǎn)速高，每分鐘達數(shù)千或數(shù)萬轉(zhuǎn)（如JT8D-9發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)速分別為12250、8600r/min）。轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點：可以使壓氣機在尺寸小重量輕的條件下，得到所需的性能（即給定的空氣流量和增壓比），滿足發(fā)動機性能設(shè)計的最基本要求。轉(zhuǎn)速高的缺點：在高轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)子零件及其連接處要承受巨大的慣性力、氣體力、扭矩和復(fù)雜的振動負荷。若零件型面和傳力方案設(shè)計不當，工作時就有破壞損壞的危險。若轉(zhuǎn)子零、組件的定心方案不妥，轉(zhuǎn)子裝配不當，平衡不好，橫向剛性不足，當壓氣機高轉(zhuǎn)速工作時，轉(zhuǎn)子就會發(fā)生劇烈振動而影響發(fā)動機正常工作。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本問題就是針對這些缺點而進行的。2023/6/924NPU--ZhaoMing壓氣機轉(zhuǎn)子上的負荷:見圖3－5轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要解決的基本矛盾：

在考慮到尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好的前提下，轉(zhuǎn)子零、組件間其連接處應(yīng)保證可靠的傳力（對結(jié)構(gòu)設(shè)計起決定作用的負荷是葉片和轉(zhuǎn)子的離心力、彎矩和扭矩），良好的定心和平衡、足夠的剛性。這些就是壓氣機轉(zhuǎn)子方案設(shè)計所應(yīng)遵循的基本原則，也是分析各種轉(zhuǎn)子方案的基本原則。

2023/6/925NPU--ZhaoMing壓氣機轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)型式1鼓式轉(zhuǎn)子2盤式轉(zhuǎn)子3盤鼓式（混合式）轉(zhuǎn)子

壓氣機轉(zhuǎn)子的基本型式

2023/6/926NPU--ZhaoMing轉(zhuǎn)子葉片與輪盤的連接轉(zhuǎn)子葉片的組成：轉(zhuǎn)子葉片是軸流式壓氣機最重要的零件之一。它主要由葉身和榫頭組成。在有些長葉片上，或者在激振力比較強的區(qū)域內(nèi)工作的葉片葉身上還帶有阻尼臺。2023/6/927NPU--ZhaoMing軸流式壓氣機轉(zhuǎn)子葉片榫頭的型式（1）銷釘式榫頭結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單；尺寸重量大，承載能力低（2）燕尾形榫頭尺寸小、重量輕，承載能力強，加工方便，根部有應(yīng)力集中。（3）樅樹形榫頭尺寸重量小，承載能力最強。應(yīng)力集中最嚴重，加工精度高2023/6/928NPU--ZhaoMing2023/6/929NPU--ZhaoMing2023/6/930NPU--ZhaoMing靜子部件的組成：

靜子是壓氣機中不旋轉(zhuǎn)的部分。整流器機匣，整流器

（由機匣和靜子葉片組成）機匣靜子葉片2023/6/931NPU--ZhaoMing整流器機匣的結(jié)構(gòu)

（1）是一個圓柱形或圓錐形的薄壁圓筒

（2）前后與其它機匣聯(lián)接，

（3）內(nèi)壁上有固定整流葉片的各種型式的構(gòu)槽，

（4）發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承在機匣內(nèi)，有些發(fā)動機的安裝節(jié)以及一些附件和導(dǎo)管還固定在機匣外壁上。

整流器機匣的負荷靜子的重量、慣性力、內(nèi)外空氣壓差、扭矩、軸向力、彎矩、熱載荷、振動載荷。它是發(fā)動機的主要承力殼體之一，也是氣流通道的外壁。2023/6/932NPU--ZhaoMing整流器機匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

（1）重量輕，具有足夠的強度，可靠承受各種載荷；

（2）具有足夠的剛度，保證在各種載荷作用下，機匣的徑向、橫向變形在允許范圍之內(nèi)；

（3）保證各段機匣之間的同心和機匣與轉(zhuǎn)子的同心；

（4）具有包容性，保證在葉片折斷或輪盤破裂不被擊穿；

（5）采取措施減少漏氣損失和與轉(zhuǎn)子之間的徑向間隙，提高壓氣機效率；

（6）裝配方便,工藝性好,維修性好,具有可檢測性。

2023/6/933NPU--ZhaoMing整流器機匣的結(jié)構(gòu)方案

(1)整體式

(2)分半式(縱剖結(jié)構(gòu))

(3)分段式(橫剖結(jié)構(gòu))2023/6/934NPU--ZhaoMing整流器安裝在機匣內(nèi)，位于兩級轉(zhuǎn)子之間，因此轉(zhuǎn)子和機匣的方案決定整流器的方案。在鑄造的分半機匣內(nèi)，由于機匣壁較厚，整流葉片可以用不同形式的榫頭直接固定在機匣內(nèi)壁的特制環(huán)槽內(nèi)。整流葉片在機匣上的直接固定形式

1、用榫頭；

2、用螺釘；

3、通過焊接。2023/6/935NPU--ZhaoMing整流器的固定方式

有些整流器是有內(nèi)環(huán)的（雙支點）；

有些則沒有內(nèi)環(huán)（單支點）；

有些整流器前幾級為雙支點，后幾級則為單支點。

作用在整流器葉片上的氣動負荷是不大的，但是由于氣流脈動導(dǎo)致葉片振動裂紋卻往往是葉片損壞的一個主要原因。因此，將葉片內(nèi)端聯(lián)接起來組成雙支點整流器，是提高葉片自振頻率的一個基本措施。

2023/6/936NPU--ZhaoMing應(yīng)用附屬裝置的原因

為保證壓氣機正常而有效地工作，除主要組合件外，在軸流式壓氣機上還有一些附屬裝置和系統(tǒng)。

主要的附屬裝置和系統(tǒng)

?封氣裝置

?防冰系統(tǒng)

?防喘振系統(tǒng)

?壓氣機氣流控制系統(tǒng)

?間隙控制裝置2023/6/937NPU--ZhaoMing封氣裝置

原因：在壓氣機轉(zhuǎn)子和靜子之間，轉(zhuǎn)子前、后端面與機匣間都存在著漏氣損失，嚴重影響著壓氣機的效率。

減少漏氣量的方法：

1、正確選擇合適的間隙

2、采用封氣裝置2023/6/938NPU--ZhaoMing防冰系統(tǒng)

原因：冰層會破壞發(fā)動機的性能。

（1）冰層會引起發(fā)動機進氣面積縮小，減小了通過發(fā)動機的空氣流量，從而引起發(fā)動機性能損失并可能使發(fā)動機發(fā)生故障。

（2）由于發(fā)動機振動，冰層可能破裂，破裂的冰塊可能被吸入發(fā)動機內(nèi)，打傷葉片，甚至使整臺發(fā)動機破壞。

防冰系統(tǒng)必須保證在飛機飛行范圍內(nèi)有效地防止結(jié)冰。

2023/6/939NPU--ZhaoMing功能：渦輪是將高溫高壓燃氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芎蜋C械能的葉輪機械。氣流在渦輪中轉(zhuǎn)彎膨脹產(chǎn)生機械功從而帶動壓氣機、風扇、螺旋槳、直升機旋翼及附件傳動系統(tǒng)等。2023/6/940NPU--ZhaoMing渦輪部件的基本構(gòu)成轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)子葉片渦輪盤渦輪軸軸承系統(tǒng)、封嚴系統(tǒng)的構(gòu)件。

靜子部件：導(dǎo)向葉片（又稱靜子葉片、簡稱導(dǎo)葉）渦輪機匣軸承座承力機匣及各種靜子件；有葉片排的流道構(gòu)成了渦輪的主燃氣氣流流道；一排導(dǎo)向葉片及緊跟其后的一排轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)成一個渦輪級；多級渦輪是由多個渦輪級組成。含導(dǎo)向葉片排的組件稱為導(dǎo)向器；含轉(zhuǎn)子葉片的組件稱為工作輪。2023/6/941NPU--ZhaoMing軸流式渦輪和向心（徑向式）渦輪結(jié)構(gòu)類型：按燃氣流動的方向分為徑向式渦輪與軸流式渦輪。徑向式渦輪（又稱向心式渦輪）：燃氣通常由外圍流向中心。特點：級功率大，工作可靠性好。應(yīng)用：小型航空發(fā)動機、小型燃氣輪機等。軸流式渦輪特點：尺寸小，流量大，效率高。應(yīng)用：大型航空發(fā)動機、大功率的動力裝置等。

2023/6/942NPU--ZhaoMing渦噴6發(fā)動機渦輪部件組成：單轉(zhuǎn)子雙級軸流式渦輪，由轉(zhuǎn)子、靜子兩部分組成。渦輪轉(zhuǎn)子是懸臂不可拆卸的鼓盤式轉(zhuǎn)子，兩級轉(zhuǎn)子葉片借樅樹形榫頭安裝在相應(yīng)的輪盤上，并用鎖片固定。渦輪靜子由前后兩段組成，前段為能傳遞負荷的一級導(dǎo)向器，后段為具有雙層冷卻機匣的二級導(dǎo)向器。圖4-2渦噴6發(fā)動機渦輪部件2023/6/943NPU--ZhaoMing盤與軸連接的方式：不可拆式、可拆式

不可拆式：焊接、徑向銷釘、盤軸鍛制成整體件徑向銷釘優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，強度、剛度均較滿意，具有一定的熱節(jié)流作用。應(yīng)用：WP6WP7

2023/6/944NPU--ZhaoMing組成：渦輪機匣（渦輪外環(huán)或渦輪殼體）、導(dǎo)向器、渦輪的支承及傳力系統(tǒng)設(shè)計要求：(與壓氣機靜子相比)設(shè)計中要解決以下特殊矛盾(1)渦輪機匣除要求剛性均勻，不產(chǎn)生翹曲變形外，還要保證盡可能小的葉尖間隙，以提高渦輪部件的效率，又要保證工作時轉(zhuǎn)子與靜子不致碰壞。(2)導(dǎo)向器承受高溫燃氣沖擊，要處理好傳力和自由膨脹的問題。(3)在結(jié)構(gòu)上不僅要滿足導(dǎo)向器排氣面積的變化,而且要考慮熱應(yīng)力、熱疲勞、熱變形以及熱沖擊等的影響。

2023/6/945NPU--ZhaoMing渦輪機匣大多采用整體式。為了裝配方便，采用軸向分段。近代發(fā)動機采用單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般將高低壓渦輪劃分為兩個單元，因此渦輪機匣按高低壓段沿軸向劃為兩段。分段處采用圓柱面定心。有的發(fā)動機在裝配時靠千萬表調(diào)整所需的位置，再用精密螺栓固定（見圖4-32），有的發(fā)動機靠安裝邊上的緊度銷釘來定心（見圖4-33）。2023/6/946NPU--ZhaoMing渦輪機匣結(jié)構(gòu)分析的兩個主要問題：渦輪機匣與工作葉片之間的徑向間隙對渦輪效率影響很大。根據(jù)估計，一臺先進的雙級渦輪發(fā)動機若徑向間隙增加1mm，則渦輪效率降低約2.5%，將引起發(fā)動機耗油率增加約2.5%，所以在進行渦輪機匣分析時：1、要保證渦輪的徑向間隙沿圓周方向均勻分布；2、要盡量減小徑向間隙，又不使轉(zhuǎn)子與機匣發(fā)生碰撞事故。

2023/6/947NPU--ZhaoMing影響渦輪的徑向間隙的因素主要有：1、工作時由于離心力和熱膨脹引起葉片和輪盤的伸長；2、工作時機匣受熱膨脹及不均勻變形；3、高溫工作帶來轉(zhuǎn)子的蠕變伸長等4、轉(zhuǎn)子和靜子的偏心度（由于加工誤差、機匣剛性、支點徑向間隙、轉(zhuǎn)子重量造成下垂所引起）及橢圓和翹曲變形等；5、結(jié)構(gòu)型式帶來的工作中徑向間隙的變化。6、發(fā)動機工作狀態(tài)。

徑向間隙還隨發(fā)動機工作狀態(tài)的變化而變化.特別是當發(fā)動機過渡工作時，徑向間隙值取決于轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)速和溫度變化的響應(yīng)及靜子機匣對溫度變化的響應(yīng)速度。2023/6/948NPU--ZhaoMing

根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)，人為地控制機匣和轉(zhuǎn)子的膨脹量，使轉(zhuǎn)子與靜子的熱響應(yīng)達到較好的匹配，以保證徑向間隙最小，這叫做主動間隙控制技術(shù)，主動間隙控制技術(shù)的兩種形式：閉式回路、開式回路閉式回路：感受間隙、調(diào)節(jié)間隙開式回路：間隙按照預(yù)先給定的程序進行調(diào)整，調(diào)節(jié)的精度取決于預(yù)先給定的指令與具體結(jié)構(gòu)的措施。主動間隙控制裝置：氣動式、機械式氣動式：通過環(huán)繞在機匣外面的幾根導(dǎo)管向機匣噴射冷卻空氣，以控制機匣的膨脹。機械式：為RB211發(fā)動機可移動式葉尖間隙控制環(huán)，其特點是利用通道外壁的擴散形，通過一個搖臂使動葉外環(huán)做軸向移動，以調(diào)整葉尖間隙。2023/6/949NPU--ZhaoMing渦輪導(dǎo)向器功能：導(dǎo)向器的功用是使氣流的部分熱能變成動能，并以一定的方向流出，推動工作輪做功。組成：它是由內(nèi)、外環(huán)和一組導(dǎo)向葉片組成的環(huán)形靜止葉柵主要問題：高溫燃氣作用下，不作為承力件熱變形不協(xié)調(diào)，自由熱補償交變溫度、熱沖擊、熱疲勞、加溫冷卻設(shè)計要求足夠的強度與剛性；減小熱應(yīng)力；導(dǎo)向葉片不作傳力件；可分解的、便于制造和更換。材料：高溫合金結(jié)構(gòu)：實心葉片（鑄造方便、但葉片內(nèi)熱應(yīng)力較大）空心葉片(精鑄工藝復(fù)雜，但葉片的工作溫度較低、熱應(yīng)力較小)2023/6/950NPU--ZhaoMing第一級導(dǎo)向器設(shè)計要求：1、采用有效的冷卻措施：因為第一級導(dǎo)向器緊接在燃燒室的出口，工作溫度最高，溫度最不均勻，通常都采用有效的冷卻措施；2、支承形式：為了保證葉片具有足夠的剛性，采用了兩端與機匣（即雙支點）的結(jié)構(gòu)；3、可調(diào)排氣面積：第一級導(dǎo)向器的排氣面積對發(fā)動機的性能影響較大，因此要求較嚴、結(jié)構(gòu)上通常允許調(diào)整。導(dǎo)向葉片的聯(lián)接方式1、兩端自鉸支2、一端固定、一端鉸支3、葉片組：由兩片或更多片導(dǎo)向葉片固接在一起形成葉片組。2023/6/951NPU--ZhaoMing

渦輪是發(fā)動機中熱負荷和動力負荷最大的部件。隨著推重比的逐年提高，渦輪前進口燃氣溫度也逐年提高，不僅由于高溫材料性能的改進，更重要的是冷卻技術(shù)的提高。為了研究有效的冷卻技術(shù)，必須了解渦輪零件的溫度分布與熱應(yīng)力，以及它們與冷卻措施間的關(guān)系。

據(jù)統(tǒng)計，渦輪前溫度平均每年升高大約25℃，其中15℃左右是依靠冷卻技術(shù)的進步取得的。圖4-4-1燃氣溫度的逐年提高情況2023/6/952NPU--ZhaoMing典型零件的溫度分布與熱應(yīng)力

渦輪零件的工作溫度及其分布是確定零件熱應(yīng)力大小、高溫零件危險斷面位置和安全系數(shù)、高溫材料選用等的重要依據(jù)。

確定零件溫度分布的方法有兩種：計算法和試驗法。轉(zhuǎn)子葉片的溫度分布

由圖可見（當燃氣溫度沿徑向不變時），沿大部分葉高，溫度都是不變的，只有從距葉根1/3處開始，溫度才向葉根按立方規(guī)律下降。葉根溫度同輪盤的冷卻方式有關(guān)。2023/6/953NPU--ZhaoMing渦輪盤溫度的分布

燃氣中的熱量由轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)過榫頭傳到渦輪盤，因此輪盤邊緣溫度高、中心溫度低。當燃氣溫度=820-900度，采用徑向吹風冷卻的輪盤，輪緣溫度為500-600度，輪心溫度為200-400度，溫度隨半徑的變化規(guī)律大致按二次拋物線規(guī)律變化。輪緣處的溫度由葉片根部的溫度和榫頭中的溫降決定。2023/6/954NPU--ZhaoMing渦輪部件冷卻的目的1、提高渦輪前的溫度，進而提高發(fā)動機的性能2、降低零件工作溫度3、使零件溫度分布均勻，減小熱應(yīng)力渦輪部件冷卻原則1、需要冷卻的部件（根據(jù)材料和工作環(huán)境決定，一般情況下，第一級導(dǎo)向器葉片必須冷卻，輪盤一般不需要冷卻，榫頭處必須冷卻（榫頭吹風，熱節(jié)流），軸承必須冷卻）；2、從什么地方引入冷卻空氣；3、冷卻空氣最后的排出。下面對渦輪部件的冷卻系統(tǒng)、渦輪盤與葉片的冷卻方式分別進行分析。2023/6/955NPU--ZhaoMing渦輪部件的空氣冷卻系統(tǒng)主要冷卻對象是榫頭、輪盤、承力環(huán)、第一級導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)。根據(jù)被冷卻零件的工作溫度和冷卻系統(tǒng)的流動阻力確定從哪里引入冷卻空氣；根據(jù)冷卻后空氣的壓力和排氣系統(tǒng)的阻力確定如何排出。

盡管對渦輪部件采取了各種冷卻和結(jié)構(gòu)措施，但在高溫大負荷下，渦輪部件還出現(xiàn)較多的故障，如燒毀葉身、葉身因蠕變過大形成縮頸，葉身進、排氣邊緣裂紋等現(xiàn)象。

2023/6/956NPU--ZhaoMing引用冷卻空氣應(yīng)考慮的因素壓力：冷卻空氣通常是從壓氣機引出，不同級的空氣壓力是不同的。壓力的選定不僅要考慮“流阻”的影響，而且要考慮排放冷卻空氣處的空氣壓力。流量：冷卻空氣的流量由冷卻的要求決定。溫度：冷卻空氣溫度應(yīng)該低于冷卻對象的工作溫度。清潔：冷卻空氣必須是干凈的。整個冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要求：1、冷卻的有效性；2、對發(fā)動機的主流道的流動影響盡可能??；3、構(gòu)造簡單、工作可靠；4、轉(zhuǎn)子軸向力的調(diào)整。

2023/6/957NPU--ZhaoMingWP6發(fā)動機渦輪部件冷卻系統(tǒng)圖冷卻渦輪的空氣由燃燒室兩股氣流中分兩路引來。一路由后機匣（即燃燒室外殼）及第一級導(dǎo)向器外環(huán)前安裝邊上的180個小孔A引入，一部分空氣去冷卻第一級導(dǎo)向器葉片及其內(nèi)腔的拉桿襯筒，另一部分空氣冷卻渦輪外環(huán)，并對其起隔熱作用；2.另一路從軸承機匣及隔熱筒之間引入，經(jīng)承力腹板及導(dǎo)氣盆上的通氣孔去冷卻第一、二級輪盤及第一、第二級葉片榫頭。冷卻后的空氣進入燃氣流中。2023/6/958NPU--ZhaoMing渦輪盤的冷卻渦輪盤的受熱主要來自燃氣和轉(zhuǎn)子葉片的熱量，由輪緣傳向輪轂。常用的冷卻方式為：1）空氣沿輪盤側(cè)面徑向吹風（氣流的流動方向可分為由里向外、由外向里兩種）。2）空氣吹過葉片根部或榫頭的裝配間隙。2023/6/959NPU--ZhaoMingWP7渦輪盤冷卻氣流圖冷卻空氣沿輪盤的前面由里向外徑向吹風，但前后端面的冷卻空氣是串聯(lián)的，因此冷氣產(chǎn)生較大溫升，冷卻效果減弱。P29渦輪盤冷卻氣流圖。在P29發(fā)動機中輪盤前后端均采用由外向里的空氣冷卻流路，形成兩股并聯(lián)的流路。這樣可以減小輪緣與輪轂之間以及盤孔前后端面之間的溫差。

2023/6/960NPU--ZhaoMing2023/6/961NPU--ZhaoMing渦輪葉片的冷卻

渦輪葉片的冷卻按冷卻空氣在葉片內(nèi)部的流動狀況與流出方式的不同加以區(qū)分，通常有下列幾種方式；對流冷卻：冷卻空氣從葉片內(nèi)若干專門的通道流過，通過與壁面的熱交換，將熱量帶走，從而使葉片溫度降低。噴射式冷卻：使一股或多股冷卻氣流射流正對著被冷卻的表面，強化局部的換熱能力，增強冷卻效果，實質(zhì)上還屬于對流冷卻。氣膜冷卻：在葉片表面形成一層氣膜，將葉片表面與高溫燃氣隔開。發(fā)散冷卻：冷卻空氣從葉片內(nèi)腔通過葉片壁面上無數(shù)微孔滲出，一方面從壁面上帶走熱量，另一方面在葉片表面上形成一層氣膜，將葉片與燃氣隔開達到冷卻目的。（兼有對流冷卻和氣膜冷卻的效果）

2023/6/962NPU--ZhaoMing主燃燒室的功能：用來將燃油中化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢簹鈾C增壓后的高壓空氣加熱到渦輪前允許溫度，以便進入渦輪和排氣裝置內(nèi)膨脹做功。燃燒室的設(shè)計要求1、在發(fā)動機正常工作狀態(tài)下，保證混合氣穩(wěn)定而完全地燃燒；2、出口的燃氣溫度場沿圓周要均勻，沿葉高應(yīng)保證按渦輪要求的規(guī)律分布；3、足夠的強度與剛性，良好的冷卻，可靠的熱補償；4、外殼尺寸和重量要小，有著高的容熱強度；5、結(jié)構(gòu)要簡單，有良好的使用性能；6、在任何飛行條件下，應(yīng)能迅速和可靠地起動點火。2023/6/963NPU--ZhaoMing工作條件：(非常惡劣)燃燒是在高速氣流及貧油混合氣的條件下進行的；燃燒室的主要組件是在高溫大負荷燃氣流中工作的。如何保證燃燒室工作穩(wěn)定且燃燒完全呢？1、采用“空氣分股”或“火焰筒分區(qū)”的措施來解決穩(wěn)定燃燒和渦輪前允許溫度對混合氣成分要求不一致的矛盾。即在燃燒室局部區(qū)域（火焰筒前段燃燒區(qū)）內(nèi)造成適宜于穩(wěn)定燃燒的條件。2、采用“擴壓減速”和“反向回流”的措施來解決穩(wěn)定燃燒和外廓對氣流速度要求不一致的矛盾，(在流速普遍大的區(qū)域內(nèi)，造成局部的低速區(qū)，以保證穩(wěn)定燃燒)。3、在燃燒室內(nèi)形成非均一的混合氣，以適應(yīng)飛行條件和工作狀態(tài)的變化。2023/6/964NPU--ZhaoMing燃燒室的組成：進氣裝置（擴壓器)殼體火焰筒燃油噴嘴點火器等燃燒室的基本類型：分管（單管）環(huán)管環(huán)形燃燒室2023/6/965NPU--ZhaoMing2023/6/966NPU--ZhaoMing2023/6/967NPU--ZhaoMing排氣裝置：指渦輪或加力燃燒室以后組織排氣的構(gòu)件，其組成和結(jié)構(gòu)方案取決于發(fā)動機和飛機的類別及用途。組成：尾噴管（發(fā)動機必不可少的一個部件），反推力裝置、消音裝置（根據(jù)發(fā)動機和飛機的特殊需求而設(shè)置）。對于渦扇發(fā)動機來說有兩種排氣裝置：分別排氣、混合排氣。內(nèi)、外函分別排氣裝置又分長函道和短函道。采用混合排氣一般可使風扇發(fā)動機的耗油率和噪音降低。2023/6/968NPU--ZhaoMing

WP5發(fā)動機的尾噴管為不可調(diào)節(jié)的收斂型尾噴管中介管殼體4、整流錐5、和噴口主體11都用1mm厚的1Cr18Ni9Ti鋼板焊成。外殼前段有一層夾壁，形成空氣加溫套6。

2023/6/969NPU--ZhaoMing航空發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)是指發(fā)動機各大部件所受負荷的傳遞方案及具體結(jié)構(gòu)。主要討論發(fā)動機轉(zhuǎn)子的支承和連接，以及靜子承力系統(tǒng)和承力機匣及承力構(gòu)件，具體來講就是：轉(zhuǎn)子支承方案轉(zhuǎn)子之間的連接——聯(lián)軸器靜子承力系統(tǒng)及承力構(gòu)件發(fā)動機在飛機上的固定發(fā)動機總體設(shè)計的主要要求：要保證各大部件承受負荷的方式和傳遞負荷的路線合理；在保證轉(zhuǎn)子具有足夠的剛度和強度的條件下，重量輕、尺寸??；結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便；單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計。2023/6/970NPU--ZhaoMing發(fā)動機轉(zhuǎn)子：由壓氣機轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子和聯(lián)接這些轉(zhuǎn)子的零件（聯(lián)接件）所組成。發(fā)動機轉(zhuǎn)子上所受負荷（如氣體軸向力、重力、慣性力及慣性力矩等）都由支點承受，并經(jīng)過發(fā)動機的機匣傳遞到發(fā)動機的安裝節(jié)。轉(zhuǎn)子支承方案要解決的主要問題轉(zhuǎn)子需要幾個支點；支點如何配置；支點形式如何確定轉(zhuǎn)子支承方案的設(shè)計要求保證轉(zhuǎn)子的橫向剛性；可靠地承受轉(zhuǎn)子負荷；結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便單轉(zhuǎn)子支承方案：四支點三支點兩個支點2023/6/971NPU--ZhaoMing單轉(zhuǎn)子支承方案——四支點

1—3—0轉(zhuǎn)子支承方案（J47）轉(zhuǎn)子支承方案的表達方式:a—b—c1—3—0四支點支承方案2023/6/972NPU--ZhaoMing單轉(zhuǎn)子支承方案——三支點1-2-0(WP6)2023/6/973NPU--ZhaoMing單轉(zhuǎn)子支承方案二支點（1—