[科普中国]-轴流式压气机转子

轴流式压气机由转子和静子组成。转子是一个高速旋转对气流做功的组合件。在双转子涡喷发动机中，压气机又分为低压转子和高压转子；在双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇转子，或者是风扇转子和低压压气机转子的组合。压气机转子一般是简支的，也有些是悬臂支承，或部分轮盘外伸。

简介轴流式压气机由转子和静子组成。转子是一个高速旋转对气流做功的组合件。在双转子涡喷发动机中，压气机又分为低压转子和高压转子；在双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇转子，或者是风扇转子和低压压气机转子的组合。压气机转子一般是简支的，也有些是悬臂支承，或部分轮盘外伸1。

轴流式压气机转子结构设计的基本问题就结构设计来讲，航空压气机与一般压气机相比，它的主要特点是转速高，每分钟可达数千或数万转。

转速高可以使压气机在尺寸小、重量轻的条件下，得到所需的性能（即给定的空气质量流量和增压比），满足发动机性能设计的最基本要求，这是有利的一面。但是，在高转速条件下，转子零件及其连接处要承受巨大的惯性力、气体力、扭矩和复杂的振动负荷。若零件型面和传力方案设计不当，其工作时就有破坏、损坏的危险。若转子零、组件的定心方案不妥，转子装配不当，平衡不好，横向刚性不足，当压气机高转速工作时，转子就会发生剧烈振动而影响发动机正常工作，这是不利的一面，也就是转子结构设计的基本问题。

轴流式压气机转子结构设计的基本原则虽然转子结构方案是多种多样、千变万化的，但是作为高速旋转的承力件，转子结构设计所需要解决的基本矛盾是：在考虑到尺寸小、重量轻、结构简单、工艺性好的前提下，转子零、组件及其连接处应保证可靠的承受载荷和传力(对结构设计起决定作用的负荷是叶片和转子的离心力、弯矩和扭矩)，具有良好的定心和平衡性、足够的刚性。这些就是压气机转子方案设计所应遵循的基本原则，也是分析各种转子方案的纲1。

轴流式压气机转子的基本结构形式压气机转子的基本型式有三种：鼓式、盘式和鼓盘式。

（1）鼓式转子的基本构件是一圆柱形、橄榄形或圆锥形鼓筒(视气流通道形式而定)，借安装边和螺栓与前、后半轴联接。在鼓筒外表面加工有环槽或纵槽，用来安装转子叶片。作用在转子上的主要负荷(叶片和鼓筒的离心力、弯矩和扭矩)由鼓筒承受和传递。鼓式转子的优点是抗弯刚性好、结构简单，但是承受离心载荷能力差，故只能在圆周速度较低(不大于180~200m/s)的条件下使用。如早期的压气机、现代大流量比涡扇发动机的低压转子上。民用斯贝发动机低压压气机转子为鼓式转子。

（2）盘式转子由一根轴和若干个轮盘组成，用轴将各级轮盘联成一体。盘缘有不同形式的榫槽用来安装转子叶片。盘心加工成不同的形式，即用不同的方法在共同的轴上定心和传扭。转子叶片和轮盘的离心力由轮盘承受，转子的抗弯刚性由轴保证。盘式转子的优点是承受离心载荷能力强，但是抗弯刚性差。为了提高转子的抗弯刚性，在盘式转子中，盘缘间增添了定距环，并将轴的直径加粗，称为加强的盘式转子。

（3）鼓盘式转子由若干个轮盘，鼓筒和前、后半轴组成。盘缘有不同形式的榫槽用来安装转子叶片。级间联接可采用焊接、径向销钉、轴向螺栓或拉杆。转子叶片、轮盘和鼓筒的离心力由轮盘和鼓筒共同承受，扭矩经鼓筒逐级传给轮盘和转子叶片，转子的横向刚性由鼓筒和连接件保证。

在有些情况下，加强的盘式转子和鼓盘式转子不易区分。区分的方法在于辨别转子的传扭方式。鼓盘式转子靠鼓筒传扭，而加强的盘式转子主要靠轴来传扭，定距环的主要作用是提高转子的刚性和传递轴向力1。

工作叶片及其与轮盘的联接工作叶片是轴流式压气机重要零件之一，它直接影响压气机的气动性能、工作可靠性、重量及成本等。由于它不仅受较高的离心负荷、气动负荷、大气温差负荷及振动的交变负荷影响，同时还受到发动机进气道外来物的冲击，受风沙、潮湿的侵蚀等，因而在使用中压气机工作叶片比压气机的其他零部件故障要多得多。因此，无论在设计、制造，还是使用维修中，在片方面耗费的劳动较多，成本也高。

工作叶片主要由叶身和榫头两部分组成。工作叶片的工作可靠性依赖于叶片本身和其与轮盘的联接有足够的强度、适宜的刚性和较小的应力集中。当压气机工作时，在叶片上作用着巨大的离心力、气动力和振动负荷。如在RB211的涡扇发动机中，每片风扇叶片的离心力高达550kN，因此连接处要有足够的强度。使用经验表明，工作叶片由于振动而损坏，是轴流式压气机常见的故障。为此，在榫头结构设计时须保证叶片在轮盘上固定时要有适宜的刚性，避免在发动机常见转速范围内出现危险的共振。同时，榫头在结构设计时，应避免有过大应力集中2。

叶身的构造特点为了满足气动和强度的要求，压气机工作叶片的叶身一般都由适应亚声速或超声速工作的叶片型面，按一定的扭向规律及型面重心分布规律，沿叶高重叠而成。为了尽量减轻重量，叶尖的弦长要比根部的窄，厚度要比根部的薄。

在叶片较长的情况下，为了避免发生危险的共振或颤震，叶身中部常常带一个减振凸台。装配好后，凸台连成一环状，彼此制约，增加刚性，改变叶片的固有频率，降低叶片根部的弯曲扭转应.力。减振凸台接合面上喷涂耐磨合金，当叶片发生振动时结合面互相摩擦，可起阻尼减振的作用。减振凸台的位置主要根据强度、振动因素、气动因素、气动性能等方面综合考虑，一般减振凸台位于距叶根约50%~70%叶高处1。

榫头的构造工作叶片通过样头实现与轮盘的联接。因此，对桦头的主要设计要求是：

（1）在尺寸小，重量轻的条件下，将叶身所受的负荷可靠地传递给轮盘；

（2）保证工作叶片的准确定位和可靠固定；

（3）应有足够的强度、适宜的刚性及合理的受力状态，尽量避免应力集中；

（4）结构简单，装拆方便。

减小周向尺寸可以保证在轮盘上安装足够数目的叶片，提高级的做功能力2。

轴流式压气机转子叶片榫头形式（1）燕尾形榫头

燕尾形榫头依榫头的走向不同有两种形式。燕尾形榫头的优点是榫头尺寸小，重量较轻，并能承受较大的负荷；纵向榫槽可采用拉削加工，生产率高，加工方便，所以在压气机上普遍采用。它的主要缺点是槽底的受力面积小，不能承受过大载荷或安装更多叶片。

（2）销钉式榫头

目前轴流式压气机的销钉式榫头多采用凸耳铰接的方案。

工作叶片借凸耳跨在轮缘上或插在轮缘的环槽内。靠销钉或衬套承剪，传递叶片负荷。衬套与凸耳孔之间、凸耳与轮盘侧面之间均带有间隙，工作时允许叶片绕销钉摆动，有减震和消除连接处附加应力的作用。当叶片较长、离心力较大时.可采用“山”字形，使销钉的承剪面有两个增加为4个，可以改善承剪零件的受力情况。

这种形式榫头的优点是工艺装配简单，不用专门设备加工，对于单个生产和试验用的发动机有一定的优越性。同时铰接的销钉式榫头是消除叶片危险性共振的有效措施之一。但这种榫头承载能力有限，尺寸和重量大。

（3）枞树型榫头。这种榫头呈楔形，轮缘部分呈倒楔形，从承受拉伸应力的角度看接近等强度，因而这种榫头与其他形式的榫头相比，周向尺寸小、重量轻，能承受较大的载荷。但是它靠多对榫齿传力，应力集中严重，工艺性较差。由于金属材料在低温时对应力集中更加敏感，而压气机工作叶片一般离心力又较小，所以这种榨头在压气机中的应用比较少，只在负荷较大的前几级或温度较高的高压压气机的末端几级，且叶片和轮盘都用钢(或钛)制成时，才有应用3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所