本书从产品研发角度介绍航空发动机组合压气机设计，具有比较强的针对性。本书内容涉及航空发动机组合压气机设计的主要环节，包括设计要求与分析、气动设计、结构设计、热分析、强度设计、试验验证与典型故障介绍等。本书旨在通过对组合压气机设计方法及设计流程的介绍，使读者对组合压气机的设计有一个系统的概念，有利于从事航空发动机组合压气机研发的相关人员更好地开展工作。 本书不仅能对具备一定压气机设计基础知识的技术和管理人员提供帮助，也可以作为航空院校相关专业教师和研究生的参考资料。

第1章绪论
　　涡轴发动机是燃气发生器中产生的燃气通过动力涡轮驱动转轴，从而输出轴功率的燃气涡轮发动机。从20世纪40年代美国成功研制出世界上第一台涡轴发动机T50开始，涡轴发动机不断改进创新、更新换代，迄今已有四代投入使用。
　　第一代，20世纪50～60年代，以T58GE10和宁巴斯发动机为代表；第二代，20世纪60年代末到70年代，以美国艾里逊（Allison）公司的T63A720涡轴发动机为代表；第三代，20世纪80年代，以美国通用电气（General　Electric，GE）公司的T700GE701A、法国透博梅卡（Turbomeca）公司的TM333、英国罗尔斯罗伊斯（RollsRoyce，RR）公司和法国透博梅卡公司联合研制的RTM322等发动机为代表；第四代，20世纪90年代，以德国MTU公司、法国透博梅卡公司及英国RR公司联合推出的　MTR390　发动机以及美国艾里逊公司和盖瑞特（Garrett）公司联合推出的T800LHT800等发动机为代表；第五代正在研制之中。典型涡轴发动机图片见图1.1。
　　表1.1列出了国外各代典型涡轴发动机压气机的结构形式，从表中可以看出目前处于生产和使用高峰的第三代发动机均采用了轴流加离心的组合式压气机。
　　国内在轴流离心压气机的设计和试验研究方面，早已走过了设计、加工、试验、完善设计的全过程，积累了丰富的研制经验，形成了一整套组合压气机研发体系，且具备进行各流量量级的轴流离心组合压气机试验和测试条件。其中国内比较有代表性的是中国航发湖南动力机械研究所自主设计的第三代“玉龙”系列涡轴发动机，其采用了轴流加离心的组合式压气机。
　　本章将对组合压气机的结构形式、中小型涡轴发动机采用组合压气机的原因、组合压气机如何设计以及组合压气机设计的要求等内容进行宏观介绍。
　　1.1组合压气机简介
　　压气机是叶轮机械的一个分支，在燃气涡轮发动机中则是三大核心部件之一，其基本功能是在运行与起动包线内及其他联合限制的条件下为燃烧室及其他发动机部件提供一定压力的气流，令它们能够稳定可靠地工作，不得喘振。
　　按空气流动形式，压气机分为轴流压气机、离心压气机和斜流压气机。在大型航空发动机中主要采用的是轴流压气机，而在中小型航空发动机中，则有单级离心压气机、双级离心压气机、轴流离心组合压气机或斜流离心组合压气机等多种结构形式，见图1.2。本书所指的组合压气机是指轴流与离心的组合式压气机，而且是单轴结构的组合压气机。
　　图1.2航空发动机中常见的压气机结构形式
　　1.2采用组合压气机的原因
　　通常，轴流压气机适宜作为大流量航空发动机的压气机部件，单级压比低，但效率高；离心压气机适宜作为中小流量航空发动机的压气机部件，其单级压比高，但效率偏低。轴流离心组合压气机兼顾了两者的优点，具有相对较高的压比和效率水平。
　　压气机设计点进、出口换算流量之间的关系既包含了压气机主要设计指标的综合影响，也间接反映了其尺寸的大小以及可能的尺寸效应。由于尺寸效应的影响，以及轴流级和离心级对叶尖间隙敏感性的差异，通常根据压气机出口换算流量大小或进口换算流量和压比大小，可以大致确定不同压气机结构布局的适用范围，如图1.3和图1.4所示。压气机基本级的结构形式一般根据比转速确定，见图1.5和图1.6。
　　图1.3压气机流量对效率的影响
　　同时，压气机设计点进、出口换算流量取决于发动机的循环参数的选择，决定了压气机流道几何及叶尖相对间隙的大小量级，因而，涡轴发动机的功率等级也可大致反映出压气机的结构布局特点和趋势。从统计上看，如图1.7所示，对于750kW级以下的涡轴发动机，压气机构型经历了从轴流+离心，到轴流+离心与单级离心并存的发展过程，尤其是500kW级以下更加普遍地采用单级离心压气机；对于750～1500kW级，经历了从多级轴流到轴流+离心，再到轴流+离心与双级离心并存的发展过程；对于1500kW级以上，经历了从多级轴流到轴流+离心的发展过程；总体来看，在各功率等级下，压气机均朝着结构紧凑化方向发展，级数越来越少。
　　图1.4压气机流量、压比对压气机结构形式的影响
　　图1.5比转速对离心压气机效率的影响
　　航空发动机的研制是一项复杂的系统工程，其具有内在的规律性：　统筹策划的系统性、自主研发的正向性、专业学科的综合性、技术应用的成熟性、方案优化的迭代性、过程管控的科学性。压气机作为发动机的核心部件，其设计必须服从发动机整机设计的内在规律。发动机是否采用组合压气机结构形式，需根据发动机用途及功率或推力等级、整机的经济性和可靠性、发动机对压气机部件性能参数和结构的具体要求、技术继承性、产品改进改型发展空间、目前的软硬件条件等因素进行综合论证。如果采用组合压气机结构形式，则一定是从发动机整机角度综合权衡的一种*优选择，而不能是基于设计者个人经验和片面认识的一种选择。
　　图1.6比转速对压气机基本级结构形式的影响
　　图1.7压气机结构形式变化趋势示意图

目录
涡轮机械与推进系统出版项目 序
“两机”专项：航空发动机技术出版工程 序
前言
第1章　绪论
1.1　组合压气机简介　003
1.2　采用组合压气机的原因　004
1.3　组合压气机如何设计　007
1.4　组合压气机设计要求　007
1.4.1　气动设计要求　007
1.4.2　结构设计要求　008
第2章　组合压气机气动设计
2.1　平均参数设计　010
2.1.1　平均参数设计原理　011
2.1.2　平均参数设计与分析　016
2.2　S2流面设计　019
2.2.1　S2流面反问题设计原理　019
2.2.2　S2流面反问题设计与分析　023
2.3　叶片设计　027
2.3.1　叶片设计原理　027
2.3.2　叶片参数选取与造型　032
2.4　三维数值计算分析　041
2.4.1　三维数值计算方法　041
2.4.2　三维数值计算结果分析　044
2.5　气动扩稳设计　049
2.5.1　非设计工况下的级间不协调性　049
2.5.2　气动扩稳原理　050
2.5.3　气动扩稳设计与分析　053
第3章　组合压气机结构设计
3.1　结构特点及设计准则　058
3.2　结构布局设计　059
3.2.1　结构布局介绍　059
3.2.2　转子及支承结构　060
3.2.3　承力结构　060
3.2.4　调节机构　061
3.2.5　滑油系统和空气系统　061
3.2.6　选材及工艺性分析　061
3.3　转子结构设计　063
3.3.1　整体轴流叶轮　064
3.3.2　离心叶轮　066
3.3.3　中心拉杆　067
3.3.4　转动密封件　068
3.4　静子结构设计　071
3.4.1　轴流机匣　072
3.4.2　静子叶片　076
3.4.3　叶轮外罩　078
3.4.4　扩压器　079
3.4.5　扩压器机匣　080
3.4.6　静子叶片角度调节机构　082
3.5　零件选材　084
3.5.1　选材原则　084
3.5.2　常用材料　084
3.6　结构设计分析　085
3.6.1　叶尖间隙设计及分析　085
3.6.2　径向配合关系选择及分析　087
3.6.3　轴向尺寸关系确定及分析　088
第4章　组合压气机热分析
4.1　概述　089
4.2　热分析基本原理　089
4.2.1　热传递的基本方式　089
4.2.2　热传递的基本定律　093
4.3　热分析方法　098
4.3.1　数学分析求解方法　098
4.3.2　离散数值求解方法　099
4.4　温度场计算与分析　101
4.4.1　计算输入　101
4.4.2　计算流程　102
4.4.3　温度场计算　103
第5章　组合压气机强度设计
5.1　静强度分析　107
5.1.1　分析方法　107
5.1.2　静强度评估　111
5.2　振动分析　111
5.2.1　设计方法　111
5.2.2　振动评估　114
5.3　寿命分析　115
5.3.1　低循环疲劳寿命　116
5.3.2　高周疲劳强度　117
5.3.3　蠕变/持久寿命　117
5.3.4　损伤分析　118
5.4　机匣包容性分析　119
5.5　外物损伤分析　119
5.6　刚度/变形分析　120
第6章　组合压气机试验验证
6.1　组合压气机气动性能试验　121
6.1.1　叶栅性能试验　121
6.1.2　低速模拟压气机性能试验　122
6.1.3　组合压气机部件性能试验　123
6.2　组合压气机结构强度试验　130
6.2.1　转子强度试验　130
6.2.2　低循环疲劳寿命试验　131
6.2.3　机匣强度试验　132
6.2.4　叶片振动疲劳试验　133
第7章　组合压气机典型故障及分析
7.1　转静子碰磨故障　135
7.1.1　整体叶片盘叶片刮磨裂纹故障　135
7.1.2　间隔环刮磨断裂故障　136
7.1.3　离心叶轮刮磨钛火故障　136
7.2　组合压气机转静子件裂纹/掉块故障 137
7.2.1　离心叶轮盘体掉块故障　137
7.2.2　离心叶轮叶片裂纹故障　138
7.2.3　间隔环裂纹故障　139
7.2.4　扩压器叶片根部裂纹故障　139
第8章　组合压气机未来发展
8.1　先进气动设计技术　141
8.1.1　复合弯掠叶片设计技术　141
8.1.2　基于变系数对流扩散方程的叶片设计方法　143
8.1.3　曲率连续前缘叶型设计技术　146
8.1.4　先进离心叶轮设计技术　148
8.1.5　先进扩压器设计技术　150
8.2　先进结构设计技术　152
8.2.1　功能、性能、强度多学科智能优化设计技术　152
8.2.2　基于新材料、新工艺的先进结构设计技术　153
8.3　未来发展趋势　160
参考文献　162