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航空發動機組合壓氣機設計 版權信息
- ISBN：9787030743893
- 條形碼：9787030743893 ; 978-7-03-074389-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航空發動機組合壓氣機設計 內容簡介
本書從產品研發角度介紹航空發動機組合壓氣機設計，具有比較強的針對性。本書內容涉及航空發動機組合壓氣機設計的主要環節，包括設計要求與分析、氣動設計、結構設計、熱分析、強度設計、試驗驗證與典型故障介紹等。本書旨在通過對組合壓氣機設計方法及設計流程的介紹，使讀者對組合壓氣機的設計有一個系統的概念，有利于從事航空發動機組合壓氣機研發的相關人員更好地開展工作。
航空發動機組合壓氣機設計 目錄
目錄
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項：航空發動機技術出版工程 序
前言
第1章 緒論
1.1 組合壓氣機簡介 003
1.2 采用組合壓氣機的原因 004
1.3 組合壓氣機如何設計 007
1.4 組合壓氣機設計要求 007
1.4.1 氣動設計要求 007
1.4.2 結構設計要求 008
第2章 組合壓氣機氣動設計
2.1 平均參數設計 010
2.1.1 平均參數設計原理 011
2.1.2 平均參數設計與分析 016
2.2 S2流面設計 019
2.2.1 S2流面反問題設計原理 019
2.2.2 S2流面反問題設計與分析 023
2.3 葉片設計 027
2.3.1 葉片設計原理 027
2.3.2 葉片參數選取與造型 032
2.4 三維數值計算分析 041
2.4.1 三維數值計算方法 041
2.4.2 三維數值計算結果分析 044
2.5 氣動擴穩設計 049
2.5.1 非設計工況下的級間不協調性 049
2.5.2 氣動擴穩原理 050
2.5.3 氣動擴穩設計與分析 053
第3章 組合壓氣機結構設計
3.1 結構特點及設計準則 058
3.2 結構布局設計 059
3.2.1 結構布局介紹 059
3.2.2 轉子及支承結構 060
3.2.3 承力結構 060
3.2.4 調節機構 061
3.2.5 滑油系統和空氣系統 061
3.2.6 選材及工藝性分析 061
3.3 轉子結構設計 063
3.3.1 整體軸流葉輪 064
3.3.2 離心葉輪 066
3.3.3 中心拉桿 067
3.3.4 轉動密封件 068
3.4 靜子結構設計 071
3.4.1 軸流機匣 072
3.4.2 靜子葉片 076
3.4.3 葉輪外罩 078
3.4.4 擴壓器 079
3.4.5 擴壓器機匣 080
3.4.6 靜子葉片角度調節機構 082
3.5 零件選材 084
3.5.1 選材原則 084
3.5.2 常用材料 084
3.6 結構設計分析 085
3.6.1 葉尖間隙設計及分析 085
3.6.2 徑向配合關系選擇及分析 087
3.6.3 軸向尺寸關系確定及分析 088
第4章 組合壓氣機熱分析
4.1 概述 089
4.2 熱分析基本原理 089
4.2.1 熱傳遞的基本方式 089
4.2.2 熱傳遞的基本定律 093
4.3 熱分析方法 098
4.3.1 數學分析求解方法 098
4.3.2 離散數值求解方法 099
4.4 溫度場計算與分析 101
4.4.1 計算輸入 101
4.4.2 計算流程 102
4.4.3 溫度場計算 103
第5章 組合壓氣機強度設計
5.1 靜強度分析 107
5.1.1 分析方法 107
5.1.2 靜強度評估 111
5.2 振動分析 111
5.2.1 設計方法 111
5.2.2 振動評估 114
5.3 壽命分析 115
5.3.1 低循環疲勞壽命 116
5.3.2 高周疲勞強度 117
5.3.3 蠕變/持久壽命 117
5.3.4 損傷分析 118
5.4 機匣包容性分析 119
5.5 外物損傷分析 119
5.6 剛度/變形分析 120
第6章 組合壓氣機試驗驗證
6.1 組合壓氣機氣動性能試驗 121
6.1.1 葉柵性能試驗 121
6.1.2 低速模擬壓氣機性能試驗 122
6.1.3 組合壓氣機部件性能試驗 123
6.2 組合壓氣機結構強度試驗 130
6.2.1 轉子強度試驗 130
6.2.2 低循環疲勞壽命試驗 131
6.2.3 機匣強度試驗 132
6.2.4 葉片振動疲勞試驗 133
第7章 組合壓氣機典型故障及分析
7.1 轉靜子碰磨故障 135
7.1.1 整體葉片盤葉片刮磨裂紋故障 135
7.1.2 間隔環刮磨斷裂故障 136
7.1.3 離心葉輪刮磨鈦火故障 136
7.2 組合壓氣機轉靜子件裂紋/掉塊故障 137
7.2.1 離心葉輪盤體掉塊故障 137
7.2.2 離心葉輪葉片裂紋故障 138
7.2.3 間隔環裂紋故障 139
7.2.4 擴壓器葉片根部裂紋故障 139
第8章 組合壓氣機未來發展
8.1 先進氣動設計技術 141
8.1.1 復合彎掠葉片設計技術 141
8.1.2 基于變系數對流擴散方程的葉片設計方法 143
8.1.3 曲率連續前緣葉型設計技術 146
8.1.4 先進離心葉輪設計技術 148
8.1.5 先進擴壓器設計技術 150
8.2 先進結構設計技術 152
8.2.1 功能、性能、強度多學科智能優化設計技術 152
8.2.2 基于新材料、新工藝的先進結構設計技術 153
8.3 未來發展趨勢 160
參考文獻 162
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項：航空發動機技術出版工程 序
前言
第1章 緒論
1.1 組合壓氣機簡介 003
1.2 采用組合壓氣機的原因 004
1.3 組合壓氣機如何設計 007
1.4 組合壓氣機設計要求 007
1.4.1 氣動設計要求 007
1.4.2 結構設計要求 008
第2章 組合壓氣機氣動設計
2.1 平均參數設計 010
2.1.1 平均參數設計原理 011
2.1.2 平均參數設計與分析 016
2.2 S2流面設計 019
2.2.1 S2流面反問題設計原理 019
2.2.2 S2流面反問題設計與分析 023
2.3 葉片設計 027
2.3.1 葉片設計原理 027
2.3.2 葉片參數選取與造型 032
2.4 三維數值計算分析 041
2.4.1 三維數值計算方法 041
2.4.2 三維數值計算結果分析 044
2.5 氣動擴穩設計 049
2.5.1 非設計工況下的級間不協調性 049
2.5.2 氣動擴穩原理 050
2.5.3 氣動擴穩設計與分析 053
第3章 組合壓氣機結構設計
3.1 結構特點及設計準則 058
3.2 結構布局設計 059
3.2.1 結構布局介紹 059
3.2.2 轉子及支承結構 060
3.2.3 承力結構 060
3.2.4 調節機構 061
3.2.5 滑油系統和空氣系統 061
3.2.6 選材及工藝性分析 061
3.3 轉子結構設計 063
3.3.1 整體軸流葉輪 064
3.3.2 離心葉輪 066
3.3.3 中心拉桿 067
3.3.4 轉動密封件 068
3.4 靜子結構設計 071
3.4.1 軸流機匣 072
3.4.2 靜子葉片 076
3.4.3 葉輪外罩 078
3.4.4 擴壓器 079
3.4.5 擴壓器機匣 080
3.4.6 靜子葉片角度調節機構 082
3.5 零件選材 084
3.5.1 選材原則 084
3.5.2 常用材料 084
3.6 結構設計分析 085
3.6.1 葉尖間隙設計及分析 085
3.6.2 徑向配合關系選擇及分析 087
3.6.3 軸向尺寸關系確定及分析 088
第4章 組合壓氣機熱分析
4.1 概述 089
4.2 熱分析基本原理 089
4.2.1 熱傳遞的基本方式 089
4.2.2 熱傳遞的基本定律 093
4.3 熱分析方法 098
4.3.1 數學分析求解方法 098
4.3.2 離散數值求解方法 099
4.4 溫度場計算與分析 101
4.4.1 計算輸入 101
4.4.2 計算流程 102
4.4.3 溫度場計算 103
第5章 組合壓氣機強度設計
5.1 靜強度分析 107
5.1.1 分析方法 107
5.1.2 靜強度評估 111
5.2 振動分析 111
5.2.1 設計方法 111
5.2.2 振動評估 114
5.3 壽命分析 115
5.3.1 低循環疲勞壽命 116
5.3.2 高周疲勞強度 117
5.3.3 蠕變/持久壽命 117
5.3.4 損傷分析 118
5.4 機匣包容性分析 119
5.5 外物損傷分析 119
5.6 剛度/變形分析 120
第6章 組合壓氣機試驗驗證
6.1 組合壓氣機氣動性能試驗 121
6.1.1 葉柵性能試驗 121
6.1.2 低速模擬壓氣機性能試驗 122
6.1.3 組合壓氣機部件性能試驗 123
6.2 組合壓氣機結構強度試驗 130
6.2.1 轉子強度試驗 130
6.2.2 低循環疲勞壽命試驗 131
6.2.3 機匣強度試驗 132
6.2.4 葉片振動疲勞試驗 133
第7章 組合壓氣機典型故障及分析
7.1 轉靜子碰磨故障 135
7.1.1 整體葉片盤葉片刮磨裂紋故障 135
7.1.2 間隔環刮磨斷裂故障 136
7.1.3 離心葉輪刮磨鈦火故障 136
7.2 組合壓氣機轉靜子件裂紋/掉塊故障 137
7.2.1 離心葉輪盤體掉塊故障 137
7.2.2 離心葉輪葉片裂紋故障 138
7.2.3 間隔環裂紋故障 139
7.2.4 擴壓器葉片根部裂紋故障 139
第8章 組合壓氣機未來發展
8.1 先進氣動設計技術 141
8.1.1 復合彎掠葉片設計技術 141
8.1.2 基于變系數對流擴散方程的葉片設計方法 143
8.1.3 曲率連續前緣葉型設計技術 146
8.1.4 先進離心葉輪設計技術 148
8.1.5 先進擴壓器設計技術 150
8.2 先進結構設計技術 152
8.2.1 功能、性能、強度多學科智能優化設計技術 152
8.2.2 基于新材料、新工藝的先進結構設計技術 153
8.3 未來發展趨勢 160
參考文獻 162
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航空發動機組合壓氣機設計 節選
第1章緒論 渦軸發動機是燃氣發生器中產生的燃氣通過動力渦輪驅動轉軸，從而輸出軸功率的燃氣渦輪發動機。從20世紀40年代美國成功研制出世界上**臺渦軸發動機T50開始，渦軸發動機不斷改進創新、更新換代，迄今已有四代投入使用。 **代，20世紀50～60年代，以T58GE10和寧巴斯發動機為代表；第二代，20世紀60年代末到70年代，以美國艾里遜（Allison）公司的T63A720渦軸發動機為代表；第三代，20世紀80年代，以美國通用電氣（General Electric，GE）公司的T700GE701A、法國透博梅卡（Turbomeca）公司的TM333、英國羅爾斯羅伊斯（RollsRoyce，RR）公司和法國透博梅卡公司聯合研制的RTM322等發動機為代表；第四代，20世紀90年代，以德國MTU公司、法國透博梅卡公司及英國RR公司聯合推出的 MTR390 發動機以及美國艾里遜公司和蓋瑞特（Garrett）公司聯合推出的T800LHT800等發動機為代表；第五代正在研制之中。典型渦軸發動機圖片見圖1.1。 表1.1列出了國外各代典型渦軸發動機壓氣機的結構形式，從表中可以看出目前處于生產和使用高峰的第三代發動機均采用了軸流加離心的組合式壓氣機。 國內在軸流離心壓氣機的設計和試驗研究方面，早已走過了設計、加工、試驗、完善設計的全過程，積累了豐富的研制經驗，形成了一整套組合壓氣機研發體系，且具備進行各流量量級的軸流離心組合壓氣機試驗和測試條件。其中國內比較有代表性的是中國航發湖南動力機械研究所自主設計的第三代“玉龍”系列渦軸發動機，其采用了軸流加離心的組合式壓氣機。 本章將對組合壓氣機的結構形式、中小型渦軸發動機采用組合壓氣機的原因、組合壓氣機如何設計以及組合壓氣機設計的要求等內容進行宏觀介紹。 1.1組合壓氣機簡介 壓氣機是葉輪機械的一個分支，在燃氣渦輪發動機中則是三大核心部件之一，其基本功能是在運行與起動包線內及其他聯合限制的條件下為燃燒室及其他發動機部件提供一定壓力的氣流，令它們能夠穩定可靠地工作，不得喘振。 按空氣流動形式，壓氣機分為軸流壓氣機、離心壓氣機和斜流壓氣機。在大型航空發動機中主要采用的是軸流壓氣機，而在中小型航空發動機中，則有單級離心壓氣機、雙級離心壓氣機、軸流離心組合壓氣機或斜流離心組合壓氣機等多種結構形式，見圖1.2。本書所指的組合壓氣機是指軸流與離心的組合式壓氣機，而且是單軸結構的組合壓氣機。 圖1.2航空發動機中常見的壓氣機結構形式 1.2采用組合壓氣機的原因 通常，軸流壓氣機適宜作為大流量航空發動機的壓氣機部件，單級壓比低，但效率高；離心壓氣機適宜作為中小流量航空發動機的壓氣機部件，其單級壓比高，但效率偏低。軸流離心組合壓氣機兼顧了兩者的優點，具有相對較高的壓比和效率水平。 壓氣機設計點進、出口換算流量之間的關系既包含了壓氣機主要設計指標的綜合影響，也間接反映了其尺寸的大小以及可能的尺寸效應。由于尺寸效應的影響，以及軸流級和離心級對葉尖間隙敏感性的差異，通常根據壓氣機出口換算流量大小或進口換算流量和壓比大小，可以大致確定不同壓氣機結構布局的適用范圍，如圖1.3和圖1.4所示。壓氣機基本級的結構形式一般根據比轉速確定，見圖1.5和圖1.6。 圖1.3壓氣機流量對效率的影響 同時，壓氣機設計點進、出口換算流量取決于發動機的循環參數的選擇，決定了壓氣機流道幾何及葉尖相對間隙的大小量級，因而，渦軸發動機的功率等級也可大致反映出壓氣機的結構布局特點和趨勢。從統計上看，如圖1.7所示，對于750kW級以下的渦軸發動機，壓氣機構型經歷了從軸流+離心，到軸流+離心與單級離心并存的發展過程，尤其是500kW級以下更加普遍地采用單級離心壓氣機；對于750～1500kW級，經歷了從多級軸流到軸流+離心，再到軸流+離心與雙級離心并存的發展過程；對于1500kW級以上，經歷了從多級軸流到軸流+離心的發展過程；總體來看，在各功率等級下，壓氣機均朝著結構緊湊化方向發展，級數越來越少。 圖1.4壓氣機流量、壓比對壓氣機結構形式的影響 圖1.5比轉速對離心壓氣機效率的影響 航空發動機的研制是一項復雜的系統工程，其具有內在的規律性： 統籌策劃的系統性、自主研發的正向性、專業學科的綜合性、技術應用的成熟性、方案優化的迭代性、過程管控的科學性。壓氣機作為發動機的核心部件，其設計必須服從發動機整機設計的內在規律。發動機是否采用組合壓氣機結構形式，需根據發動機用途及功率或推力等級、整機的經濟性和可靠性、發動機對壓氣機部件性能參數和結構的具體要求、技術繼承性、產品改進改型發展空間、目前的軟硬件條件等因素進行綜合論證。如果采用組合壓氣機結構形式，則一定是從發動機整機角度綜合權衡的一種*優選擇，而不能是基于設計者個人經驗和片面認識的一種選擇。 圖1.6比轉速對壓氣機基本級結構形式的影響 圖1.7壓氣機結構形式變化趨勢示意圖
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