燃氣輪機的壓氣機

1、燃氣輪機的壓氣機概論       在燃氣渦輪發(fā)動機中，在空氣進入渦輪膨脹作功之前是由離心式或軸流式壓氣機先預(yù)先壓縮的。兩種壓氣機都是由渦輪機驅(qū)動的傳動軸帶動的。       離心式壓氣機是一種由葉片轉(zhuǎn)動帶動空氣加速后再由擴壓器將空氣擴壓到預(yù)定壓力的一級或二級增壓的壓氣機，而軸流式壓氣機（圖3-7和圖3-8）是一種由多級靜動葉相間組成的多級壓氣機。在動靜葉中，空氣加速、擴壓，以達到預(yù)定的壓力。       比較兩者之間

2、的優(yōu)缺點，離心式壓縮機比軸流式壓縮機可靠，而且結(jié)構(gòu)簡單、制造加工方便。而軸流式壓氣機在相同的迎風(fēng)面積上，比離心式壓氣機流量更大，而且增壓比更高。因為空氣流量是影響推力大小的一個重要因素，所以軸流式壓氣機更適合迎風(fēng)面積確定下的大推力發(fā)動機。因為前述因素，加上可以確定增加級數(shù)提高增壓比，所以軸流式壓氣機被絕大多數(shù)發(fā)動機采用。但是在小型發(fā)動機上，可靠性高和結(jié)構(gòu)簡單的離心式壓氣機的突出優(yōu)點是其選擇的重要原因。       對軸流式壓氣機而言，提高增壓比可以有效降低燃料空氣的消耗比，所以軸流式壓氣機提高增壓比是其努力的方向 離心式壓氣機離心式壓

3、氣機有單面或雙面、雙級增壓等型式，roll-roycle dart型使用的是單面增壓型。壓氣機罩內(nèi)，除了葉片外還有環(huán)型擴壓片。對雙吸式葉片，為了防止氣流進入另側(cè)還應(yīng)有導(dǎo)向葉片和集流器。運行原理葉片由沃輪機傳動軸帶動，空氣由葉片機中軸吸入葉片內(nèi)，離心力使空氣向葉片邊緣流動，同時使空氣加速，并且可以提高一定的壓力。在發(fā)動機進氣道內(nèi)有時也會裝有導(dǎo)向靜葉，使空氣在進入壓氣機前先預(yù)旋?？諝怆x開葉片后，進入蝸殼擴壓器內(nèi)，將速度水頭轉(zhuǎn)化成壓力水頭，如圖3-3所示。實際上離心式壓氣機采用葉片擴壓和擴壓器擴壓各進行了一半的擴壓量。為最大可能地將空氣流在壓氣機內(nèi)加壓，要求葉片高速旋轉(zhuǎn)。然而葉片的最高速度只有160

4、0ft/s。在這樣的高速下空氣在葉片內(nèi)加速后的速度水頭就有可能轉(zhuǎn)化成壓力水頭。為提高擴壓器的效率，就必須仔細控制葉片和壓氣機殼之間的葉間余隙，必須盡可能縮小葉尖余隙。結(jié)構(gòu)以葉軸為中心，壓氣機的結(jié)構(gòu)是葉片、擴壓器和空氣進氣道成環(huán)行分布。葉片轉(zhuǎn)軸安裝在滾子和滾軸軸承上與渦輪傳動軸相連，一般從水平中軸面剖開，通過螺栓配合裝配。這樣的形式便于安裝。葉片離心式壓氣機葉片是一個整體鑄造或鍛造的單或雙面具有輪輻分布的漸縮流道葉片的，安裝在壓氣機內(nèi)的圓盤。葉片通常情況下是后掠式的，但是考慮到直的比較容易制造，所以有時也采用直的葉片。為了能夠使空氣沿進氣道盡可能無流阻損失流進壓氣機，葉片在葉根處一般為曲線用以導(dǎo)

5、流，曲線葉片有時與輪輻葉片整體加工制造，有時考慮到加工工藝的簡化和制造加工精度會分開加工。擴壓管       擴壓管有可能是壓氣機外殼內(nèi)襯的一個整體部件，也有可能是單獨安裝的部件。實際上擴壓管是一組正切葉片圓的靜葉。靜葉流道向外成漸擴管分開。用以將流體動能轉(zhuǎn)化成勢能。其內(nèi)邊緣正對者葉片旋轉(zhuǎn)圓的葉片流體出口。在動葉與靜葉之間的葉尖余隙是非常重要的影響因素，太小的葉尖余隙會造成空氣動力學(xué)振動，進而導(dǎo)致葉片內(nèi)的空氣失速振動。軸流式壓氣機軸流式壓氣機（圖3-7和兔3-8）是由多級葉片單轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子組成的。轉(zhuǎn)子跨放在安裝著多級靜葉的壓氣機外殼上

6、的軸承。壓氣機的多級小壓縮比壓縮機最終形成多級高壓縮比。每個級是由一個高速轉(zhuǎn)子帶動的葉片以及隨后的一級靜葉組成的。因為在同一根轉(zhuǎn)子上的動葉是分成幾組不同形式的動葉組，所以必須要對相應(yīng)的靜葉的迎角作出修改以適應(yīng)其低工況轉(zhuǎn)速時運轉(zhuǎn)，提高效率。隨著壓力比率的增高，可導(dǎo)靜葉使氣流導(dǎo)向下一級的動葉時，其葉片迎角控制在根據(jù)氣流控制參考拋物線30得到的最佳迎角。       從壓氣機前部到后部，換言之，從低壓段到高壓段，動靜葉之間的流通截面積逐漸縮小。這是因為隨著壓氣機的深度，空氣的軸向密度逐漸升高，而如果空氣流速要不變，只能逐步縮小流通截面積。為

7、了達到逐步縮小流通截面積的目的壓氣機外殼或轉(zhuǎn)子的直徑逐步縮小形成錐管狀。當然兩者同時縮小是可以的，但是這會帶來加工工藝和其他機械部件的安排問題。單轉(zhuǎn)子壓氣機中有一個動轉(zhuǎn)子和一個由多級靜葉組成的靜子組成。多級動靜配合可以達到設(shè)計的增壓比。單轉(zhuǎn)子壓氣機的空氣全部流進壓氣機。雙轉(zhuǎn)子壓氣機中由兩個或多個轉(zhuǎn)子部件組成，每個都具有其獨立最佳轉(zhuǎn)速的渦輪傳動軸帶動。這樣的設(shè)計可以使壓氣機有更高的壓縮比而且更適合多工況運行。雖然雙轉(zhuǎn)子壓氣機可以應(yīng)用于單純的渦輪噴氣發(fā)動機，但是雙轉(zhuǎn)子壓氣機更適合于帶動前置低壓風(fēng)扇的渦扇發(fā)動機。前置風(fēng)扇可以提供更大的空氣流量，僅有部分的空氣經(jīng)低壓壓氣機進入高壓壓氣機而剩余的空氣從圍

8、繞著高壓壓氣機外殼以外的外涵道流過，內(nèi)外涵道的流體在流出推力噴管前在排氣系統(tǒng)中混合。這樣的設(shè)計更加匹配航空器的最佳噴氣速度并且有極高的推力比效率。正因為這種原因，單純的渦輪噴氣熱力循環(huán)發(fā)動機現(xiàn)在除了高空高速飛行器外基本都已經(jīng)不用了。       隨著大涵道比的渦扇的發(fā)展，其趨勢是采用一級風(fēng)扇?？諝庠趦?nèi)外涵道分流前僅經(jīng)過一級風(fēng)扇增壓，并且內(nèi)外涵道的分流比為1：5（如圖3-8所示），這種壓氣機更適合于高亞音速的客機或貨機，風(fēng)扇一般匹配于核心壓氣機的前幾級（雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機）或獨立的渦輪轉(zhuǎn)子帶動（三轉(zhuǎn)子發(fā)動機）。結(jié)構(gòu)  &#

9、160;    壓氣機的結(jié)構(gòu)基本都是圍繞在轉(zhuǎn)子裝配和外殼上。轉(zhuǎn)子軸基本上都安裝在滾子、滾軸軸承上，通過可以容許任何微小的不同心度的方式連接。而圓柱形的外殼，可以用許多的螺栓通過軸向連接接頭固定連接。將每級壓氣機的外殼軸向連接，或者是將整個外殼水平剖分成上下兩塊部件，利用螺栓從中間用連接接頭連接組合，這兩種或是其他組合方式的目的是將外殼沿轉(zhuǎn)子包圍裝配。轉(zhuǎn)子在壓氣機設(shè)計時，轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)速度必須使轉(zhuǎn)子盤鼓能夠承受葉片的離心力載荷，許多的盤鼓是由一種拉桿鎖緊后在轉(zhuǎn)軸上配對安裝的。但是一般來說盤鼓本身是裝配或焊接在一起的在盤鼓的，在最后形成一個整體的鼓盤。典型的動葉葉片在鼓盤

10、上的鎖緊方式在圖3-11上顯示。鎖緊裝置可能是圓盤的擋板或是軸向的螺栓，這主要取決于該壓縮級的要求，而一般的設(shè)計鎖緊裝置的目的是要減輕對轉(zhuǎn)子鼓盤的載荷同時盡可能減輕鼓盤重量，然而大多數(shù)壓氣機設(shè)計時都將葉片分裝，以便于加工和滿足設(shè)計要求。這就使得難以設(shè)計一種可以滿足微型發(fā)動機的實際可行的鎖緊裝置。但是這種葉片可以通過一種成為blisk的鼓盤整體加工的方法加工出來。動葉葉片動葉葉片葉型是機翼剖面，通常設(shè)計成沿機翼方向有一定的壓力梯度來推動空氣以合適的流速增速，沿葉高方向的壓力梯度用以平衡動葉高速旋轉(zhuǎn)帶來的空氣離心力影響，因為上述兩種原因，葉型沿葉高方向通常是扭曲的因為沿葉高方向的流體迎角是變化的，

11、流體在沿葉型流動時，葉背和葉腹處都會形成低速的附面層，為了補償因此造成的流動損失，從葉根沿葉高到葉尖采用了下面的方法，即在葉型緣利用末端扭曲的方法。靜葉葉片       靜葉葉片的葉型也是機翼葉型，靜葉 通常鎖緊固定在壓氣機罩上或是在專門的靜葉安裝圈上，然后再安裝到壓氣機殼上。靜葉通常都是一級的前葉片，所以通常有導(dǎo)流以減輕其尾流形成的振動，這樣就必須有相應(yīng)的鎖緊裝置防止靜葉圈隨轉(zhuǎn)子在壓氣機殼上轉(zhuǎn)動。材料 材料的選定主要根據(jù)其能否滿足設(shè)計要求，在實際使用中，航空發(fā)動機設(shè)計要求使用的部件在滿足技術(shù)設(shè)計時的載荷和溫度要求情況下在安全條件允許時盡可能減輕重量。對于壓氣機外殼設(shè)計選擇的材料硬度要求較高，以滿足不易變形的要求，以盡可能縮小壓氣機葉尖間隙，提高效率。根據(jù)這一要求在溫度增加不太高的前幾級，可以使用鋁制材料來代替合金鋼，但是在壓氣機的后幾級中，由于溫度的限制不得不選擇高溫工作性能較好的鎳制合金鋼。隨著現(xiàn)代加工工藝的發(fā)展，部件的加工效率相對于以前已經(jīng)提高到一個可以接受的水平。靜葉的葉片一般是由鋼制或鎳制合金鋼制成的，以滿足其高疲勞載荷系數(shù)的要求。早期的設(shè)計采用的是特制鋁合金，但是鋁合金的抗疲勞載荷性能不好，應(yīng)次很快就淘汰了，鈦制合金適用與于壓氣機前幾級的靜葉葉片，但是由于其受高溫