南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人：能 源与动力学院 宋迎东
３ 压气机
３.１ 概述
(1) 功用
利用涡轮传来的旋转机械功，提高流过气体的压力，以提供发动机工作时所
需要的压缩空气。
(2) 结构形式
1)按气体流动方向
轴流式
离心式
混合式(前轴后离)：
2)按转子数目
单转子
多转子(双或叁)── 前级可用作风扇和增压压气机── 改善起动性与防
喘
(3) 基本设计要求
1)在满足总体性能与可靠性(强刚度与耐久性)要求的条件下， 力求紧凑、
轻 (注意它们间的相对性，通过平衡、协调，以实现综合指标先进)。
2)具有较宽的工作范围：
A.增设附属装置；
B.改进参数选择 (级压比)
3)工艺性与维护性(叶片多)。
(4) 组成
转子、静子、附属装置(进气与防冰、封气、防喘)。
３.２ 轴流压气机转子
３.２.１ 功用与组成
* 功用：利用高转速带动叶片高效率地对来流作功。
* 组成：盘、鼓(轴)与叶片。
３.２.２ 设计要求 (由转速高的特点引出)
(1) 构件强度、刚性应足够(不破坏、变形量小)
(2) 联接可靠 (保证所需功率的传递)
传力、传扭、定心、定位 (由图 3-5 受力概况引出)。
(3) 平衡性好(对称性与定心)，否则引起振动(工作时重要振源)。
３.２.３基本类型
(1) 鼓式： (叶片可固定在鼓上)
* 结构简单，质量轻，零件数少；加工方便，成本低；抗弯刚性好 (材料集
中在大直径处，故重量轻)。
* 强度差。
(2) 盘式：(叶片固定在盘上)
* 强度好 (由鼓元分析推论)。
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* 抗弯刚性差 (仅由转轴承受)；传递扭矩和定心困难(因为联接半径小，受
切力与相对变形大)；盘轴结构易振动。
* 适于单盘转子或小流量发动机；目前，加强盘式转子(定距环不传扭)运用
较广 (spey、WP7、WP15 低压)。
(3) 混合式(鼓盘混合)： (叶片固定在盘上，盘间藉鼓相联)
* 综合鼓、盘式的特点，“取长补短”，运用广。
３.２.４ 盘鼓(轴)间联接
* 单个零件的强度与刚性计算由专门课程介绍。
* 联接结构以传力、传扭、定位、定心为主。
为保证平衡性，“定心”结构为重点。
３.２.４.１ 定心联接结构
(1) “定心”的概念
(2) 基本形式 (不同联接形式，将会获得不同定心效果)
A.“强制式”定心联接
B.“自主式”定心联接
C.径向补偿结构：
(3) 按“用途”分类：
工艺定心── 加工时采用(顶针孔)
装配定心── 装配时采用(园柱面紧度配合)
工作(热)定心── 工作(或受热) 时，要求被联接件间的自由变形差不
致引起定心失效
３.２.４.２ 盘鼓(轴)所在半径位置分析
* 上述定心结构引出的变形差与盘鼓(轴)所在半径密切相关。
* 由盘、鼓径向位移分布看出：旋转时，在Ｕ盘＝Ｕ鼓处对应的半径称为
恰当半径。
(1) Ｒ恰 的特性
(2) 结构分析
３.２.４.３ 传力、传扭、定位、定心: (先介绍 图 3-5 受力概况)
轴流压气机系由串级而成。因此对于它的传力、传扭与定位均存在因串级累
积的现象，必须予以注意。
(1) J57
(2) spey
(3) WP6
(4) CFM56
３.２.５ 工作叶片及其固定
３.２.５.１ 设计要求
特点：单薄、量多、尺寸形状复杂。
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组成：叶身＋榫头
(1) 强度突出 (拉断、疲劳、打伤与腐蚀)；
(2) 刚性合理，尤其要注意振动特性；
(3) 工艺要求高、制造精度高；
(4) 便于维修与更换。
３.２.５.２ 叶身特点
(1) 造型 (叶型与扭曲规律，截面积与重心分布规律)── 由专门课程讨论。
(2) 阻尼凸台 (为抗振与抗外物用) 与叶冠。
(3) 增加前缘半径的可扩散叶型和宽弦比叶片(为抗外物)。
３.２.５.３ 榫头及其联接
(1)“销钉式”榫头：
(2) “燕尾式”榫头：
(3) “枞树式”榫头：(在涡轮章节介绍)
３.３ 轴流压气机静子
组成：机匣与整流器。
特点：(1) 系属承力、传力薄壁件；
(2) 构成气流通道；
(3) 与转子结构形式密切相关(装配与封严等)。
３.３.１ 设计要求
(1) 在重量轻条件下，具有足够刚性与强度，通常指周向刚性均匀与局部强
度足够。
(2) 提高效率,减少漏气.通常指叶尖与级间封严。
(3) 装配、维护与工艺。
(4) 包容性.防止二次损伤(破损安全设计)。
３.３.２ 机匣
３.３.２.１ 按结构方案划分：
(1) 不可分解式(整体式)
* 重量轻、结构简单；周向刚性均匀突出。
* 装配性差；中间级检查困难。
* 转子与机匣至少有一为可分解的；对于多级者，通常不采用等外径机匣；
(2) 可分解式
* 装配性获得明显改善。
* 注意结合面气密性(注意安装边结构与螺栓密度， 不许采用软质垫圈或垫
片)。
* 重量稍有增加(因为有安装边)。
1. 按剖分方向划分
i) 横向剖分：
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* 周向刚性均匀，且获加强。
* 重量较大，适于级数少，故而除风扇外,压气机采用不多。
ii) 纵向剖分：
* 装配性好，易于检查。
* 周向刚性不均匀，必须注意之。
* 工艺复杂。
成对的半机匣不允许互换 (防错设计)
iii) 混合剖分：
WP6 纵(装配检查)横(材料不同)剖分结合
WP7 整体分段与纵横剖分结合
2. 按使用性质划分
i) 装配剖分── 保证装拆与工作定位
ii) 工艺剖分── 由材料不同与便于加工而设置
EX：WP6
３.３.２.２ 按材料与施工
(材料毛坯与施工方法密切相关)
(1) 铸造
(2) 锻造
(3) 钣材
３.３.２.３ 风扇机匣特殊要求 (具有强调作用)
(1) 包容性(环、筋与加强壁、外表面缠包数十层玻纤布组成包容机匣，以及
双层机匣等)；
(2) 降噪音(内壁面装有玻纤和环氧泡沫塑料等吸音材料)；
(3) 注意安置宜于外物排放的通道；
(4) 刚性强(直径大,且为主安装痤)。
３.３.３ 整流器
功用：将气体动能高效地转化成压力能，且以一定方向排出。
结构形式：主要取决于机匣、转子形式及叶片的长短。
３.３.３.１ 按叶片固定支点形式：(仅用示意图,暂不讲结构)
(1) 单支点── 根部(外端)固定在机匣上，叶片呈悬臂式， 其通道内壁由
转子构成。
(2) 双支点── 框式(暴露新矛盾)
３.３.３.２ 按固定形式 ：(讲结构)
(1) Ｔ型(或燕尾型)榫头(SPEY)
* 结构简单，联接可靠，装拆方便(要有周向止动螺钉(块)， 适用于纵向剖
分机匣)。
* 机匣厚，环形槽难加工与检查。
(2) 柱形榫头 (WP6)
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* 加工方便(准确度易保证)
机匣薄(2.5mm)
* 机匣开孔多─┬─ 强度、刚性削弱较多，不适于焊接
└─ 应有专门密封措施
(3) 焊接在中间环(WP6，J57)或机匣上(WP7)
* 生产率高
重量轻(叶片可用钣材)
* 更换叶片困难(死结构)；
工艺要求高： WJ6─ 翼型孔冲压工艺(前后缘易磨损)。
J57─ 叶片作冲头时要先作硬化处理(先硬后退)。
WP7─ 由叶冠点焊能保证精度。
３.４ 防属装置
３.４.１进气装置
功用：为压气机提供良好的进气条件(流量与畸变度)。
(1) 要求 (不同机种,有所侧重)
(2) 防冰措施
(3) 防外物打伤措施
３.４.２ 防喘装置
３.４.２.１ 防喘原理
* 现象：低转速、猛推油门、开炮废气以及进气畸变时, 都可能出现整机不
稳定工作(低频喘振)─>强烈振动和熄火,甚至叶片拆断
* 功用：用于扩大稳定工作范围(尤其是高压比)
* 机理(原理)：由前几级分离而引起的。
* 防喘措施： (由速度三角形引出)
降低ｕ─ 多转子(目前运用甚广,在此不作介绍)。
提高 Ca─ 中间级放气、机匣处理(改善局部叶高分离)。
改变静叶角─ 可旋导叶与整流叶片。
３.４.２.２ 放气装置
* (优) ─ 防喘; 且能改善启动性。
* (缺) ─ 有能量损失，因此额定工况不用; 连续调节困难。
(1) 钢带式 (WP6、SPEY)
* 放气均匀；结构简单；迎面积小。
* 密封性差 (注意 WP6 的材料差异影响)；放气量不可调；对机匣削弱较大
(故仅能用于一级)。
(2) 活门(活塞)式
优、缺点与上述相反(可调量有限)
３.４.２.３可旋导叶与整流静叶
* 连续可调、效率高、迎面积小。
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* 结构复杂，应注意：
a.干涉性 (操纵环与叶片的轴线不同，其传动机构易干涉)
b.密封性 (机匣开孔，且有相对运动)
c.同步性 (同级与不同级间)
３.４.２.４处理机匣
其能改善首级叶尖的分离，使由旋转失速与进气畸变引起的喘振得以缓和。
(见图)
３.４.３封气装置
* 封严装置用于静转子间需封严的相对运动部位。
* 仅介绍气路系统中常用的非接触式结构── 蓖齿封气装置。
３.５材料
普遍存在的问题：不太懂─> 不重视。
学 习 目 的：了解它─> 选用它。
３.５.１重要性
(1) 发动机性能提高受到材料发展的制约。
* “产业革命”重要标志之一是新材料的出现；
* 钛、复合材料的出现，对压气机性能有着大幅度的提高。
(2) 经济性、工艺性以及结构设计都与材料的选用密切相关。
* 矿产资源、冶炼水平、成型技术；
* 结构设计(包括表面保护和热处理、粘结、机械联接等技术 )受特定材料(
复合材料)的性能影响。
(3) 故障分析通常以材料分析(组织、元素与断口)为先导。
３.５.２选材原则与要求
(1) 原则
(2) 要求
３.５.３典型新材料
常用的有、铝、镁。可由图简介之，重点介绍如下：
(1) 钛合金
* 比强大，储量多，阻尼性好。
* 温度介于钢、铝之间。
* 加工困难，冷加工与不锈钢相近(质粘、硬度不高，刀具磨损)。
热加工易吸氮、氢、氧而发脆。
冷压加工易开裂 (SIGMA 0.2/SIGMA b＝0.8￣0.9)。
对缺口敏感 (SIGMA -1/SIGMA b 较低)。
导磁率、导热系数低。
减磨性差、易着火。
(2) 复合材料
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* 比强特大(可达钛的 3.5 倍)，比刚度也大(频率)；减振性好(多层阻尼) ，
抗疲劳性好(多层复合)。
* 但温度低、抗冲击差(脱层)、质量不稳定(手工)。
* 碳-铝纤维复合材料用于风扇机匣、压气机叶片 (比强为钛合金 1.5 倍)。
