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压气机

涡扇发动机的压气机部件

目录

1概述

2压气机的分类以及结构特点

2.1

2.2

2.3

2.3.1

2.3.2

2.3.3

2.3.4

2.3.5

3压气机的工作原理

3.1离心式压气机的工作原理

3.2轴流式压气机的工作原理

4压气机的材料

5

6压气机常见故障的诊断以及维修

谢　辞

参考文献

附录

1概述

发动机是飞行器的“心脏”，是在高温、高压、高转速的恶劣环境下长期反复使用的热力机械，对飞行器的性能具有极其重要的作用。

航空发动机技术历来是世界军事强国优先发展、高度垄断、严密封锁的关键技术，是一个国家军事装备水平、科技工业实力和综合国力的重要标志之一。

目前，世界上只有美、俄、英、法等少数国家具有设计、生产航空发动机的能力，以前我国的发动机生产基本上都是购进前苏联的然后进行仿制生产，现在我国的发动机设计与研制有了一定的起色，但还处于处于初期的发展阶段，前进之路苦难重重，并且有很长的路要走。

航空发动机主要包括活塞发动机、涡轴发动机、涡桨发动机、涡喷发动机和涡扇发动机等几个类型。

活塞发动机目前主要是用做低成本无人机和初级教练机的动力装置；涡轴发动机是直升机的动力装置；涡喷、涡扇发动机则是航空发动机的主体，广泛用于战斗机、大型运输机和客机。

压气机是发动机的一个重要部件，它接受涡轮的输出功对流过它的空气连续做功，从而提高空气的压力，本文主要以涡扇发动机的压气机为主线对发动机的压气机部件做一些系统的介绍和讲解。

2压气机的分类以及结构特点

根据压气机的结构形式和气流的流动特点，可以把它分为轴流是和离心式两种，以下就对这两种压气机做重点介绍和说明

2.1离心式压气机

离心式压气机（如图13-1）是一个单级或二级装置，用叶轮加速空气，用扩压器来提高空气压力，离心式压气机通常比轴流式压气机更结实，也比较容易制造，由于结构简单的特点它被小型发动机所采用。

离心式压气机有单面或双面叶轮，有时采用双级单面叶轮。

叶轮支撑于机匣里面，机匣还包容一圈扩压器导向叶片。

如果采用了双面进气叶轮，流向后侧面的空气流要逆向进入叶轮，并需要一个稳压室。

离心压气机主要是由叶轮、扩压器和进气系统组成。

叶轮含有一个锻造的盘，在一侧或两侧有整体式径向配置的导向叶片（如图13-1所示），与压气机机匣一起形成了收敛通道。

导向叶片可以是后掠的，但为了易于制造，通常采用径向平直导向叶片。

为了使空气从进气道中的轴向气流易于进入旋转的叶轮，叶轮中心部分的导向叶片做成向旋转方向弯曲。

弯曲部分可以与径向导向叶片为一整体，或者单独制成，以使制造更加容易和更为精确。

扩压器组件可以和压气机机匣制造成一个整体件，或者是一个单独连接的组件。

扩压器组件上有许多导向叶片，这些叶片做成与叶轮相切。

导向叶片通道呈扩张型（如图13-4所示），以便将动能转换成压力能。

叶轮与扩压器之间的间隙是一个重要的参数，因此此间隙太大，漏气会过多，压气机效率就低，间隙太小会形成空气动力抖动冲击，此冲击会传给叶轮，造成气流不稳定以及振动。

2.2轴流式压气机

轴流式压气机（如图13-2和13-3所示）是一个多级装置，用交替布置的一排排旋转的（转子）叶片和静止的（静子）叶片来加速空气并使之扩压，直到达到要求的压力。

在某些情况下，尤其是在小型发动机上，用一个轴流式压气机来给离心压气机的进口气流增压。

轴流式压气机比同样迎面面积的离心式压气机吸入多得多的空气，并能从设计上得到高得多的增压比。

因为空气流量是决定推力大小的一个重要因素，这意味着在同样的迎面面积条件下，轴流式压气机将产生更大的推力。

再加上通过增加压气机级数就能增加增压比（高增压比改善了效率，并进而改善发动机给定推力下的耗油率）的这种能力，使得大多数发动机设计采用轴流式压气机。

轴流式压气机是由一个转动件和一个静止件组成的，如图13-2、图13-3所示。

转动件（又称为转子或工作叶轮）包括转子叶片（或称为动叶、工作叶片）、轮盘和轮轴，静止件（又称为整流环、导流环）包括静止叶片（或称为静叶、整流叶片、导流叶片）和机匣。

一个工作叶轮和一个位于其后的整流环称为轴流式压气机的一级。

有的压气机在第一级之前还装有由一排固定的或可调节的进口导流叶片组成的导流环。

轴流式压气机的级增压比较小，目前使用的一般为1.2~1.6，而整台压气机的总增压比要高得多，可达7~30，所以轴流式压气机都是由多级组成。

下面对轴流式压气机的结构部件进行详细的介绍。

2.2.1转子

在压气机设计中，要考虑轮盘旋转所承受叶片离心载荷的能力。

在许多盘装在同一根轴上时，可以用机械固定方法将他们连接并固定到一起。

一般先将几个盘装配起来，并在其靠近外圆处焊接在一起，从而形成一个整体鼓筒。

转子叶片固定到盘上的典型方法如图13-5所示。

固定是可以沿周向或者轴向，目的是使固定方法加于支持它的盘上的载荷尽量小，从而尽量减轻盘的重量。

大多数压气机的叶片是独立分开的，以满足制造和可维护性要求，但是，小型发动机多采用整体式叶盘。

2.2.2转子叶片

转子叶片呈翼型截面形状（如图13-6所示），通常设计成沿其长度方向有一定压力梯度，以保证空气维持一个比较均匀的轴向速度。

通过将叶片从叶根向尖部“扭转”，使得叶片每一点都具有合适的迎角，并且空气压力由叶根向叶尖方向逐渐升高来抵消转子旋转的离心作用。

流过压气机的空气在内外壁面处产生两个边界层，一直将气流减慢到滞止的程度。

为了补偿边界层中的缓慢气流，在叶片的尖部和根部局部增加了叶片的弯度。

叶片最终的形状看起来像是其每个角都是被扭转形成的。

2.2.3静子叶片

静子叶片也呈翼型截面形状，固定在压气机机匣中，或者固定到静子叶片保持环中在将这些环本省固定到机匣上（如图13-7所示）。

在前几级中，静子叶片常常成组的装配，并在其小半径一端加有凸台，以尽量减轻气流变化对较长叶片产生的振动影响。

对静子叶片还必须锁定，不让它们沿机匣转动。

2.2.4工作状态

多级压气机的每一级都具有一定的流量特性，而且与其相临级的不相同。

因此，要设计一台有效工作的压气机，每一级的特性都必须经过精心的匹配。

对于给定（设计流量、增压比和旋转速度）状态的设计是比较简单的，但要使压气机在发动机在发动机整个使用包线内都能完全匹配工作就困难得多了。

如果压气机叶片的工作状态偏离设计状态过多，气流分离和/或者空气动力诱导的振动就会发生。

这种状态通常就是下述两种形式中的一种：

转子叶片可能因为空气相对叶片的迎角太大（正迎角失速）或者太小（负迎角失速）而失速。

正迎角失速通常是前面的压气机级在低速下发生的问题，而负迎角失速通常是在后面的压气机级在高速下发生的问题。

失速可能导致叶片振动，振动又会诱发发动机迅速破坏。

如果发动机进气攻角偏离设计状态太严重，就会发生“喘振”。

在这种情况下，通过压气机的气流会出现瞬时分离，燃烧系统中的高压空气被拥推向前而穿过压气机，并伴有“呯”的一声巨响和发动机推力的损失。

因此压气机的设计要留要适当的裕度，以防止发动机喘振的发生。

2.2.5空气流量控制

当要求在单轴上实现高增压比时，就必须在压气机设计中采用流量控制。

控制形式可以是在第一级上安装可调进气导向叶片，此外，随着该轴上增压比的提高，在随后的一些级中也可采用可调静子叶片（如图13-8所示）。

当压气机转速低于设计值时，这些可调导叶逐渐关小，以使空气流到后面转子叶片上的角度合适。

也可以设置额外的级间放气，但是，目前级间放气在压气机设计中的使用通常限于在发动机加速时提供额外的裕度。

放气方式通常有液压式、气压式和电子是3种。

在多级轴流式压气机中，由于各个级在整个流程中所处的位置不同，它们的几何尺寸和进口参数是各不相同的，因而形成了多级轴流式压气机的结构特点。

（1）压气机的环形通道面积逐级减小

压气机从前往后，即从低压端向高压端，随着压力逐级增高，空气密度沿压气机轴向不断增加，为保持一个接近恒定的轴向气流速度，要求转子与静子机匣之间气流的

环形通道面积逐渐减小。

减小环形通道面积的方法有4种：

一是外径不变，内径逐渐增大；二是内径不变，外径逐渐减小；三是平均半径不变，即外径逐渐减小，内径逐渐增大；四是等外径和等内径的组合形式。

外径不变的优点是：

轮缘圆周速度大，加工量大，因此压气机级数可以减小，重量可以减轻，但是，对于高增压比的压气机，特别是当空气流量较小时，后面一些级的叶片长度太短，因而这些级的效率以及整个压气机的效率均会降低。

内径不变的优缺点正好与外径不变的相反。

综合形式的通道可兼具上述两种形式的优点，但加工较难。

平均半径不变的方式受制造、安装及其他机械设计因素的影响，不常采用。

随着环形通道面积的逐渐减小，叶片高度相应的逐渐减小。

（2）叶片的弦长逐渐减小

为了减小压气机的轴向长度，再不影响叶片强度的条件下，最好缩短叶片的弦长。

由于后面几级的通道面积减小，叶片较短，工作叶轮旋转时叶片的离心力也就比较小，这样叶片的弦长可以做得逐级减小。

（3）叶片的数目逐级增多

弦长缩短后，叶片通道对气体的约束减小，气流就不易完全沿着叶片所引导的方向流动，空气在工作叶轮中的纽速逐渐减小。

为了使后面几级对气体所做的功不至减小，必须增多叶片数目。

3压气机工作原理以及气动实验

3.1离心式压气机的工作原理

叶轮由涡轮驱动高速旋转，空气连续地吸入叶轮的中心。

离心力的作用使空气沿导向叶片径向向外流向叶轮尖部，从而使空气加速，并造成压力升高。

发动机进气道上也可装导向叶片，用以给进入压气机的空气提供初始旋流。

空气离开叶轮后进入扩压器段，通道呈扩张形，将大部分的动能转化成压力能，如图13-9所示。

实际上，通常将这种压气机设计得大约一半压力升高发生在叶轮中，另一半在扩压器中。

为了尽量提高通过压气机的空气流量和压力升高，要求叶轮高速旋转。

因此叶轮设计在高达500m/s的叶尖速度下工作。

通过在这样高的叶尖速度下工作，增大了从叶轮流出的气流速度，于是得到的可转换成压力的能量就更多了。

为了保持压气机的效率，必须防止叶轮和机匣之间漏气过多，将它们之间的间隙保持尽量小即可达到此目的。

3.2轴流式压气机的工作原理

发动机工作时，压气机转子由涡轮带动高速旋转，于是空气被连续不断地引入压气机，旋转着的叶片使空气加速，并将其推向后面的静子叶片。

转子传给空气的能量使压力升高，并提高了空气的速度。

然后，空气在随后的静子通道中减速（扩压），将动能转换成压力，并由静子叶片对空气流向进行矫正，使空气以适合的角度流到下一级转子叶片上去。

最后一排静子叶片通常起空气矫直器的作用，除去空气的旋流，然后使之以比较均匀的轴向速度进入燃烧室。

气流通过压气机时，压力逐渐提高，速度基本保持不变。

随着空气压力的提高，空气温度也逐渐升高。

压气机的增压比增加得越多，保证它在整个转速范围内有效工作就越困难。

这是因为在高转速情况下，当压气机转速，也即增压比降低时，出口面积变得相对于进口面积而言太小，也即前面几级中进口空气的轴向速度相对圆周速度太小，这就改变了空气流到叶片的迎角，并达到气流分离和压气机流量下降的程度。

在单转子压气机达到高增压比时，可在压气机上采用前几级可调静子叶片或者中间级放气的方法。

可调静子叶片把空气流到转子叶片上的迎角矫正到这些叶片能够容忍的程度。

放气方法是将压气机的一部分空气从中间级放走，虽然这种方法可以矫正气流的轴向速度，但是浪费了能量。

对于双转子压气机来说，低压压气机相当于但转子压气机的前几级，高压压气机相当于单转子压气机的后几级。

由于双转子压气机具有使得低压压气机和高压压气机的轴向速度分别与各自的圆周速度自动趋于协调一致的能力，所以得到了广泛采用。

3.3压气机的气动试验

在航空发动机中，轴流式压气机具有最广泛的应用。

这种压气机是由一系列形状相似的扩压叶栅组成的，其叶身的横截面随半径的变化是与速度三角形的径向变化相适应的。

通常认为这种叶片的任意一个指定基元截面的特性是与具有相同几何形状的静止叶栅数据和压气机实验经验三者的综合产物。

压气机试验在指导研究和设计生产压气机方面、鉴定目标压气机的有效性以及确定压气机的改进效果是基础性的，是非常重要的研究工作，是检验设计的基准。

从理论上必须进行压气机实验的理由是：

（a）气流附面层的复杂性；旋转叶片上附面层的稳定性难以预测。

（b）非设计点气流性质很难预测。

（c）压气机稳定性分析不精确。

（d）跨声速流难以精确描述。

（d）机械问题引起的气动力学问题，例如非失速叶片颤振和旋转失速共振均难以预测。

实际上，除流量预测受附面层的影响较小外，其他诸如流动稳定性、效率和机械稳定性的预测均受附面层的重要影响和控制。

另外，过渡过程的流畅分析更是复杂的问题。

压气机试验可分为验证性试验和发展性试验。

其具体可分为如下所述的两类。

（1）叶栅性能试验

叶栅性能试验包括片面叶栅吹风试验，环形叶栅吹风试验和旋转叶栅试验。

叶栅性能试验是获取叶型、叶栅的气动特性、研究叶栅通道中气流流动和其特性，为压气机的叶栅和叶形设计及改进设计提供数据。

试验一般是在平面叶栅风洞上进行的。

研究三维流动和端壁效应等复杂流动对叶栅叶型性能影响时，要在环形叶栅或旋转叶栅试验设备上进行。

（2）压气机性能试验

压气机性能试验包括全尺寸压气机试验、模型压气机试验和研究性压气机试验。

压气机性能试验通过录取压气机特性来研究压气机内部流动机理，并进行压气机性能调试和诊断。

试验时进口状态可以模拟大气进气条件，负压、加气加压和畸变进行等。

通常选择全尺寸压气机试验，若因试验设备功率不够，则可以选择缩尺模型压气机试验；若进行基础理论性研究的压气机试验，则要选择低速大尺寸模型试验或缩尺寸模型试验。

（3）压气机试验

压气机试验包括：

A录取压气机的总性能和基元叶片性能。

B测定压气机的稳定工作边界线，确定压气机的喘振裕度。

C测取压气机进出口气流参数场和压气机壁面静压沿流程的分布。

D进行压气机性能调试和诊断。

根据上述试验结果来判断压气机是否达到压比、流量、效率和喘振裕度的设计指标，为修改设计提供数据。

材料

机匣材料要求重量轻而刚性好，能保持高精度转子叶片尖部间隙，以保证尽可能高的效率。

为达到这些要求，压气机的前部使用铝合金。

因为压缩空气温度提高，压缩机的后面几级在温度方面要求提高，因此后面级常使用合金钢或钛合金，甚至需要采用捏基合金。

目前，钛合金由于刚性密度比高，在军用发动机上被广泛采用。

静子叶片通常采用钢或者镍基合金制造，主要要求是在受到吸入物击伤而出现“沟槽”时仍具有高的疲劳强度。

较早的设计采用铝合金，但是铝合金承受击伤的能力不够。

在转子盘、鼓筒和叶片设计方面，离心力是主要的，要求材料具有最高强度密度比，这能减轻转子组件重量，以减小对发动机结构的作用力，进而进一步减轻重量。

尽管钛合金初始成本高，但钛合金取代了早期设计中所采用的钢合金。

随着承温能力更高的钛合金被研制成功，它们正在逐渐取代镍基合金用于压气机后端盘和叶片。

只有钛合金得到应用后，高涵道比风扇叶片（如图13-10所示）的设计才成为可能。

离心叶轮对材料的要求与轴流式压气机转子类似，通常采用钛合金材料，具有足够的抗吸入物的能力。

注意

压气机转子或叶轮的平衡是其制造中一项极为重要的工作。

鉴于高的旋转速度和材料的重量，任何不平衡都会影响旋转组件的轴承和发动机的工作。

压气机转子或叶轮的平衡需要在专门的平衡机上进行。

4压气机的故障分析及解决办法（主要以叶片为主）

压气机是航空发动机的主要组成部分，叶片是压气机的重要零件之一，由于功能的关系，其所处的工作环境是十分严峻的。

受有较高的离心负荷、高温和大气温差负荷以及振动的变交负荷等，使叶片容易产生故障。

压气机叶片还受发动机进气道外来物的冲击，受风沙、潮湿的侵蚀；涡轮叶片受燃气的腐蚀和高温热应力等。

这都使叶片故障大大增多。

航空发动机中，叶片故障占有相当大的比率，根据统计振动故障占发动机总故障的60%以上，而叶片故障又占振动故障的70%以上。

叶片的故障和故障模式随不同的工况环境影响有所不同。

常见的故障现象有：

外物损伤，强度不足和高低周疲劳损伤。

这其中以疲劳损伤为多。

4.1外物损伤极其故障模式

叶片受外来物冲击而导致的损伤称为外物损伤。

外物损伤也可扩展为环境损伤，其故障模式有：

外来物打伤打伤导致的压痕、滑道、掉块、挠曲、变形和裂纹等；环境影响导致的麻点、腐蚀、剥落和表面积尘等。

这些故障模式往往成为叶片挠曲、断裂等重大故障的初因。

较严重的外物损伤故障也会使叶片报废。