燃气轮机的压气机.docx

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燃气轮机的压气机

燃气轮机的压气机

概论

      在燃气涡轮发动机中，，在空气进入涡轮膨胀作功之前是由离心式或轴流式压气机先预先压缩的。

两种压气机都是由涡轮机驱动的传动轴带动的。

      离心式压气机是一种由叶片转动带动空气加速后再由扩压器将空气扩压到预定压力的一级或二级增压的压气机，而轴流式压气机（图3-7和图3-8）是一种由多级静动叶相间组成的多级压气机。

在动静叶中，空气加速、扩压，以达到预定的压力。

      比较两者之间的优缺点，离心式压缩机比轴流式压缩机可靠，而且结构简单、制造加工方便。

而轴流式压气机在相同的迎风面积上，比离心式压气机流量更大，而且增压比更高。

因为空气流量是影响推力大小的一个重要因素，所以轴流式压气机更适合迎风面积确定下的大推力发动机。

因为前述因素，加上可以确定增加级数提高增压比，所以轴流式压气机被绝大多数发动机采用。

但是在小型发动机上，可靠性高和结构简单的离心式压气机的突出优点是其选择的重要原因。

      对轴流式压气机而言，提高增压比可以有效降低燃料空气的消耗比，所以轴流式压气机提高增压比是其努力的方向

离心式压气机

　　离心式压气机有单面或双面、双级增压等型式，Roll-RoycleDart型使用的是单面增压型。

压气机罩内，除了叶片外还有环型扩压片。

对双吸式叶片，为了防止气流进入另侧还应有导向叶片和集流器。

　　运行原理

　　叶片由沃轮机传动轴带动，空气由叶片机中轴吸入叶片内，离心力使空气向叶片边缘流动，同时使空气加速，并且可以提高一定的压力。

在发动机进气道内有时也会装有导向静叶，使空气在进入压气机前先预旋。

　　空气离开叶片后，进入蜗壳扩压器内，将速度水头转化成压力水头，如图3-3所示。

实际上离心式压气机采用叶片扩压和扩压器扩压各进行了一半的扩压量。

　　为最大可能地将空气流在压气机内加压，要求叶片高速旋转。

然而叶片的最高速度只有1600FT/S。

在这样的高速下空气在叶片内加速后的速度水头就有可能转化成压力水头。

　　为提高扩压器的效率，就必须仔细控制叶片和压气机壳之间的叶间余隙，必须尽可能缩小叶尖余隙。

　　结构

　　以叶轴为中心，压气机的结构是叶片、扩压器和空气进气道成环行分布。

叶片转轴安装在滚子和滚轴轴承上与涡轮传动轴相连，一般从水平中轴面剖开，通过螺栓配合装配。

这样的形式便于安装。

　　叶片

　　离心式压气机叶片是一个整体铸造或锻造的单或双面具有轮辐分布的渐缩流道叶片的，安装在压气机内的圆盘。

叶片通常情况下是后掠式的，但是考虑到直的比较容易制造，所以有时也采用直的叶片。

为了能够使空气沿进气道尽可能无流阻损失流进压气机，叶片在叶根处一般为曲线用以导流，曲线叶片有时与轮辐叶片整体加工制造，有时考虑到加工工艺的简化和制造加工精度会分开加工。

　　扩压管      扩压管有可能是压气机外壳内衬的一个整体部件，也有可能是单独安装的部件。

实际上扩压管是一组正切叶片圆的静叶。

静叶流道向外成渐扩管分开。

用以将流体动能转化成势能。

其内边缘正对者叶片旋转圆的叶片流体出口。

在动叶与静叶之间的叶尖余隙是非常重要的影响因素，太小的叶尖余隙会造成空气动力学振动，进而导致叶片内的空气失速振动。

轴流式压气机

　　轴流式压气机（图3-7和兔3-8）是由多级叶片单转子或多转子组成的。

转子跨放在安装着多级静叶的压气机外壳上的轴承。

压气机的多级小压缩比压缩机最终形成多级高压缩比。

每个级是由一个高速转子带动的叶片以及随后的一级静叶组成的。

因为在同一根转子上的动叶是分成几组不同形式的动叶组，所以必须要对相应的静叶的迎角作出修改以适应其低工况转速时运转，提高效率。

随着压力比率的增高，可导静叶使气流导向下一级的动叶时，其叶片迎角控制在根据气流控制参考抛物线30得到的最佳迎角。

      从压气机前部到后部，换言之，从低压段到高压段，动静叶之间的流通截面积逐渐缩小。

这是因为随着压气机的深度，空气的轴向密度逐渐升高，而如果空气流速要不变，只能逐步缩小流通截面积。

为了达到逐步缩小流通截面积的目的压气机外壳或转子的直径逐步缩小形成锥管状。

当然两者同时缩小是可以的，但是这会带来加工工艺和其他机械部件的安排问题。

　　单转子压气机中有一个动转子和一个由多级静叶组成的静子组成。

多级动静配合可以达到设计的增压比。

单转子压气机的空气全部流进压气机。

　　双转子压气机中由两个或多个转子部件组成，每个都具有其独立最佳转速的涡轮传动轴带动。

这样的设计可以使压气机有更高的压缩比而且更适合多工况运行。

　　虽然双转子压气机可以应用于单纯的涡轮喷气发动机，但是双转子压气机更适合于带动前置低压风扇的涡扇发动机。

前置风扇可以提供更大的空气流量，仅有部分的空气经低压压气机进入高压压气机而剩余的空气从围绕着高压压气机外壳以外的外涵道流过，内外涵道的流体在流出推力喷管前在排气系统中混合。

这样的设计更加匹配航空器的最佳喷气速度并且有极高的推力比效率。

正因为这种原因，单纯的涡轮喷气热力循环发动机现在除了高空高速飞行器外基本都已经不用了。

      随着大涵道比的涡扇的发展，其趋势是采用一级风扇。

空气在内外涵道分流前仅经过一级风扇增压，并且内外涵道的分流比为1：

5（如图3-8所示），这种压气机更适合于高亚音速的客机或货机，风扇一般匹配于核心压气机的前几级（双转子发动机）或独立的涡轮转子带动（三转子发动机）。

结构      压气机的结构基本都是围绕在转子装配和外壳上。

转子轴基本上都安装在滚子、滚轴轴承上，通过可以容许任何微小的不同心度的方式连接。

而圆柱形的外壳，可以用许多的螺栓通过轴向连接接头固定连接。

将每级压气机的外壳轴向连接，或者是将整个外壳水平剖分成上下两块部件，利用螺栓从中间用连接接头连接组合，这两种或是其他组合方式的目的是将外壳沿转子包围装配。

　　转子

　　在压气机设计时，转子的运转速度必须使转子盘鼓能够承受叶片的离心力载荷，许多的盘鼓是由一种拉杆锁紧后在转轴上配对安装的。

但是一般来说盘鼓本身是装配或焊接在一起的在盘鼓的，在最后形成一个整体的鼓盘。

典型的动叶叶片在鼓盘上的锁紧方式在图3-11上显示。

锁紧装置可能是圆盘的挡板或是轴向的螺栓，这主要取决于该压缩级的要求，而一般的设计锁紧装置的目的是要减轻对转子鼓盘的载荷同时尽可能减轻鼓盘重量，然而大多数压气机设计时都将叶片分装，以便于加工和满足设计要求。

这就使得难以设计一种可以满足微型发动机的实际可行的锁紧装置。

但是这种叶片可以通过一种成为blisk的鼓盘整体加工的方法加工出来。

　　动叶叶片

　　动叶叶片叶型是机翼剖面，通常设计成沿机翼方向有一定的压力梯度来推动空气以合适的流速增速，沿叶高方向的压力梯度用以平衡动叶高速旋转带来的空气离心力影响，因为上述两种原因，叶型沿叶高方向通常是扭曲的因为沿叶高方向的流体迎角是变化的，流体在沿叶型流动时，叶背和叶腹处都会形成低速的附面层，为了补偿因此造成的流动损失，从叶根沿叶高到叶尖采用了下面的方法，即在叶型缘利用末端扭曲的方法。

　　静叶叶片      静叶叶片的叶型也是机翼叶型，静叶通常锁紧固定在压气机罩上或是在专门的静叶安装圈上，然后再安装到压气机壳上。

静叶通常都是一级的前叶片，所以通常有导流以减轻其尾流形成的振动，这样就必须有相应的锁紧装置防止静叶圈随转子在压气机壳上转动。

　　材料

　　材料的选定主要根据其能否满足设计要求，在实际使用中，航空发动机设计要求使用的部件在满足技术设计时的载荷和温度要求情况下在安全条件允许时尽可能减轻重量。

　　对于压气机外壳设计选择的材料硬度要求较高，以满足不易变形的要求，以尽可能缩小压气机叶尖间隙，提高效率。

根据这一要求在温度增加不太高的前几级，可以使用铝制材料来代替合金钢，但是在压气机的后几级中，由于温度的限制不得不选择高温工作性能较好的镍制合金钢。

随着现代加工工艺的发展，部件的加工效率相对于以前已经提高到一个可以接受的水平。

　　静叶的叶片一般是由钢制或镍制合金钢制成的，以满足其高疲劳载荷系数的要求。

早期的设计采用的是特制铝合金，但是铝合金的抗疲劳载荷性能不好，应次很快就淘汰了，钛制合金适用与于压气机前几级的静叶叶片，但是由于其受高温高压的限制也不能应用于压气机末几级的静叶叶片。

因为在高温下受热传导，钛合金具有高延展性，可能会使静叶与转子发生摩擦进而导致断裂和事故。

在转子的鼓盘和动叶部件上，巨大的离心力要求材料具有高比强度，这样可以在减轻转子重量的同时又可以提高抗拉强度。

所以钛制合金成为了满足这一要求的可以替代早期钢制部件的良好材料。

随着高温钛合金的出现以经可以用它来制造机匣和叶片，代替早期的镍制部件。