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航空燃氣輪機總體結構設計 版權信息
- ISBN：9787030742308
- 條形碼：9787030742308 ; 978-7-03-074230-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航空燃氣輪機總體結構設計 內容簡介
航空燃氣輪機是各種航空器尤其是大型航空器的主要動力裝置,總體結構設計是航空燃氣輪機設計的核心內容,對整機的優選性、可靠性、經濟性、維護性、可持續發展等有至關重要的作用。本書主要介紹航空燃氣輪機總體結構設計的主要內容、設計流程和基本設計方法,并融入工程研制的背景和相關科研經驗,與現有教材和專著合理銜接,力求達到學科基本理論與工程實踐相結合的目的,希望為讀者提供系統、細致的總體結構設計參考。本書主要面向我國航空燃氣輪機研制單位總體結構設計人員和即將成為結構設計人員的高等院校畢業生,可以作為設計中的入門級工具書,也可以為高等院校從事相關專業和課題研究的師生提供參考。
航空燃氣輪機總體結構設計 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 總體結構設計
1.1 引言 001
1.2 設計基本原則 006
1.3 設計基本流程 007
1.3.1 需求分析 008
1.3.2 設計活動 008
第2章 整機結構布局設計
2.1 結構布局設計 013
2.1.1 概念與內涵 013
2.1.2 設計內容 013
2.1.3 設計要求 014
2.1.4 設計重點 015
2.2 轉子變形控制 016
2.2.1 結構力學基礎 017
2.2.2 橫向過載變形控制 019
2.2.3 旋轉激勵變形控制 020
2.3 典型結構布局 022
2.3.1 小涵道比發動機 022
2.3.2 高涵道比發動機 032
2.4 系統布局設計 037
2.4.1 傳動系統 037
2.4.2 滑油系統 039
2.4.3 空氣系統 041
第3章 靜子結構及承力系統
3.1 結構組成與功能 048
3.1.1 結構組成 048
3.1.2 設計要求 049
3.1.3 承力系統的設計邊界與接口 056
3.2 載荷分布 057
3.2.1 整機受力分析 057
3.2.2 轉子軸向力與卸荷 061
3.2.3 傳力路線 064
3.2.4 典型承力系統 066
3.3 支承結構 070
3.3.1 支承結構的設計邊界與接口 070
3.3.2 設計要求 071
3.3.3 典型發動機支承結構 076
3.4 承力框架及承力機匣 083
3.4.1 承力機匣的設計邊界和接口 083
3.4.2 典型承力框架及機匣 085
3.4.3 機匣連接結構密封性 090
3.5 飛發安裝結構 092
3.5.1 結構組成 092
3.5.2 飛發安裝結構的功能 093
3.5.3 設計邊界和接口關系分析 093
3.5.4 設計原則 094
3.5.5 設計要素 094
3.5.6 典型飛發安裝系統 102
第4章 轉子系統及連接結構設計
4.1 結構系統與界面損傷 108
4.1.1 結構系統非連續性 108
4.1.2 連接界面損傷 110
4.2 連接結構穩健性 111
4.2.1 法蘭螺栓連接結構 111
4.2.2 套齒連接結構 125
4.3 轉子系統穩健設計 134
4.3.1 轉子結構對動力特性的影響 135
4.3.2 連接結構剛度損失對穩健性的影響 138
4.3.3 共振轉速分布 140
4.4 防錯設計 141
4.4.1 機匣配合防錯設計 141
4.4.2 偏心防錯安裝結構 143
4.4.3 安裝座防錯設計 144
4.4.4 管路防錯設計 144
4.4.5 附件安裝防錯設計 144
第5章 整機單元體設計及重量控制
5.1 單元體設計概念及劃分原則 146
5.1.1 概念 146
5.1.2 單元體分類及劃分原則 146
5.1.3 典型示例分析 148
5.2 整機裝配設計 152
5.2.1 整機裝配規劃 152
5.2.2 典型示例分析 155
5.3 尺寸控制 164
5.3.1 定位基準 164
5.3.2 整機同軸度 167
5.3.3 整機間隙 171
5.3.4 補償結構及接口控制 184
5.4 重量控制 193
5.4.1 結構重量預估與分配 193
5.4.2 重量特性計算 201
5.4.3 結構重量測量控制 202
第6章 結構效率評估與安全性設計
6.1 結構效率評估 205
6.1.1 結構特征及結構效率 205
6.1.2 轉子系統結構效率評估 208
6.1.3 承力系統結構效率評估 217
6.1.4 整機結構效率評估 219
6.2 轉子支承結構安全性設計225
6.2.1 結構安全性 225
6.2.2 轉子防斷軸安全性設計 227
6.2.3 支承結構安全性設計 237
6.3 發動機安裝結構安全性設計 248
6.3.1 結構安全性 249
6.3.2 安裝結構安全性設計 251
第7章 外部結構
7.1 概述 260
7.2 外部成附件布局 261
7.2.1 外部成附件 261
7.2.2 布局設計要求 261
7.2.3 主要影響因素 263
7.2.4 外部成附件布局設計 267
7.3 外部管路及支架設計 275
7.3.1 外部結構數字樣機 275
7.3.2 外部數字樣機設計原則和流程 277
7.3.3 外部數字樣機搭建 277
第8章 結構材料與制造工藝
8.1 概述 286
8.2 風扇、壓氣機材料與工藝 287
8.2.1 葉片 287
8.2.2 輪盤 290
8.2.3 機匣 292
8.3 燃燒室、噴管材料與工藝 293
8.3.1 燃燒室 293
8.3.2 噴管 294
8.4 渦輪部件材料與工藝 295
8.4.1 葉片 295
8.4.2 輪盤 296
8.4.3 機匣 297
8.5 外涵機匣材料與工藝 298
8.5.1 金屬材料外涵機匣 298
8.5.2 復合材料外涵機匣 299
8.6 新材料、新工藝應用及發展 300
8.6.1 新材料 300
8.6.2 新工藝 311
第9章 技術發展與展望
9.1 航空燃氣輪機發展 315
9.2 未來變循環發動機 317
參考文獻 322
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 總體結構設計
1.1 引言 001
1.2 設計基本原則 006
1.3 設計基本流程 007
1.3.1 需求分析 008
1.3.2 設計活動 008
第2章 整機結構布局設計
2.1 結構布局設計 013
2.1.1 概念與內涵 013
2.1.2 設計內容 013
2.1.3 設計要求 014
2.1.4 設計重點 015
2.2 轉子變形控制 016
2.2.1 結構力學基礎 017
2.2.2 橫向過載變形控制 019
2.2.3 旋轉激勵變形控制 020
2.3 典型結構布局 022
2.3.1 小涵道比發動機 022
2.3.2 高涵道比發動機 032
2.4 系統布局設計 037
2.4.1 傳動系統 037
2.4.2 滑油系統 039
2.4.3 空氣系統 041
第3章 靜子結構及承力系統
3.1 結構組成與功能 048
3.1.1 結構組成 048
3.1.2 設計要求 049
3.1.3 承力系統的設計邊界與接口 056
3.2 載荷分布 057
3.2.1 整機受力分析 057
3.2.2 轉子軸向力與卸荷 061
3.2.3 傳力路線 064
3.2.4 典型承力系統 066
3.3 支承結構 070
3.3.1 支承結構的設計邊界與接口 070
3.3.2 設計要求 071
3.3.3 典型發動機支承結構 076
3.4 承力框架及承力機匣 083
3.4.1 承力機匣的設計邊界和接口 083
3.4.2 典型承力框架及機匣 085
3.4.3 機匣連接結構密封性 090
3.5 飛發安裝結構 092
3.5.1 結構組成 092
3.5.2 飛發安裝結構的功能 093
3.5.3 設計邊界和接口關系分析 093
3.5.4 設計原則 094
3.5.5 設計要素 094
3.5.6 典型飛發安裝系統 102
第4章 轉子系統及連接結構設計
4.1 結構系統與界面損傷 108
4.1.1 結構系統非連續性 108
4.1.2 連接界面損傷 110
4.2 連接結構穩健性 111
4.2.1 法蘭螺栓連接結構 111
4.2.2 套齒連接結構 125
4.3 轉子系統穩健設計 134
4.3.1 轉子結構對動力特性的影響 135
4.3.2 連接結構剛度損失對穩健性的影響 138
4.3.3 共振轉速分布 140
4.4 防錯設計 141
4.4.1 機匣配合防錯設計 141
4.4.2 偏心防錯安裝結構 143
4.4.3 安裝座防錯設計 144
4.4.4 管路防錯設計 144
4.4.5 附件安裝防錯設計 144
第5章 整機單元體設計及重量控制
5.1 單元體設計概念及劃分原則 146
5.1.1 概念 146
5.1.2 單元體分類及劃分原則 146
5.1.3 典型示例分析 148
5.2 整機裝配設計 152
5.2.1 整機裝配規劃 152
5.2.2 典型示例分析 155
5.3 尺寸控制 164
5.3.1 定位基準 164
5.3.2 整機同軸度 167
5.3.3 整機間隙 171
5.3.4 補償結構及接口控制 184
5.4 重量控制 193
5.4.1 結構重量預估與分配 193
5.4.2 重量特性計算 201
5.4.3 結構重量測量控制 202
第6章 結構效率評估與安全性設計
6.1 結構效率評估 205
6.1.1 結構特征及結構效率 205
6.1.2 轉子系統結構效率評估 208
6.1.3 承力系統結構效率評估 217
6.1.4 整機結構效率評估 219
6.2 轉子支承結構安全性設計225
6.2.1 結構安全性 225
6.2.2 轉子防斷軸安全性設計 227
6.2.3 支承結構安全性設計 237
6.3 發動機安裝結構安全性設計 248
6.3.1 結構安全性 249
6.3.2 安裝結構安全性設計 251
第7章 外部結構
7.1 概述 260
7.2 外部成附件布局 261
7.2.1 外部成附件 261
7.2.2 布局設計要求 261
7.2.3 主要影響因素 263
7.2.4 外部成附件布局設計 267
7.3 外部管路及支架設計 275
7.3.1 外部結構數字樣機 275
7.3.2 外部數字樣機設計原則和流程 277
7.3.3 外部數字樣機搭建 277
第8章 結構材料與制造工藝
8.1 概述 286
8.2 風扇、壓氣機材料與工藝 287
8.2.1 葉片 287
8.2.2 輪盤 290
8.2.3 機匣 292
8.3 燃燒室、噴管材料與工藝 293
8.3.1 燃燒室 293
8.3.2 噴管 294
8.4 渦輪部件材料與工藝 295
8.4.1 葉片 295
8.4.2 輪盤 296
8.4.3 機匣 297
8.5 外涵機匣材料與工藝 298
8.5.1 金屬材料外涵機匣 298
8.5.2 復合材料外涵機匣 299
8.6 新材料、新工藝應用及發展 300
8.6.1 新材料 300
8.6.2 新工藝 311
第9章 技術發展與展望
9.1 航空燃氣輪機發展 315
9.2 未來變循環發動機 317
參考文獻 322
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航空燃氣輪機總體結構設計 節選
第1章總體結構設計 1.1引言 航空燃氣渦輪發動機（簡稱航空燃氣輪機）分為4種基本類型，即渦輪噴氣發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機和渦輪風扇發動機。20世紀80年代后期又發展了一種介于渦輪螺旋槳發動機與渦輪風扇發動機之間的螺旋槳風扇發動機（簡稱槳扇發動機）。這些發動機均包含壓氣機、燃燒室以及驅動壓氣機的渦輪這三大部件，統稱為航空燃氣渦輪發動機，在本書中也統稱為航空發動機。 在航空燃氣輪機工作時，進入發動機的空氣經壓氣機壓縮增壓后，流入燃燒室并與噴入的航空煤油混合后燃燒，燃料中的化學能轉化為熱能，形成高溫、高壓燃氣，再進入渦輪中膨脹做功，驅動渦輪高速旋轉并輸出驅動壓氣機及發動機附件所需的功率。經過渦輪的燃氣，仍具有一定壓力和溫度。所有燃氣輪機的動力來源及產生的推力或輸出功率都是由于這股高溫、高壓的燃氣，由于利用這股燃氣能量的不同方式，衍生出多種不同類型的發動機。 壓氣機、燃燒室和渦輪所組成的核心機[圖1.1（a）]用來提供高壓、高溫燃氣，因此在渦輪軸和渦輪螺旋槳發動機中又稱為燃氣發生器。高性能航空燃氣輪機所需的總增壓比較高，在高增壓比的壓氣機中，為了獲得大的穩定工作范圍，常采用雙轉子核心機，將壓氣機分為前后串聯的兩部分，分別由兩組轉速不同的渦輪驅動，壓氣機中位于前端的部分，空氣壓力較低，稱為低壓壓氣機；后端的部分稱為高壓壓氣機。相應的渦輪也分為低壓渦輪和高壓渦輪。這種結構形式稱為雙轉子結構，是一種常見的航空燃氣輪機結構形式。 如圖1.1（b）所示，在核心機后安裝一個尾噴管，由核心機出來的燃氣在尾噴管中膨脹，直接高速排出并產生推力，這種發動機稱為渦輪噴氣發動機，簡稱渦噴發動機。 如圖1.1（c）所示，由核心機出來的燃氣流入另一渦輪中繼續膨脹做功，然后再由尾噴管排出。這個用于提供軸功率輸出的渦輪，一般稱為“動力渦輪”。大多數發動機中，動力渦輪與核心機的渦輪沒有機械連接，它們各自工作于不同的轉速，但也有少數發動機的動力渦輪與核心機的渦輪連接在一起，如WJ5、WJ6發動機。如果動力渦輪驅動減速器并帶動螺旋槳旋轉，就稱為渦輪螺旋槳發動機，簡稱渦槳發動機。如果動力渦輪直接驅動或通過減速比較小的減速器驅動直升機的主旋翼，就是渦輪軸發動機，簡稱渦軸發動機，如圖1.1（d）所示。需要指出，在渦槳和渦軸發動機中，動力渦輪用于驅動螺旋槳或主旋翼，并不驅動壓氣機做功，也稱為“自由渦輪”。如果動力渦輪用來驅動核心機前端的風扇轉子，這就是渦輪風扇發動機，簡稱渦扇發動機，如圖1.1（e）所示，渦扇發動機中單獨驅動風扇轉子的動力渦輪一般稱為低壓渦輪。 由此可見，從工作原理上看，同一個核心機可以配上不同的低壓部件，成為不同類型的發動機。因此，如果能發展出一臺具有先進水平的核心機，即可順勢研發出多種高性能的發動機；同時還可將這種性能先進的核心機按照相似原理放大或縮小，成為不同流量的核心機，衍生發展出不同推力/功率量級的發動機。因此，發展高性能的核心機，是現代高性能航空發動機系列發展、滿足不同飛機設計要求的一種經濟、可行的有效措施。 為飛機提供動力的是以航空發動機為核心的一套動力裝置結構及控制系統，圖1.2為安裝在機翼下方的渦扇發動機動力裝置，包括發動機短艙及進排氣系統（進氣道、尾噴口）、安裝結構系統（安裝吊架、發動機安裝節）和發動機等。 圖1.2渦扇發動機動力裝置組成及安裝 圖1.3為典型航空發動機組成示意圖，由進氣機匣、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管5大部件組成。空氣通過壓氣機進行壓縮增壓后，進入燃燒室進行燃燒，流出的高溫、高壓燃氣在渦輪中膨脹轉化為軸功率后驅動壓氣機，由尾噴管高速排出燃氣，產生發動機的推力。 圖1.3典型航空發動機簡圖 對于進氣、排氣系統，無論何種類型的飛機都需要對發動機與飛機結構進行一體化設計，以保證發動機的進氣、排氣狀態，其中，與發動機進氣機匣相配合的進氣道、與尾噴管相配合的引射噴口等裝置位于飛機上，一般由飛機設計人員設計。 圖1.4為進氣道位于飛機機身兩側的飛機/發動機結構布局設計方案。由于飛機在超聲速和亞聲速下飛行時，空氣在進氣道中的流動具有本質上的差異，因此，在進氣道結構設計中需要有相應的調節機構，以保證發動機進氣流量和進氣流場的穩定。 圖1.4飛機進氣道在不同狀態下的工作狀態 圖1.5為現代高機動性戰斗機兩種典型進氣道布局方案： 一是進氣道位于機身下部，腹部進氣；二是在機身兩側進氣，并且進氣口大多為非圓形。因此，在飛機的進氣道設計中，需要與發動機的進氣機匣具有合適的過渡配合，以保證在全飛行包線內，進氣流場的穩定。 圖1.5進氣道布局不同的戰斗機 圖1.6為發動機在飛機上不同位置的安裝，對于運輸機和客機等大型飛機，發動機一般采用安裝在機翼下方的吊裝方式，也有一些飛機將發動機安裝在飛機垂直尾翼附近，因此采用側面安裝方式。由于安裝方式對發動機整機變形及振動影響較大，因此安裝結構系統需要具有可調整安裝節位置的能力。 圖1.6發動機在飛機上的安裝 對于戰斗機用發動機，為了短時間內提高發動機的推力，可在渦輪與尾噴管之間安裝加力燃燒室。在需要增加推力時，向核心機后的燃氣中補充噴入燃油，使其進一步燃燒以提高燃氣從尾噴管排出的速度，達到增加推力的目的，此時的推力稱為加力狀態的推力，簡稱加力推力（全加力狀態推力也稱為*大推力）。加力狀態下，由于排出的燃氣溫度與速度均大大提高，因而耗油率比不開加力時成倍增加。在裝有加力燃燒室的發動機中，尾噴管的出口面積應做成可調節的，以保證在開通加力狀態下排出體積更大的燃氣，氣流穩定向后流動。圖1.7為帶加力燃燒室的雙轉子渦噴發動機簡圖。 圖1.7帶加力燃燒室的雙轉子渦噴發動機簡圖 上面根據航空燃氣輪機的工作過程和主要組成部件的功能，簡單介紹了航空發動機的結構布局和組成。在航空發動機總體結構設計中，從結構力學特性和裝配等角度對發動機進行結構分類，可分為轉子結構系統和靜子結構系統兩個部分。轉子結構系統是氣動性能、結構完整性與可靠性的核心，在轉子結構設計中，需要依據轉子動力學及相關設計理論，進行整機結構布局設計。而靜子結構系統在工作過程中需承受機械、氣動、溫度及慣性等多種載荷，并將無法抵消的載荷通過承力系統傳遞給發動機的安裝節。在總體結構設計中，需要依據變形控制理論，統籌結構質量、抗變形能力、承載能力，提高發動機的可靠性。 1.2設計基本原則 航空發動機是一種涉及多學科、多系統、多專業且設計制造難度高的復雜熱力機械，其研制具有高投入、高風險的特點。總體結構設計是航空發動機結構設計的源頭，是各部件/系統結構設計的重要依據。總體結構設計需要根據總體氣動性能要求和已有的設計經驗，綜合考慮整機的技術指標、各部件/系統的設計指標和技術難度，進行結構多方案論證和綜合平衡設計；需要在實現氣動性能的前提下，以*小的結構尺寸重量承受工作載荷并具有合理的強度/剛度分布和循環壽命，具有良好的可靠性、維護性、經濟性及系列化發展潛力。 航空發動機總體結構設計是一項系統性、綜合性的頂層平衡決策，應遵循技術繼承與創新發展相結合的設計原則。在設計過程中一般需要從以下不同角度進行綜合權衡。
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