1、以航空發動機結構為例說明產品結構 前言CFM56-7是目前客機發動機中最先進的發動機（圖1）圖1航空發動機是飛機性能、可靠性和成本的決定性因素，發動機加燃油的重量占戰斗機/轟炸機/運輸機起飛總重量的40%60%，其壽命期費用站整個飛機的20%40%。特別是渦輪噴氣發動機發明以后，推進技術的進展更是突飛猛進，是飛機的性能和任務能力取得了重大突破。美國人對航空發動機技術如是評價：“The aircraft engine is a technology intensive, making it difficult to enter a novice area, it needs adequate p

2、rotection and use of the state results in the area, long-term data and experience, as well as national large investment. “United States” a joint vision for 2020 “in the proposed strategy for the future based on the composition of the nine U.S. advantage technology, aviation jet engines are listed in

3、 the second, on nuclear technology before, and now even the United States there are only two areas of government investment, one aerospace, and the other is the aircraft engine, the aircraft engine is a national strategic industry. ”如今，航空發動機技術也是制約我國航空工業發展的瓶頸。本文內容分為航空發動機基本類型、基本原理、基本結構和航空發動機共同工作三部分，并著

4、重從概念介紹航空發動機的結構。一、航空發動機基本類型現今，無論是客機還是戰斗機，以雙轉子軸流式渦扇發動機應用最廣。航空發動機類型結構示意圖雙面進氣單級離心式渦輪發動機單面進氣雙級離心式渦輪螺旋槳發動機雙轉子軸流式渦輪軸發動機單轉子軸流式渦輪噴氣發動機雙轉子渦輪軸發動機小涵道比雙轉子軸流式渦扇發動機大涵道比三轉子軸流式渦扇發動機（來源：the jet engine.by Rolls-Royce Plc.1986）二、航空發動機基本原理通俗地講，航空發動機通過燃燒燃料增加空氣氣流的內能，并把部分能量用于增加氣流的動能，使氣流出口速度大于進口速度。根據動量定理，可以明白發動機會受到一個氣流的反作用力

5、，從而產生向前的推力。工作過程示意圖：熱力循環過程為：三、航空發動機基本結構航空發動機的基本機構包括進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。不同類型的航空發動機還具有以下結構：風扇，外涵道，加力燃燒室，推力轉向裝置以及矢量噴管等。下面將分別介紹壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管以及加力燃燒室，其中每部分將從部件工作規律和某種型號結構兩個方面展開。首先，以CFM56-2發動機為例說明發動機的支撐結構（見下圖）和主要零件數目。CFM56-2發動機主要零件數目表發動機型號承力框架軸承風扇及增壓級葉片高壓壓氣機級數高壓壓氣機可調級高壓壓氣機葉片數高壓渦輪級數高壓渦輪葉片數低壓渦輪葉片數葉片總數規定壽命的旋轉件

6、CFM56-22568494138011983387564920（1） 壓氣機工作規律1.定義：壓氣機是用來提高進入發動機內的空氣壓力，供給發動機工作時所需要的壓縮空氣，也可以為座艙增壓、渦輪散熱和其他發動機的起動提供壓縮空氣。2.評定壓氣機性能的主要指標：增壓比、效率、外廓尺寸和重量、工作可靠性、制造和維修費用。3.壓氣機分類：1)按燃氣流動的方向分為：軸流式、離心式、混合式。特別地，CFM56-2系列的壓氣機均為軸流式。2)按壓力相對值分為：低壓壓氣機（增壓級）、高壓壓氣機3)按結構分為：轉子部件、靜子部件轉子部件包括風扇、低壓和高壓壓氣機的軸、盤以及葉片；靜子部件包括機匣和整流器。某種型

7、號壓氣機結構（以CFM56-2為例，包括風扇、低壓壓氣機和高壓壓氣機）1.風扇CFM56-2風扇葉片根部結構如右圖。由于葉冠做成平行四邊形，各個葉片的葉冠相互抵住，單獨拆換1片葉片是不可能的；但是風扇葉片往往會遭到外來物打傷，需在外場飛機上更換葉片，為此，輪盤上固定葉片的榫槽做得較深，葉片榫頭下端與榫槽槽底間留有一間隙，在此間隙中插入特別的墊塊，當需拆換葉片時，先將墊塊取出，再將葉片向下壓，使葉冠與相鄰葉片葉冠脫開，這樣就能方便地將葉片單個取出。在CFM56-2的風扇部件設計中有3處最為特別：1)工作葉片帶冠，這是目前所見到的唯一一種在風扇葉片上帶冠的結構。2)為防外來物的擊傷與抗振，CFM5

8、6-2還利用在冠上還作有三道封嚴篦齒，用以封嚴，提高效率，這是比不帶冠葉片優越之處。3)但是，為減少帶冠后帶來的葉根強度問題，采取加多葉片數目，增加稠度，使葉冠面積減少的措施。 2.CFM56-2風扇機匣（包容機匣）機匣除了有足夠的強度，可靠承受各種載荷外，還要具有包容性，保證在葉片折斷或輪盤破裂時不被擊穿。結構如下圖，3.CFM56-2低壓壓氣機（增壓級）1) CFM56-2低壓壓氣機（增壓級屬于3級軸流式壓氣機部件。2) 3級增壓壓氣機轉子采用了鼓式結構，直接與風扇輪盤后緣安裝邊用螺栓連接。由于增壓壓氣機轉子轉速低，直徑小，輪緣處的切向速度小，因此，在所有高涵遭比渦扇發動機中，均采用縱向剛

9、性好、結構簡單的鼓式轉子。3) 在CFM56-2發動機中，3級轉子固定葉片的燕尾棒槽是用拉刀一次拉出的，也即3級轉子中，各級的葉片數完全一樣，葉根處的直徑也一樣。這樣，使結構設計與加工均較簡單。4) 3級轉子為整體鈦合金鍛件制成，出口處沿圓周均布12個可調放氣活門，可于低功率狀態將部分空氣放放風扇通道。CFM56-2/-2A/-2B最大允許低壓轉子轉速為5280r/min。4.CFM56-2高壓壓氣機1) CFM56-2高壓壓氣機屬于9級軸流式壓氣機部件；2) 進口導流葉片和前3級靜子葉片可調，靜子機匣為對開式，69級機匣為雙層結構，外層機匣上設有5級空氣引出口，內層機匣為低膨脹合金制成并在5

10、級引出空氣包圍中，起到了控制壓氣機后面級間隙的作用；3) 轉子鼓筒12級為鈦合金鍛件慣性摩擦焊成，3級盤為鈦合金鍛件制成，49級為Rene95慣性摩擦焊成。轉子葉片13級為鈦合金制，49級為IN718制成，第1級轉子葉片葉尖切線速度為400m/s，展弦比為1.49；4) 13級葉片固定于輪盤的軸向燕尾槽中，49級固定于環形燕尾槽中；5) 所有轉子葉片可單獨更換，各級均設孔探儀檢查口。（2） 燃燒室工作規律目前，燃燒室的形式雖然很多，但是，為了滿足燃燒室的基本功能和組織燃燒的需要，在結構上，燃燒室都是由擴壓器、殼體、火焰筒、燃油噴嘴和點火器等基本構件組成。火焰筒是燃燒室的主要構件，是組織燃燒的場

11、所。它由旋流器和火焰筒筒體等部分組成。火焰筒筒體按其功能可分為3段：頭部，筒體和燃氣導管。環形火焰筒由內壁和外壁兩部分組成，可以分別與擴壓器和渦輪機匣相連。燃油噴嘴的功用是將燃油霧化（或汽化），加速混合氣形成，保證穩定燃燒和提高燃燒效率。航空發動機上采用的燃油噴嘴有：離心噴嘴、啟動噴嘴、蒸發噴嘴（又稱蒸發管）和甩油盤式噴嘴。點火器的作用是在起動、空中熄火或存在熄火危險時形成點火源。現代航空發動機要求點火器在3種條件下工作：地面啟動時；發生空中停車時；當飛機在暴風雨中或做機動飛行時，防止燃燒室熄火。前兩種點火方式點火時間短，點火能量大，采用高能點火器；后一種點火持續時間長，稱之為“長明燈”式點火

12、，點火能量小，采用低能點火器。點火性能直接影響發動機工作的安全可靠。當發動機在安全熄火后，壓氣機處于風車狀態，燃燒室進口壓力和溫度都很低，但氣流速度仍然很高。在這樣的條件下，要保證可靠的再點火是不容易的。發動機的點火裝置可分為間接點火和直接點火兩種。根據主要構件結構形式的不同，燃燒室有分管（單管）、環管和環形3種基本類型。環形燃燒室的結構特點是：燃燒室的內、外殼體構成環形氣流通道，通道內安裝的是一個由內、外壁構成的環形火焰筒，因而燃燒是在環形的燃燒區和摻混區內進行。環形燃燒室的燃燒好，總壓損失小，燃燒室出口流場及溫度場分布均勻；燃燒室結構簡單，重量輕，耐用性好；火焰筒表面積與容積之比較小，因而

13、需要的冷卻空氣量比較少；燃燒室的軸向尺寸短，有利于減小轉子的跨度和降低發動機的總體重量。某種型號結構（以環形燃燒室為例）（3） 渦輪 工作規律1.定義：把高溫、高壓燃氣的部分熱能、壓力能轉變成旋轉的機械功，從而帶動壓氣機與其他附件工作的旋轉部件。2.評定渦輪性能的主要指標：渦輪前燃氣溫度、渦輪發出的級功率、單級落壓比。3.渦輪的分類：1)按燃氣流動的方向分為：軸流式、徑向式。特別地，CFM56-2系列的壓氣機均為軸流式。2)按壓力相對值分為：低壓渦輪、高壓渦輪3)按結構分為：轉子部件、靜子部件轉子部件包括低壓和高壓渦輪的渦輪軸、渦輪盤、渦輪葉片；靜子部件包括渦輪機匣和導向器、渦輪支承及傳力構件

14、。某種型號結構包括高壓渦輪和低壓渦輪。（4） 尾噴管使氣流不斷加速的管道稱為噴管。為噴管的作用主要是使渦輪后的燃氣持續膨脹，將燃氣中剩余的熱焓充分轉變成動能，使燃氣以高速從噴口中噴出。根據使用條件不同，發動機尾噴管依通道形狀可以分為收斂型和收斂擴散型兩種類型，噴口面積可做成可調或不可調的。 收縮噴管 拉伐爾噴管（收擴噴管）亞聲速氣流在截面積逐漸減小的管道內將不斷加速，這種管道稱為收縮噴管或收斂噴管。根據靜壓和總壓比值的不同及其與臨界壓強比之間的關系，有亞臨界、臨界和超臨界三種流動狀態。使氣流由亞聲速加速到超聲速的收縮擴張噴管稱為拉伐爾噴管。當渦輪出口的氣流壓強較高時，若采用收縮噴管，則由于氣流

15、在噴管內不能得到完全膨脹而造成較大的推力損失，為提高發動機推力，故采用拉伐爾噴管，拉伐爾噴管共有七種流動狀態。拉伐爾噴管在超聲速及高超聲速風洞噴管、超聲速飛機、火箭的尾噴管上得到廣泛應用。（5） 加力燃燒室工作規律1.功用：保持發動機最大轉速和渦輪前溫度不變的情況下，將燃油噴入渦輪后的燃氣輪中，利用燃氣中剩余的氧氣再次燃燒，以進一步提高燃氣溫度，增大噴氣速度，增加推力的作用。在以往的超聲速飛機上，加力燃燒室不可或缺。2.原理：加力燃燒室的燃燒過程是由擴壓，燃燒和排氣三部分組成。從渦輪流出的高溫高速低壓的燃氣，經擴壓后速度降低，截面積增大，并在該處形成回流區，穩定火焰，噴油霧化后再次燃燒，增加氣流速度，以此來增加再次增加推力。 3.鑒于加力燃燒室工作的特殊性，其工作特點和構造要求：1，為使燃油充分燃燒，加力燃燒室須有足夠的長度。2，在構造上須采取措施在各種飛行條件下可靠啟動，并使加力燃燒室損失小。3，保證其有足夠的強度和剛度。4，必須有可調尾噴口與其協同工作。4.加力燃燒室主要零件常用材料：擴壓器和加力燃燒室外殼可用耐熱不銹鋼制成，擴壓器的內錐體，整流支板，預燃室等，目前采用GH30，GH39等高溫