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Camac Aviation Turbine Engine. Chinese manual (2020) - 2

民用航空器维修基础系列教材第 5 册

进气道

图 3-2 流量系数和流线谱

（a）M

0

= 0, φ=∞；

（b）M

01

> M

0, φ>1；

（c）M

01

= M

0, φ=1；

（d）M

01

< M

0, φ<1。

2. 亚音速进气道的主要参数

1）总压恢复系数_i

它是进气道出口气流总压和未受扰动截面的气流总压之比。

它用来衡量进气流动过程中损失的多少。总压恢复系数是小于 1 的一个数字，飞行中亚

音速进气道的总压恢复系数通常为 0.94～0.98。

2）冲压比^*

i

它是进气道出口处的总压与远方气流静压的比值。

冲压比越大，说明空气在压气机前的冲压压缩越大。大气温度不变，飞行速度增加时，

冲压比增大。飞行速度不变，大气温度降低时，空气越易压缩，冲压比增大；反之，大气温

度升高时，冲压比减小。飞行高度变化时，在 11,000 米高度以下，飞行高度升高时，大气温

度降低，冲压比增大；在 11,000 米高度以上，飞行高度改变时，大气温度保持不变。冲压比

也保持不变。空气在进气道中的流动损失增大，气体总压减小，冲压作用减弱，冲压比减小。

3.1.2 超音速进气道

由于发动机的压气机进口处的气流都是亚音速，超音速飞机上的进气道必须使进来的气

流减速成亚音速气流。

超音速进气道分为：内压式、外压式和混合式三种类型，如图 3-3 所示。

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进气道

图 3-3 超音速进气道

a）内压式；b）外压式；c）混合式

内压式：内压式超音速进气道是一个先收敛后扩张形的管道。气流从超音速到亚音速完

全在进气道之内完成，使超音速气流变为亚音速利用扩压降速原理。内压式进气道存在着所

谓“起动”问题，妨碍着它的实际应用。

外压式：外压式超音速进气道由外罩和中心体组成，超音速气流流过中心体产生一道或

多道斜激波加上最后一道正激波使超音速气流变为亚音速，然后在扩张的通道内继续减速。

外压式超音速进气道一般限于飞行马赫数为 2.0 以下时使用。

混合式：混合式超音速进气道也是由外罩和中心体组成，但是，其进气道内通道与内压

式超音速进气道相似的先收敛后扩张形的管道，即由外压式和内压式组成。超音速气流在进

气道外中心体产生一道或多道斜激波压缩后，仍然是超音速，再进入进气道以内继续压缩，

通过喉部或扩张段中的正激波转变为亚音速。

由于混合式超音速进气道兼有外压式和内压式进气道的优点，飞行马赫数大于 2.0 的飞

机上很多采用混合式进气道。

3.1.3 进气道防冰

当飞机穿越含有过冷水珠的云层或在有冷雾的地面工作时，发动机和进气道前缘处会结

冰。在这些位置结冰会大大影响通过发动机的空气流量，引起发动机性能损失并可能会使发

动机发生故障。而且，由于工作时发动机振动，因振动而脱落下来的冰块一旦被吸入发动机

或撞击进气道吸音材料衬层，也可能会导致发动机损坏，因此必须采取措施来防止结冰。

有两种基本的防冰方法：涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机一般采用热空气防冰（见图

3-4

，涡轮螺旋桨发动机采用电加温或热空气与电加温混合的方式来防冰。防冰可通过热滑

油沿进气道周围循环来补充热量。热空气系统在可能会结冰的地方为发动机提供表面加温。

某型发动机采用组合防冰的方式。

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进气道

图 3-4 典型发动机的热空气防冰

防冰系统必须在该飞机使用要求范围内有效地防止冰的生成。防冰系统必须可靠，易于

维护，不会过分增加重量，且在工作中不会引起发动机严重的性能损失。

3.2 典型发动机进气道维护介绍

3.2.1 典型发动机进气道的部件识别

1）典型发动机进气道，如图 3-5 所示。

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进气道

图 3-5 发动机进气道

2）典型发动机的防冰空气管，如图 3-6 所示。

防冰空气管

图 3-6 发动机的防冰空气管

3.2.2 典型发动机进气道的维护及安全注意事项

1. 进气道的常见维护工作

进气道在运行中容易发生鸟击等外来物损伤，需仔细检查进气道前缘唇部等区域是否有

凹坑、裂纹等损伤。

日常检查中也需仔细检查进气道前缘铆钉等紧固件是否有松动情况，发现有松动的铆钉

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压气机

第 4 章 压气机

4.1 压气机的分类

压气机是燃气涡轮发动机中的一个重要组成部分，它接受涡轮的功对空气进行压缩，提

高空气压力。

压气机的主要作用是：提高流过它的空气的压力，为燃气膨胀做功创造条件，从而提高

热效率，改善发动机的经济性，增加发动机的推力。此外压气机还可用来引气，即从压气机

某一级处引出具有一定压力和温度的空气，用于座舱增压、座舱空调、驱动有关装置以及调

节一些部件和附件的温度等以满足发动机和飞机的不同需要。

压气机提高空气压力的方法，是利用高速旋转的叶轮，连续不断地对空气做功。通常按

照气流沿着压气机转子流动和增压方式，如图 4-1 所示，可分为离心式压气机、轴流式压气

机以及由轴流式压气机和离心式压气机组合在一起的混合式压气机。气流沿离开叶轮中心方

向流动的叫做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的叫做轴流式压气机。此外还有

轴流式与离心式压气机混合而成的混合式压气机。目前，使用最广泛的是轴流式压气机，本

章将做主要介绍。

离心式

轴流式

混合式

图 4-1 压气机的分类

4.2 轴流式压气机的结构

轴流式压气机主要由两个基本部件组成，一个是旋转部件，即转子；一个是固定部件，

即静子，如图 4-2 所示。转子的功用是对空气做功，压缩空气，提高空气的压力；静子使空

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压气机

气扩压，继续提高空气的压力。

转子由多级工作叶轮组成而每级工作叶轮又由一排工作叶片、轮盘和轴组成，被支承在

前后轴承上，并由涡轮带动高速旋转，对气流做功。在双转子涡轮喷气发动机中，压气机转

子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，两个转子没有机械上的固定联系，各自以不同的转速旋转。

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。

静子是静止组合件的总称，由整流器和机匣组成，每个整流器都包括一排整流叶片和内

外环组成的圆环，所以又称整流环。各级整流器都固定在机匣上。在单转子涡喷发动机中，

压气机机匣由进气装置，整流器机匣和扩压器机匣组成。在双转子涡扇发动机中，在风扇与

压气机之间还有一分流机匣，将内外涵道的气流分开；在高低压压气机之间有一中间机匣，

将气流由低压压气机顺利地引入高压压气机。

转子

静子

图 4-2 轴流式压气机的组成

4.2.1 轴流式压气机的转子

1. 转子的基本形式

压气机转子的基本形式有三种，鼓式、盘式和鼓盘式。如图 4-3 所示。

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压气机

图 4-3 压气机转子的基本形式

1）鼓式转子的基本构件是一圆柱形或圆锥形鼓筒，借安装边和螺栓与前、后半轴连接。

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。鼓式转子结构简单，零件数目少，加工方便，

具有较高的抗弯刚性，但是承受离心载荷能力差，只能在圆周速度较低的条件下使用。CFM56

发动机低压压气机的转子采用的就是鼓式转子，如图 4-4 所示。

图 4-4 CFM56 发动机低压压气机的转子

2）盘式转子由一根轴和若干个轮盘组成，用轴将各级轮盘连成一体。盘缘有不同形式

的榫槽用来安装转子叶片。盘心加工成不同形式，即用不同的方法在共同的轴上定心和传扭。

盘式转子的优点是承受离心载荷能力强．但是抗弯刚性差。

3）鼓盘式转子由若干个轮盘，鼓筒和前、后半轴组成。盘级有各种形式的榫槽用来安

装转子叶片。级间连接可采用焊接，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

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压气机

筒和连接件保证。鼓盘式转子兼有鼓式转子抗弯性好和盘式转子的强度高的优点，得到了广

泛的应用。CFM56 发动机高压压气机的转子采用的就是鼓盘式转子，如图 4-5 所示。

由于转子是一个高速旋转的承力件，若转子零组件的定心不妥，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，转子就会剧烈振动而影响发动机正常工作。目

前，发动机上常采用以下几种形式的转子：用径向销钉联接的鼓盘式转子；用若干根拉杆或

螺栓联接的鼓盘式转子和焊接的整体式转子。

图 4-5 CFM56 发动机高压压气机的转子

2. 转子叶片

转子叶片是轴流式压气机最重要的零件之一，它主要由叶身和榫头组成。老式的发动机

风扇叶片叶身中部带有减振凸台（见图 4-6）或加强筋，以避免发生共振，损伤叶片。现代

发动机采用宽弦风扇叶片，无减振凸台或加强筋，为了减轻重量采用了带蜂窝夹层结构的钛

合金叶片。

减振凸台

图 4-6 风扇叶片

轴流式压气机转子叶片榫头的形式有销钉式、燕尾形和枞树形。如图 4-7 所示。在轴流

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压气机

压气机上广泛采用燕尾形榫头，榫头尺寸较小，重量较轻，并能承受较大的负荷；榫槽采用

拉削加工，生产率高，加工方便。叶片榫头必须槽向固定，防止叶片在气体力和离心力的槽

向分力作用下在槽内移动，保证压气机可靠工作，保持整个转子的平衡。

销钉式

枞树形

燕尾形

图 4-7 榫头的形式

4.2.2 轴流式压气机的静子

1. 压气机机匣

压气机机匣是一个圆柱形或圆锥形（视气流通道开头而定）的薄壁圆筒，工作时，机匣

承受着静子的重量和惯性力、内外空气压差、整流器上的扭矩和轴向力，以及相邻组合件传

来的弯矩、扭矩、轴向力等。因此，对机匣结构的基本要求是：在重量轻的条件下，强度和

刚性好，能保持精确的转子叶片尖部间隙，以保证尽可能高的效率。为了达到这些要求，前

部可使用铝合金，后部可使用合金钢，也可能需要用镍基合金。钛合金的刚性密度比较高使

其比铝合金和钢更受欢迎。

压气机机匣的基本形式有三种，整体式、分半式和分段式。典型的涡轮风扇发动机的高

压压气机机匣分成前机匣和后机匣。前机匣通常做成两半，如图 4-8 所示，由螺栓在中心线

连接。它支持前面级的静子叶片。后压气机机匣有做成两半的，也有做成轴向分段的。前压

气机机匣支持结构载荷，比如弯曲和扭转，使后压气机机匣不因载荷变形。

压气机静子机匣上有开口供应引气空气。引气空气取自不同的级满足使用要求。引气空

气通过空心的静子叶片或通过静子叶片外平台的孔。引气孔围绕整个压气机机匣布局。引气

总管收集从引气孔来的空气，供给各个需要用气的地方。

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2. 静子叶片

静子叶片通常用钢或镍基合金制造，钛合金可用于低压区的静子叶片。静子叶片安装在

机匣内，位于两级转子之间，所以静子叶片的安装方案与转子和机匣的方案有着密切的联系。

在铸造的分半机匣内，由于机匣壁较厚，静子叶片可用 T 形、燕尾形榫头直接固定在机

匣内壁特制的环形槽内。这种方案结构简单，连接可靠，并且叶片可以拆装。静子叶片也可

以用径向螺钉固定在压气机机匣中，或者固定到静子叶片保持环中，再将这些环本身固定到

机匣上。有的静子组件由多级静子环组成，静子环包括静子叶片和内、外环，静子叶片通常

焊接到外环上，静子环之间通过螺栓连接（见图 4-9）。

上机匣

转子

下机匣

图 4-8 典型发动机高压压气机前机匣（分半式）

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图 4-9 静子叶片在机匣上的固定方法

4.3 轴流式压气机的工作原理

轴流式压气机的总增压比高、效率高、单位空气流量大。目前在燃气涡轮发动机上特别

是在大、中推力的发动机上几乎普遍地采用轴流式压气机。轴流式压气机的叶轮和整流器是

交错排列的，一个叶轮和一个整流器组成一个单级的轴流式压气机，它是多级轴流式压气机

的基本单元。由于每级的增压能力不大，故都采用多级组成。

4.3.1 基元级叶栅

压气机内空气的流动，是在叶轮和整流器的叶片通道内进行的，因此，在流动过程中气

流参数的变化，主要由叶片通道的几何参数决定。实际表明，在每一级中，流线基本上都在

一个圆柱面上，沿叶片高度不同半径处原理相仿，其中，尤以平均半径处的流动情况最具有

代表性。为了弄清空气在级中的流动过程，现在我们设想用与轴同心的、半径分别为压气机

平均半径 r 和 r + d r 的两个圆柱面，与级的叶片环相截，则得出某级的环形叶栅，如图 4-10

所示。

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压气机

图 4-10 环形叶栅

为了研究方便，可将环形基元级展开成平面，在展成平面的级基元中包括两排平面叶栅，

一排是动叶平面叶栅（工作叶栅），另一排是静叶平面叶栅（整流器叶栅），如图 4-11 所示，

实践表明，用平面叶栅中的流动来近似地代替环形叶栅内的流动与实际情况是十分接近的。

导流环

第1级

第2级

第3级

第4级

图 4-11 平面叶栅

4.3.2 基元级的速度三角形

在压气机中，一般用 c 表示气流的绝对速度，w 表示气流的相对速度，u 表示叶轮的圆

周速度即力学中的牵连速度，从力学中知道绝对速度、相对速度和牵连速度三者可以构成一

个封闭的速度三角形，三个速度向量之间的关系是：







cwu

下面说明空气在基元级内的流动情形。

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1）空气在动叶叶栅内的流动

空气相对于机匣以绝对速度 c 流向叶轮，由于叶轮在转动叶轮进口处的圆周速度为 u（u

与 c₁的夹角为α₁，其大小由进气导向器或前一级整流器的静叶出口方向所决定），则空气相

对于叶轮进口处的相对速度 w₁应为绝对速度 c₁与牵连速度 u 的矢量差，它与叶轮旋转面所成

的夹角为β₁，如图 4-12 所示。

空气流入叶轮叶栅后由于工作叶片的叶型是弯曲的，所以空气的流动方向逐渐改变，最

后顺着弯曲的叶片通道流出，空气相对于旋转着的叶轮以相对速度 w₂流出叶栅，同时它又被

叶轮带动以圆周速度 u 旋转，这样空气相对于静止的整流器的绝对速度 c₂，应是 w₂与 u 的矢

量和，图 4-12 所示的相对速度与叶轮旋转面的夹角β₂称为相对气流出气角，它要大于相对

气流进气角β₁。叶轮叶栅出口处气流绝对速度与圆周速度的夹角为α₂。

2）空气在整流器叶栅内的流动

空气以绝对速度 c₂流入整流器，然后顺着弯曲的通道向后流动。流出时的速度 c₃大致等

于叶轮进口气流绝对速度，它们的方向也大致相同，如图 4-12 所示。

w₂

β

c₂

w

1

α

u

c

β1

2

c

3

α1

u

c₁

叶轮

整流器

图 4-12 气流在基元级叶栅中的流动

从空气流过叶轮叶栅的情形可知，由 c₁、w₁、u 组成了叶轮进口处的速度三角形，c₂、w₂、

u 组成了叶轮出口处的速度三角形，为了研究方便起见常将进出口速度三角形叠加在一起这

就叫基元级速度三角形，如图 4-13 所示。

基元级中气流速度的向量和都可以分解成轴向和切向两个方向的分速度并分别加以注

脚 a 和 u 表示。

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图 4-13 基元级速度三角形

构成速度三角形的因素很多，但是，决定速度三角形并对压气机工作有密切关系的主要

参数如下：

1）叶轮进口处空气绝对速度的轴向分速度 C_1a

这个速度与流入的空气量有关，根据连续方程，当压气机进口面积和进口空气状态一定

时，C_1a 增大，空气流量增大，发动机的推力和功率也增大；若空气流量一定，则 C_1a增大，压

气机横截面积就可缩小，有利于减小整台发动机的迎风面积。所以，C_1a的大小，直接影响发

动机的功率和迎风面积的大小。

2）叶轮进口处空气绝对速度的切向分速度 C_1u

空气进入叶轮之前，在圆周 u 方向有分速度时，就说明它有了预先的旋转，预先的旋转

的多少以它的切向分速度 C_1u代表，因此，就叫预旋；反之，就称为反预旋。

对于高压压气机，通常在第 1 级叶轮之前，有一排不动的叶片，叫进口导向叶片，也叫

导流环，如图 4-11 所示。空气流过导流环，将产生预旋，用来防止压气机喘振。

有了 C_1a 和 C_1u，就可以确定叶轮进口处空气的绝对速度 C₁。

3）圆周速度（即轮缘速度）u

圆周速度直接影响做功量的大小，在叶轮前后空气的切向速度的变化量相同的情况下，

u 越大，则对空气加入的轮缘功越多。

有了 C₁ 和 u，就决定了空气的相对速度 w₁。从而可以确定进口的速度三角形。

4）叶轮前后空气的相对速度（或绝对速度）在切向的变化量ΔW_u（或ΔC_u）

这个标志气流在周向的扭转量，又叫做扭速。ΔW_u=ΔC_u。

由 w₁和ΔW_u就决定了空气的相对速度 w₂，由 w₂和 u 则可以确定 c₂，从而确定了出口的速

度三角形。因此，有了这四个参数后，基元级的速度三角形便完全确定了。

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4.3.3 基元级的增压原理

轴流式压气机主要是利用扩散增压的原理来提高空气压力的。亚音速气流流过扩张形通

道时，速度降低，压力升高。

基元级由工作叶栅和整流器叶栅通道组成，叶栅通道均是扩张形的，如图 4-14 所示。

当空气流过工作叶栅通道时，由于叶片间的通道是扩张形的，则使气流的相对速度降低，

相对运动动能转变为压力能和内能，使气流的压力和温度上升，由于高速旋转的叶片对空气

做功，使气流的绝对速度增大，还使气流的总压和总温都提高。

当气流流过整流器叶栅通道后，由于叶片间的通道也是扩张形的，使气流的绝对速度降

低，绝对运动动能转变为压力能和内能，使气流压力进一步提高，温度也继续上升，由于在

整流器叶栅通道内是绝能流动，故气流总压略有下降，而总温保持不变。基元级内气流参数

变化的情况如图 4-14 所示。

相对速度

绝对速度

压力

温度

叶轮

整流器

叶轮

整流器

图 4-14 叶轮和整流器的叶片通道及气流的参数变化

由此可见，空气在流过基元级时，不仅在工作叶轮内受到压缩，而且在整流器内也受到

压缩。在工作叶轮内，空气压力的提高，是相对运动动能减小的结果；在整流器内，是绝对

运动动能减小的结果。但是，不论是工作叶轮还是整流器，空气增压都是高速旋转的叶片对

空气做功的结果。这是因为，如果叶轮不转动，则叶轮进口气流相对速度就得不到提高，同

样，如果叶轮不对空气做功，叶轮出口气流绝对速度也得不到提高。

4.3.4 多级轴流式压气机

多级轴流式压气机是由各个单级组成的，所以多级轴流式压气机的任何一级，其工作原

理是完全相同的。但是，由许多单级按一定的次序组成多级压气机后，由于各个级在流程中

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压气机

的位置不同，它们的几何尺寸和进口参数是各不相同的，而形成了多级压气机中各个级的特

殊性。空气流过轴流式压气机时不断受到压缩，密度增加，因而从进口到出口，轴流式压气

机的环形通道面积逐渐减小，叶片高度逐渐减小，叶片数目逐渐增加。由于轴流式压气机通

道截面积逐渐减小，气流通道有等外径、等内径和等中径结构形式。

空气在压气机内的流动参数变化如图 4-15 所示。可以看出压气机出口气流速度稍低于

压气机进口气流速度。

*

轴流式压气机的增压比是压气机出口处的总压 p_2*与压气机进口处的总压 p_1*之比，用πc

表示。级的增压比是各级出口处的总压与各级进口处的总压之比，因此，压气机的总增压比

等于各个级的增压比的乘积。

压气机效率为理想绝热压缩功与实际压气机功之比，用来反映压气机内流动损失的大

小。

图 4-15 多级轴流式压气机内气流参数变化

压气机内的流动损失有：

1）在叶片表面附面层内气体的摩擦损失

由于气体的黏性，叶片表面总有附面层存在。

2）在逆压梯度作用下可能出现的附面层气流分离损失

在叶盆上由于逆压梯度不大，所以附面层不太厚，带来的损失也不严重；叶背上逆压梯

度较大，又有激波，使附面层加厚，甚至分离，造成严重的损失。

3）尾迹损失

当气流分别由叶盆和叶背流到叶型尾缘时，两边的附面层就汇合而成为叶片的尾流；由

于叶背附面层厚，而叶盆附面层薄，所以尾流是不对称的。

4）尾迹和主流区的掺混损失

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压气机

在尾流区中的总压比主流区的总压低得多，这是损失的主要部分；而尾迹和主流的掺混

过程中也会有损失。

5）激波损失

在叶片的前缘或背部可能出现超音速而造成的。

6）环壁附面层及其叶形附面层的相互作用引起的损失

7）径向间隙存在引起的损失

经过增压的气流会通过径向间隙轴向倒流至前方；叶盆的高静压气流也会经过径向间隙

潜流至叶背；倒流和潜流都会使叶栅的增压能力和效率下降。

4.3.5 压气机的喘振

1. 攻角和流量系数

叶片进口气流的相对速度 w₁和方向β₁，不一定与叶片的几何进口角β_1k一致，它们的差

值，称为攻角 i(见图 4-16)。影响攻角的因素有两个：一个是转速，另一个是工作叶轮进口

处的绝对速度(包括大小和方向)。

图 4-16 攻角

压气机的流量系数是工作叶轮进口处的绝对速度在发动机轴线上的分量和工作叶轮旋

转的切向速度之比。流量系数过小，导致正攻角过大，会使气流在叶背处分离；流量系数过

大，导致负攻角过大，会使气流在叶盆处发生分离。

2. 失速和堵塞

当压气机的转速一定时，如果由于某种原因使进入发动机的空气流量减少，导致工作叶

轮进口处绝对速度在发动机轴线方向上的分量下降，使攻角上升，到一定情况，攻角过大，

气流在叶背处分离，这种现象叫失速(见图 4-17)。

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压气机

当发动转速—定时，由于某种原因使工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴线方向上的分

量上升，使攻角下降，到一定情况，负攻角过大，气流在叶盆处分离，使叶片通道变小，甚

至出现喉道而发生堵塞(见图 4-17)。

3. 喘振

喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象。这种低频率高振幅的

气流振荡是一种很大的激振力来源，它会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温，并在

很短的时间内造成机件的严重损坏，所以在任何状态下都不允许压气机进入喘振区工作。

喘振时的现象是：发动机的声音由尖哨转变为低沉；发动机的振动加大；压气机出口总

压和流量大幅度的波动；转速不稳定，推力突然下降并且有大幅度的波动；发动机的排气温

度升高，造成超温；严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。因此，一旦发生上述现

象必须立即采取措施，使压气机退出喘振工作状态。

i<0

i>0

w

1

w

1

失速

堵塞

图 4-17 失速和堵塞

喘振的根本原因是由于气流攻角过大，在叶背处发生分离而且这种气流分离扩展到整个

叶栅通道。此时，压气机叶栅完全失去扩压能力，不能克服后面较强的反压，将气流推向后

方，于是流量急剧下降。不仅如此，由于动叶叶栅失去扩压能力，后面的高压气体还可能通

过分离的叶栅通道倒流至压气机的前方。这样，压气机后面的反压降得很低，整个压气机流

路在这一瞬间变得“通畅”，而且由于压气机仍保持原来的转速，大量的气流被重新吸入压气

机，压气机恢复“正常”流动和工作。然而，发生喘振的流动条件并没有改变，因此，气流

就又分离，分离区再扩展至整个叶栅通道，叶栅再次失去扩压能力，压气机后面的高压气体

再次向前倒流或瞬时中断，如此周而复始地进行下去，形成喘振。喘振的物理过程可用图 4-18

来表示。

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压气机

图 4-18 压气机喘振的物理过程

如果压气机的工作状态偏离设计状态过多，就会发生气流分离和空气动力诱导的振动。

这些现象通常是由下述两种形式之一引起的。转子叶片可能因为空气流相对叶片的迎角太大

或者太小而出现失速。前者是压气机前面级在低转速下发生的问题，而后者通常是高转速下

压气机后面级容易出现的问题，每一种都可以导致叶片振动。如果失速的叶片过多，则会引

起气流通道堵塞，使发动机出现喘振。压气机的设计要留有足够的喘振裕度，即压气机工作

线与喘振边界线之间有一定的距离，以避免进入喘振区。

4.3.6 压气机的防喘措施和原理

轴流式压气机的结构是根据设计点的气动参数进行设计的，当工作状态偏离设计点时，

各级的三角形也和设计点不同，也就是非设计点的参数与压气机的几何形状不协调，从而造

成了攻角过大或过小，于是就产生了喘振或堵塞。所以，防止喘振所采取措施的实质，是如

何使多级压气机在非设计状态下，都能保持与压气机几何形状相适应的速度三角形，也就是

攻角不要过大或过小。

从速度三角形的图上可以看出，使气流攻角 i（即相对速度 W₁方向）的改变，有三种速

度：C_1a、C_1u 和 u。所以防止喘振的方法，可以通过改变这三种速度来入手，改变攻角。具体

的说，通过改变进入压气机的空气量，改变 C_1a；通过改变预旋量的大小，改变 C_1u；通过改变

转速，改变圆周速度 u，保持与压气机几何形状相适应的速度三角形。目前，燃气涡轮发动

机防止喘振的措施，除从气动设计的改善着手外，主要是增设可调机构来改变上述三种速度。

与之相对应的防喘措施有三种：压气机中间级放气；可调静子叶片；双转子或三转子。

1. 压气机中间级放气

压气机中间级放气是通过改变气流流量即改变工作叶轮进口处绝对速度轴向分量 C_1a的

大小来改变其相对速度的大小和方向，改变攻角，进行防喘。这是通过放气活门或放气带实

现的(见图 4-19)。

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压气机

i>0

i<0

前面级

后面级

放气前

放气后

图 4-19 压气机中间级放气防喘

当打开放气系统时，由于减少了空气流路的阻力，所以位于放气系统之间的压气机级的

空气流量就增加了。因而前面级的轴向速度就增大，气流攻角减小，从而避免了发生喘振而

保持稳定工作。放气系统后面的各级空气流量却由于放气而减少，于是气流攻角增加，使其

脱离堵塞状态，因此，放气的结果是使前后各级都朝着有利的工作状态变化，使工作协调，

保证了发动机安全可靠地工作。但中间级放气会使压气机的增压比下降，减少功率输出。

2. 可调静子叶片

静子叶片角度做成可调节的，即通过改变静子叶片的安装角，改变工作叶轮进口处绝对

速度的切向分量 C_1u，即预旋量的大小，从而改变进口处相对速度的方向，减小攻角进行防喘

(见图 4-20)。

w₁

c_1a

u

c_1u

c '

1u

可调静子叶片

调整前

调整后

图 4-20 可调静子叶片防喘

3. 双转子或多转子

这是一种改变圆周速度 u 的防喘方法。在一个大的多级轴流式压气机，对于发动机全部

转速匹配所有的级是困难的。将压气机转子分开成多个转子是防喘的好办法。双转子或三转

子防喘是通过改变转子转速，即改变压气机动叶的切线速度 u，来改变工作叶轮进口处气流

相对速度的方向，以减小攻角，进行防喘(见图 4-21)。

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压气机

图 4-21 双转子防喘

4.4 离心式压气机

4.4.1 离心式压气机的组成和工作原理

离心式压气机又称径向外流压气机，由进气系统、叶轮、扩压器和集气管等部分组成，

如图 4-22 所示。压气机通过中间联轴节与涡轮轴相接。叶轮叶片的进口部分为迎合气流相对

运动的速度方向，做成向旋转方向前弯。叶轮上叶片间的通道是扩张形的，叶轮高速旋转，

空气流过它时，对空气做功，加速空气的流速，同时提高空气压力。

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压气机

图 4-22 离心式压气机

工作叶轮由涡轮驱动高速旋转，空气连续地吸入叶轮的中心。离心力的作用使空气径向

向外流向叶轮尖部，使空气加速并造成压力升高。叶轮分单面叶轮和双面叶轮两种，双面叶

轮从两面进气，可以增大进气量，而且对于平衡作用在轴承上的轴向力也有好处。气流从工

作叶轮流出后进入扩压器。扩压器（见图 4-23）位于叶轮的出口处，是一个环形室，装有一

定数量的整流叶片，相邻叶片间的通道是扩张形的，空气流过时，将大部分动能转化成压力

能，速度下降，压力和温度上升。集气管的主要功用是使气流变为轴向，将空气引入燃烧室。

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压气机

扩压器叶片

叶轮

图 4-23 离心式压气机的扩压器

4.4.2 离心式压气机的特点

离心式压气机的优点突出，如结构简单，性能稳定，安全可靠，成本低，维护方便，单

级增压比较大，可达 12 以上，但是它的效率比较低，迎风面积比较大。

如果离心式与轴流式配合使用，采用混合压气机，如图 4-24 所示。在离心压气机的基

础上面增加轴流级的级数来增大空气流量和增压比，以提高功率，扩大使用范围和降低油耗，

改善经济性。

轴流式压气机

离心式压气机

图 4-24 混合式压气机

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压气机

离心式压气机在航空上，主要用于小型涡轴、涡桨发动机和大型飞机的辅助动力装置，

例如，各种直升机，支线客机，初、中级教练机上的动力装置。在小型动力装置上使用它，

可以充分地发挥其优点，并能促使它原来一些缺点的转化，如效率问题，就不比小型轴流式

压气机差。

4.5 典型发动机压气机的维护介绍

4.5.1 典型发动机压气机的部件识别

1. 压气机转子

1）典型发动机的压气机转子，如图 4-25 所示；

2）典型发动机的风扇叶片，如图 4-26 所示；

3）典型发动机压气机的转子叶片，如图 4-27 所示。

2. 压气机静子

1）典型发动机的压气机静子，如图 4-28 所示；

2）典型发动机的高压压气机进口导向叶片，如图 4-29 所示。

轴

转子叶片

轮盘

图 4-25 压气机转子

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压气机

图 4-26 风扇叶片

图 4-27 压气机转子叶片

机匣

静子叶片

图 4-28 压气机静子

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压气机

图 4-29 压气机进口导向叶片

4.5.2 典型发动机压气机的维护及安全注意事项

1. 风扇叶片的维护及安全注意事项

风扇叶片在日常运营中容易遭受鸟击等外来物损伤，产生凹痕，刻痕，缺口，裂纹，撕

裂，叶片变形擦伤等损伤，同时在长时间在翼使用可能由于疲劳发生断裂。对金属材料的风

扇叶片，其榫头和风扇盘榫槽需要定期润滑以保持发动机振动值在合理水平。

对在发动机厂家手册标准内的损伤，可以正常放行，对不允许的损伤，必须打磨修理风

扇叶片甚至更换叶片才能放行。更换风扇叶片时一般成对更换，如果单片更换，由于叶片的

重量矩不一定匹配，可能需要重排叶片。

另外，为预防风扇叶片疲劳断裂，需要定期对风扇叶片进行无损检测，提前发现有和更

换缺陷的叶片。保持停机坪和跑道的干净，严格管理工具和零件，防止杂物吸入发动机或掉

入打坏叶片。准确了解掌握风扇叶片的损伤形式和特征，在进行检查时准确测量各缺陷的尺

寸，严格按手册标准放行发动机。

2. 压气机的维护及安全注意事项

压气机是航空发动机中的重要部件，在高温、高压、振动以及巨大的离心力等恶劣的工

作环境下，易产生腐蚀、疲劳裂纹甚至断裂等故障。压气机因各种原因发生喘振时，也会造

成压气机叶片的损伤。如果不能及时发现这些损伤，会造成发动机空中停车，危及飞行安全。

为避免压气机喘振，在维修工作中应注意经常按规定进行检查，如防喘机构的工作状况，

作动机构的校装。操作油门杆动作不要过急过猛，一旦发生喘振，应收油门从喘振中退出。

发动机试车前应检查进气道以及停机坪周围清洁，避免发动机工作时吸入外来物；航前、航

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燃烧室

6. 尺寸小，重量轻

通常燃烧室的外径是发动机的最大直径。若减小燃烧室径向尺寸，可缩小发动机径向尺

寸，减小飞机发动机的迎风面积。燃烧室短一些，将缩短发动机总长，而且也使涡轮至压气

机的转动轴变短，从而可以减轻机匣和转子的重量。

衡量燃烧室容积的利用程度，往往用容热强度这个参数，其定义为：在单位压力和单位

燃烧室容积中，一个小时之内，进入燃烧室的燃油燃烧实际所释放出的热量。容热强度大，

表示燃烧室的尺寸小；容热强度小，表示燃烧室的尺寸大。

7. 寿命长

在航空发动机的部件中，因燃烧室是在高温情况下工作，条件十分恶劣，往往需要经常

检修或更换零件，因此合理地组织燃烧和冷却，改善它的工作条件，或者采用高性能的耐热

材料等，以提高燃烧室的寿命。燃油喷嘴的维护对燃烧室使用寿命的长短是至为关键的。

8. 燃烧产物对大气的污染要小

有 4 种主要污染物是受法规控制的。它们是未燃烧的碳氢化合物(未燃烧的燃油)、烟(碳

粒子)、一氧化碳和氮的氧化物 NOx。航空发动机的排气是大气污染源之一，应尽量减少有害

成分的排放。

5.2 燃烧室的工作原理

5.2.1 燃烧室的工作特点

1. 燃烧室工作的基本情形

发动机工作时，被压气机压缩后的空气进入燃烧室，一边向后流动，一边与燃油喷嘴喷

出的燃油混合，组成混合气。燃烧室工作原理的简图如图 5-1 所示。

图 5-1 燃烧室的工作原理

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燃烧室

的传播速度，以保证能达到稳定燃烧的条件。

燃烧室前部的通道是扩散形的，亚音速气流在扩散形的管道内，速度下降，这样就可以

将速度由 100 米/秒以上降到 40-60 米/秒左右。旋流器是由若干旋流片按一定角度沿周向排

列成的，安装在火焰筒的前部。当空气流过旋流器时，产生旋转运动，气流被惯性离心力甩

向四周，使燃烧室中心部分空气稀薄，形成一个低压区。于是火焰筒四周的空气及后部一部

分高温燃气便向火焰筒前部中心的低压区倒流，形成回流，如图 5-2 所示。在燃烧室中有回

流的地方叫回流区，回流区的外边叫主流区。由于气流在火焰筒内形成回流，加之主流区与

回流区之间的黏性作用，使火焰筒内同一个截面上的气流速度是不相等的，如图 5-3 所示。

轴向速度等于零的地方，叫回流边界。主流区靠近回流边界的地方，气流轴向速度比较小，

为形成点火源提供了有利条件。

图 5-2 空气流过旋流器后的情形

图 5-3 火焰筒内气流速度分布

2. 限制燃烧的温度，确保燃烧室和涡轮的安全工作

由压气机来的空气分成两股进入燃烧室：第一股由燃烧室的头部经过旋流器进入，约占

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燃烧室

总进气量的 25％左右。其功用是与燃油混合，组成余气系数稍小于 1 的混合气进行燃烧。第

二股气流由火焰筒侧壁上开的小孔及缝隙进入燃烧室，占总进气量的 75％左右。其功用是用

于降低空气速度，补充燃烧，与燃气掺混，稀释并降低燃气温度，控制燃烧室出口处的温度

分布，满足涡轮对温度的限制要求；冷却火焰筒的外壁，同时冷空气在火焰筒的内壁形成一

个气膜，将高温燃气与火焰筒的内壁分开而不直接接触，来冷却保护火焰筒。如图 5-4 所示。

从旋流器流进来的空气和从二股气流孔进来的空气互相作用，形成低速回流区，起稳定

和系留火焰的作用。设计中应当使从燃油喷嘴呈锥形喷出的燃油与回旋涡流的中心相交，这

样和主燃区的总体湍流一起，极大地帮助雾化燃油并使之与空气混合，如图 5-5 所示。

图 5-4 空气流的分配

图 5-5 燃烧室的气流和火焰稳定

5.2.3 燃烧室的常见故障

燃烧室是发动机的重要部件，燃烧室的不正常工作，将导致发动机不能正常工作，因此

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燃烧室

在日常的使用和维护中，应做好预防措施，防止燃烧室产生故障。

燃烧室的常见故障有局部过热和燃烧室熄火。

1. 局部过热

发动机在正常工作时，火焰筒是存在着温度差的，也就是说存在着一定的热应力，正常

工作时的热应力是材料强度所允许的，火焰筒并不至于损坏。而当燃烧室局部温度过高，火

焰筒各处的温度差增大到一定程度时，就会引起火焰筒变形或产生裂纹，缩短燃烧室的使用

寿命。这种使火焰筒的某些部分过度受热的现象，叫做燃烧室局部过热，其原因有燃油分布

不均匀和空气流动遭到破坏。在使用和维护中，应该防止这种故障的发生。

2. 燃烧室熄火

在飞行中，发动机因燃烧室熄火而造成空中停车，是一种严重的事故征候，如果处理不

当，还可能造成严重事故。当燃烧室熄火时，将出现下列现象：飞机发生抖动，飞机发出不

正常的声音，转速和排气温度突然下降，油门操纵失灵，飞机失去推力，飞行速度不断减小。

燃烧室熄火分为贫油熄火和富油熄火，其根本原因是混合气的余气系数超出了稳定燃烧

的范围。从燃烧室的工作过程可知，燃烧室进口处气流速度越大，则稳定燃烧的余气系数的

范围越小，而当气流速度超过一定数值后，无论用多大的余气系数，都无法维持稳定燃烧，

如图 5-6 所示。根据熄火的原因，防止燃烧室熄火主要在于增大稳定燃烧范围，把混合气余

气系数保持在稳定燃烧范围内。

图 5-6 燃烧室熄火特性

在飞机起飞、进近、着陆阶段，为了防止燃烧室熄火，确保飞行安全，需要接通发动机

点火电门加强发动机点火。飞行中，在复杂的气象条件下（如颠簸气流、严重积冰区、大雨

等），也需接通发动机点火电门，实施点火，同时还需要维持发动机一定的转速，以提高稳定

的燃烧范围。

在发动机的维护工作中，应加强对压气机防喘系统的检查和维护，使之处于良好的状态，

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燃烧室

防止因防喘系统有故障而发生喘振，导致燃烧室熄火停车。应定期对燃油喷嘴进行检查，以

保证燃油喷嘴的工作性能处于良好的状态。

5.3 燃烧室的类型和主要部件

5.3.1 燃烧室的主要部件

图 5-7 是典型的单管燃烧室。它基本上是由机匣、扩压器、火焰筒、燃油喷嘴、点火装

置等组件组成的。在单管燃烧室中，联焰管起着传播火焰，点燃没有点火装置的火焰筒内的

燃油，并起着均衡压力的作用。

火焰筒

机匣

扩压器 旋流器 燃油喷嘴

联焰管

图 5-7 单管燃烧室

1. 机匣

燃烧室机匣用来构成二股气流的通道。

在环管形和环形燃烧室中，燃烧室机匣由内、外机匣组成，内、外机匣直径很大，厚度

很薄，又都需要承受负荷，是发动机的主要承力构件，因此内、外机匣必须具有足够的强度

和刚度。

2. 扩压器

壳体和火焰筒头部之间构成扩散通道，用来降低流速，提高压力，保证燃烧顺利进行和

减少压力损失。

扩压器构造合理对改善燃烧条件，改善燃烧室性能、减小燃烧室尺寸和减轻重量具有重

要意义。此外，在目前环形燃烧室中，还广泛采用将燃烧室进口扩压段并入压气机出口扩压

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燃烧室

图 5-8 多个单管燃烧室

2. 环管形燃烧室

环管形燃烧室是由若干个管式火焰筒，沿圆周均匀安装在同一个内、外壳体间的环形空

腔内，相邻火焰筒燃烧区之间用联焰管联通，它由内壳、外壳、若干个火焰筒和喷嘴等组成，

如图 5-9 所示。

环管形燃烧室兼有多个单管燃烧室易于翻修和试验以及环形系统紧凑的优点；比类似的

多管燃烧室尺寸较小，重量较轻；外壳体可以传递扭矩，从而改善发动机整体刚性，有利于

减轻发动机的结构重量。它的缺点是气动损失相当高，以及从一个火焰简到另一个火焰简点

火困难。环管形燃烧室多用于轴流式压气机的发动机上。

3. 环形燃烧室

图 5-10 所示是环形燃烧室。环形燃烧室由四个同心圆筒组成，最内、最外的两个圆筒

为燃烧室的内、外机匣，中间两个圆筒构成环形火焰筒，在火焰筒的头部装有一圈旋流器和

喷油嘴。

环形燃烧室的主要优点是火焰筒结构简单，环形面积利用率高，迎风面积小、重量小，

点火性能好，总压损失较小，以及出口温度分布均匀。环形燃烧室的缺点是制造费用高，拆

卸困难和耗费时间。

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燃烧室

图 5-9 环管形燃烧室

图 5-10 环形燃烧室

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燃烧室

环形燃烧室多用于轴流式压气机的发动机，民用飞机上所用的 JT9D，CFM56，PW4000，

GE90 等发动机都是这种燃烧室。某些小型机上采用环形回流燃烧室(见图 5-11)，燃烧室围在

涡轮外面。这样大大减少了发动机的轴向长度，特别适合于尺寸受限制的发动机，但涡轮的

孔探检查困难。

图 5-11 环形回流燃烧室

减少燃烧排故污染物的一个方法是使用双环形燃烧室(见图 5-12)。一个燃烧区称为先导

级，空气和燃油经主预混室燃烧，总在工作；另一个称为主级，空气和燃油经副预混室燃烧，

仅在高功率状态工作。对于每一级，空气燃油比控制比标准燃烧室更好，减少了一氧化碳和

碳氢物的排放。双环形燃烧室比标准燃烧室更短，减少了排气在热区的时间，由此减少了氮

氧化物的生成。

图 5-12 双环形燃烧室

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