航空發(fā)動機新技術第四章壓氣機風扇新技術解析課件

第四章壓氣機和風扇部件的新技術4.1，基準發(fā)動機要求據(jù)有關文獻介紹，9000kg左右的發(fā)動機具有最大的推重比。我們?yōu)榱藢簹鈾C進行改進，對級數(shù)較多的壓氣機，重點放在減輕葉片重量和減少壓氣機級數(shù)上。此外，壓氣機的穩(wěn)定工作是設計中至關重要的性能指標，為了提高壓氣機性能，最有效的就是提高壓氣機的單級增壓比，但級間增壓比的提高往往要求轉(zhuǎn)速的提高，從而導致壓氣機的穩(wěn)定裕度下降第四章壓氣機和風扇部件的新技術4.1，基準發(fā)動機要4.2，壓氣機的選擇目前為了提高壓氣機的穩(wěn)定性，一般采用低載荷設計，即單級增壓比比較低。通過大量的研究工作發(fā)現(xiàn)，采用先進的三維氣動葉型技術后，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級數(shù)可以明顯減少，從而大幅度降低壓氣機重量。4.2，壓氣機的選擇目前為了提高壓氣機的穩(wěn)定性，4.2.2性能與重量

大幅度提高壓氣機負荷必然要增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速提高必將加大部件的離心力，因此對壓氣機和渦輪盤的強度設計提出了新挑戰(zhàn)。4.2.2性能與重量采用傳統(tǒng)的設計方案是無法提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速的，因此，必須要采用新材料和新強度設計技術，才能滿足新一代高性能轉(zhuǎn)速的需要。采用傳統(tǒng)的設計方案是無法提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速的，因此，4.3高載荷壓氣機設計技術由工熱知道，壓氣機的壓縮功越大，則壓氣機的級增壓比越高。4.3高載荷壓氣機設計技術因此，由公式可以得出，提高壓氣機或風扇單級增壓比的基本方法是：①提高壓氣機轉(zhuǎn)速②采用先進的葉型設計因此，由公式可以得出，提高壓氣機或風扇單級增壓比的基本方法是4.3.2先進的全三維計算流體力學設計方法（1）后掠葉片的作用：將壓氣機葉片沿徑向設計成后掠形式，從而減小跨聲速壓氣機和超聲速壓氣機的激波損失，提高效率。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片進口的氣流速度沿徑向是不斷增加的，為了使壓氣機內(nèi)部基本不產(chǎn)生激波，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將受限。提高壓氣機單級壓縮功，從而提高級增壓比的一條途徑是增加發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。4.3.2先進的全三維計算流體力學設計方法航空發(fā)動機新技術第四章壓氣機風扇新技術解析課件而轉(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)可以達到1.6，而壓氣機內(nèi)部沒有強烈激波，此時壓氣機單級增壓比為2.2，單級增壓比顯著提高。缺點：容易造成風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）前掠葉片設計技術前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高后壓氣機或風扇葉片的激波損失和葉尖氣流堆積問題，使壓氣機級間增壓比大幅提高。試驗完成的圖4-9分隔式葉片壓氣機轉(zhuǎn)子，單級風扇轉(zhuǎn)子可超過3，是F100的三級風扇的增壓比。（2）前掠葉片設計技術前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子（3）其他的最新研究成果①帶冠復合材料風扇轉(zhuǎn)子此新概念的風扇在效率、穩(wěn)定裕度、進口畸變下的使用性和非設計點運行方面性能均有明顯改進。顯然該設計方案在提高壓氣機性能和工作壽命的同時，能顯著減少風扇和壓氣機的重量，并且能很好解決前掠葉片的強度和振動的問題。（3）其他的最新研究成果②四級先進技術高壓壓氣機轉(zhuǎn)子部分采用前掠葉片，利用全三維N-S方程計算設計的4級先進的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子，相當于F100的9級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子的增壓比。顯然，該高壓壓氣機轉(zhuǎn)子能大大縮短壓氣機長度，減輕發(fā)動機重量②四級先進技術高壓壓氣機轉(zhuǎn)子第四節(jié)金屬基復合材料的應用由前面的知識可知，采用前掠或后掠式超聲速風扇葉片和壓氣機葉片可以提高壓氣機的單級增壓比，從而減少壓氣機級數(shù)，達到減重的目的。但從另一方面說，前后掠的采用不能減輕單級壓氣機葉片的重量，因此為進一步減輕壓氣機的重量，還需要采用一些新技術手段。如：采用復合材料，空心葉片等。第四節(jié)金屬基復合材料的應用（1）MMC葉片的特點所謂MMC，即空心的，纖維加強的鈦金屬基復合材料葉片，與普通鈦合金葉片相比，可以減重14%，并且在強度、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（2）MMC板件的加工首先對鈦合金版面進行無損探傷。（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用復合材料加強壓氣機輪盤采用非金屬復合材料具有重量輕、抗拉強度高、不易疲勞破壞等特點。在高壓壓氣機輪盤上纏繞非金屬復合材料后可以大大減輕輪盤的厚度，減輕單級壓氣機重量的，同時提高輪盤的壽命。4.4.2用復合材料加強壓氣機輪盤第五節(jié)壓氣機轉(zhuǎn)子減重設計1，輪盤一體化的設計思想安裝轉(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，同時輪盤本身也不薄。壓氣機轉(zhuǎn)子重量主要來源于安裝壓氣機葉片的輪盤，若能采用輪盤一體化技術，減小轉(zhuǎn)子內(nèi)部輪盤的重量，必將對壓氣機減重作出重要貢獻。第五節(jié)壓氣機轉(zhuǎn)子減重設計1，輪盤一體化的設計思想由前知識知道，我們在葉片的重量上采用空心結(jié)構和復合材料減重，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工作范圍擴大。圖4-22采用各種減重設計后，壓氣機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)構和復第四章壓氣機和風扇部件的新技術4.1，基準發(fā)動機要求據(jù)有關文獻介紹，9000kg左右的發(fā)動機具有最大的推重比。我們?yōu)榱藢簹鈾C進行改進，對級數(shù)較多的壓氣機，重點放在減輕葉片重量和減少壓氣機級數(shù)上。此外，壓氣機的穩(wěn)定工作是設計中至關重要的性能指標，為了提高壓氣機性能，最有效的就是提高壓氣機的單級增壓比，但級間增壓比的提高往往要求轉(zhuǎn)速的提高，從而導致壓氣機的穩(wěn)定裕度下降第四章壓氣機和風扇部件的新技術4.1，基準發(fā)動機要4.2，壓氣機的選擇目前為了提高壓氣機的穩(wěn)定性，一般采用低載荷設計，即單級增壓比比較低。通過大量的研究工作發(fā)現(xiàn)，采用先進的三維氣動葉型技術后，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級數(shù)可以明顯減少，從而大幅度降低壓氣機重量。4.2，壓氣機的選擇目前為了提高壓氣機的穩(wěn)定性，4.2.2性能與重量

大幅度提高壓氣機負荷必然要增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速提高必將加大部件的離心力，因此對壓氣機和渦輪盤的強度設計提出了新挑戰(zhàn)。4.2.2性能與重量采用傳統(tǒng)的設計方案是無法提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速的，因此，必須要采用新材料和新強度設計技術，才能滿足新一代高性能轉(zhuǎn)速的需要。采用傳統(tǒng)的設計方案是無法提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速的，因此，4.3高載荷壓氣機設計技術由工熱知道，壓氣機的壓縮功越大，則壓氣機的級增壓比越高。4.3高載荷壓氣機設計技術因此，由公式可以得出，提高壓氣機或風扇單級增壓比的基本方法是：①提高壓氣機轉(zhuǎn)速②采用先進的葉型設計因此，由公式可以得出，提高壓氣機或風扇單級增壓比的基本方法是4.3.2先進的全三維計算流體力學設計方法（1）后掠葉片的作用：將壓氣機葉片沿徑向設計成后掠形式，從而減小跨聲速壓氣機和超聲速壓氣機的激波損失，提高效率。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片進口的氣流速度沿徑向是不斷增加的，為了使壓氣機內(nèi)部基本不產(chǎn)生激波，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將受限。提高壓氣機單級壓縮功，從而提高級增壓比的一條途徑是增加發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。4.3.2先進的全三維計算流體力學設計方法航空發(fā)動機新技術第四章壓氣機風扇新技術解析課件而轉(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)可以達到1.6，而壓氣機內(nèi)部沒有強烈激波，此時壓氣機單級增壓比為2.2，單級增壓比顯著提高。缺點：容易造成風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）前掠葉片設計技術前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高后壓氣機或風扇葉片的激波損失和葉尖氣流堆積問題，使壓氣機級間增壓比大幅提高。試驗完成的圖4-9分隔式葉片壓氣機轉(zhuǎn)子，單級風扇轉(zhuǎn)子可超過3，是F100的三級風扇的增壓比。（2）前掠葉片設計技術前掠葉片很好的解決了轉(zhuǎn)子（3）其他的最新研究成果①帶冠復合材料風扇轉(zhuǎn)子此新概念的風扇在效率、穩(wěn)定裕度、進口畸變下的使用性和非設計點運行方面性能均有明顯改進。顯然該設計方案在提高壓氣機性能和工作壽命的同時，能顯著減少風扇和壓氣機的重量，并且能很好解決前掠葉片的強度和振動的問題。（3）其他的最新研究成果②四級先進技術高壓壓氣機轉(zhuǎn)子部分采用前掠葉片，利用全三維N-S方程計算設計的4級先進的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子，相當于F100的9級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子的增壓比。顯然，該高壓壓氣機轉(zhuǎn)子能大大縮短壓氣機長度，減輕發(fā)動機重量②四級先進技術高壓壓氣機轉(zhuǎn)子第四節(jié)金屬基復合材料的應用由前面的知識可知，采用前掠或后掠式超聲速風扇葉片和壓氣機葉片可以提高壓氣機的單級增壓比，從而減少壓氣機級數(shù)，達到減重的目的。但從另一方面說，前后掠的采用不能減輕單級壓氣機葉片的重量，因此為進一步減輕壓氣機的重量，還需要采用一些新技術手段。如：采用復合材料，空心葉片等。第四節(jié)金屬基復合材料的應用（1）MMC葉片的特點所謂MMC，即空心的，纖維加強的鈦金屬基復合材料葉片，與普通鈦合金葉片相比，可以減重14%，并且在強度、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（2）MMC板件的加工首先對鈦合金版面進行無損探傷。（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用復合材料加強壓氣機輪盤采用非金屬復合材料具有重量輕、抗拉強度高、不易疲勞破壞等特點。在高壓壓氣機輪盤上纏繞非金屬復合材料后可以大大減輕輪盤的厚度，減輕單級壓氣機重量的，同時提高輪盤的壽命。4.4.2用復合材料加強壓氣機輪盤第五節(jié)壓氣機轉(zhuǎn)子減重設計1，輪盤一體化的設計思想安裝轉(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，同時輪盤本身也不薄。壓氣機轉(zhuǎn)子