航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)構(gòu)造-第4章-渦輪

1、Gas Turbine Aero-engine第4章 渦 輪Company Logo第四章 渦輪 Turbine4.4渦輪靜子結(jié)構(gòu)4.3渦輪葉片的冷卻4.1渦輪的類型和組成4.5渦輪部件的冷卻4.2渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)第四章 渦輪 Turbine渦輪功用: 將燃燒室出口燃?xì)獾牟糠譄崮芎蛪毫δ苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能,帶動壓氣機(jī)和附件工作渦輪分類:軸流式Axial flow徑流式Centripetal flow單轉(zhuǎn)子Single spool turbines雙轉(zhuǎn)子Twin-spool turbines三轉(zhuǎn)子Tri-spool turbines 4.1 渦輪的類型和組成沖擊式Impulse turbine blade

2、s反力式Reaction turbine blades沖擊反力式Combined impulse/reaction4.1 渦輪的類型和組成4.1 渦輪的類型和組成4.1 渦輪的類型和組成僅僅由燃?xì)鉀_擊驅(qū)動渦輪4.1 渦輪的類型和組成-沖擊式V3 由燃?xì)饬鞯臎_擊及通過收斂工作葉片通道加速的反作用驅(qū)動的渦輪4.1 渦輪的類型和組成-反力式4.1 渦輪的類型和組成-沖擊反力式 渦輪組成： 渦輪轉(zhuǎn)子 渦輪靜子每級由一個導(dǎo)向器和一個工作葉輪組成。4.1 渦輪的類型和組成航空燃?xì)鉁u輪的特點(diǎn)： 功率大、燃?xì)鉁囟雀摺⑥D(zhuǎn)速高、離心力大， 熱應(yīng)力大，同時還要求重量輕，尺寸小。 熱負(fù)荷和動力負(fù)荷大，工作條件惡劣，是

3、發(fā)動機(jī)使用中故障較多的部件。4.1 渦輪的類型和組成4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)渦輪轉(zhuǎn)子 rotors 組成： 渦輪盤 disk 渦輪軸 shaft 工作葉片 blades 連接件 attaching parts4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)CFM56-7B high pressure turbine rotor4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)CFM56-3發(fā)動機(jī)高壓渦輪前軸4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)CFM56-3發(fā)動機(jī)高壓渦輪前軸4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)CFM56-3發(fā)動機(jī)高壓渦輪后軸4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)CFM56-3發(fā)動機(jī)高壓渦輪前旋轉(zhuǎn)空氣封嚴(yán)4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4.2.1 轉(zhuǎn)子的連接結(jié)構(gòu)

4、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：多級渦輪一般采用盤鼓混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：除了和壓氣機(jī)一樣要保證足夠的強(qiáng)度和剛性， 定心可靠、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、制造容易、裝 拆方便外還要注意： （1）減少向軸傳熱、改善軸承的工作條件； （2）在各種工作條件下，保證各部件定心可靠； （3）大多數(shù)渦輪機(jī)匣采用整體式 一、不可拆的盤軸連接盤軸間采用圓柱面定心，緊度配合，徑向銷釘連接，剪切傳力，一、不可拆的盤軸連接只要沿圓周裝有3個經(jīng)上銷釘，則在各種工作狀態(tài)下相互配合的兩個零件可以自由徑向變形而它們的中心位置始終保持不變一、不可拆的盤軸連接熱定心功能的各種形式端面齒連接一、不可拆的盤軸連接徑向銷釘連接方案優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，加工方便， 強(qiáng)

5、度、剛度較好。一、不可拆的盤軸連接-焊接一、不可拆的盤軸連接-整體二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接24個精密螺栓連接，保證工作時定心并傳遞負(fù)荷。配合緊度靠控制螺栓頭與安裝邊間的間隙保證，適用于多次裝配二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接可以將軸和輪盤外緣直接相連二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但封嚴(yán)環(huán)可以阻擋高溫對輪盤盤身及傳力鼓環(huán)的影響二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接低壓渦輪通過一個錐形支承盤與二，三級輪盤的鼓環(huán)相連二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接短螺栓采用帶沖鉚固定的自鎖螺帽二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接各輪盤間用短螺栓連接，整個轉(zhuǎn)子通過三，四級盤間的輪轂借花鍵與低壓軸

6、連接二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接第二級和第四級盤鼓間采用電子束焊，結(jié)構(gòu)簡化二、可拆卸式盤軸連接-用短螺栓連接二、可拆卸式盤軸連接-用長螺栓連接盤前有凸臺用于小發(fā)動機(jī),可拆1、中心長螺桿連接傳力2、圓弧端齒定心傳扭二、可拆卸式盤軸連接-用長螺栓連接可拆，六根長螺桿傳力，圓弧端齒定心、傳扭二、可拆卸式盤軸連接-用長螺栓連接4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接 工作葉片工作環(huán)境 離心力、氣動力、熱應(yīng)力及振動負(fù)荷；受 到燃?xì)鈬?yán)重腐蝕；冷熱疲勞 第一級渦輪工作葉片的強(qiáng)度對發(fā)動機(jī)的熱 力參數(shù)的選擇起著決定性作用 4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接工作葉片組成：葉身、榫頭、中間葉根工作葉片葉身特點(diǎn)：

7、（1）葉身厚度較大（2）彎曲程度較大（3）截面積沿葉高的變化劇烈（4）內(nèi)部一般有冷卻通道（5）具有抗振結(jié)構(gòu)4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接4.2.2 工作葉片及其與輪盤的連接一、葉片抗振措施：調(diào)頻（切角）一、葉片抗振措施：帶冠葉片一、葉片抗振措施：帶冠葉片平行四邊形葉冠俯視圖鋸齒形葉冠俯視圖一、葉片抗振措施：帶冠葉片平行四邊形葉冠在使用中常出現(xiàn)磨損不一致的問題；鋸齒形葉冠預(yù)扭壓緊，緊度加大，減振效果好。一、葉片抗振措施：帶冠葉片圖433 斯貝(a)

8、、RB211(b)發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片RR公司帶冠高壓渦輪工作葉片一、葉片抗振措施：帶冠葉片CFM56發(fā)動機(jī)低壓渦輪工作葉片一、葉片抗振措施：帶冠葉片CFM56發(fā)動機(jī)低壓渦輪工作葉片一、葉片抗振措施：帶冠葉片優(yōu)點(diǎn)：提高渦輪效率，提高葉片剛性 減振效果好缺點(diǎn)：加大了葉根離心負(fù)荷，葉冠和葉身轉(zhuǎn)接處 容易應(yīng)力集中一、葉片抗振措施：帶冠葉片二、中間葉根作用：減小葉片對榫頭的傳熱，使盤緣避開高溫區(qū)域，減小應(yīng)力分布不均勻度可引入冷卻空氣，降低榫頭和輪緣的溫度，減小輪盤熱應(yīng)力，減輕輪盤重量二、中間葉根二、中間葉根阻尼塊與中間葉根間產(chǎn)生摩擦阻尼減振三、葉片與輪盤的連接葉片與輪盤用榫頭連接:負(fù)荷大;離心力大;溫度

9、高因此，渦輪葉片榫頭有一些特殊要求：允許榫頭連接處受熱可以自由膨脹；傳熱性要好，葉片的熱量容易傳走連接方式：廣泛采用樅樹型榫頭。樅樹型榫頭連接方式：廣泛采用樅樹型榫頭。優(yōu)點(diǎn)： 材料利用合理、重量輕 周向尺寸小、可安裝較多葉片 可自由熱膨脹、熱應(yīng)力小 裝配間隙可起到振動阻尼作用 可在與非支承表面間間隙通入冷卻空氣進(jìn)行冷卻 裝拆更換方便缺點(diǎn)： 應(yīng)力集中嚴(yán)重 連接處熱傳導(dǎo)差 加工精度要求高樅樹型榫頭樅樹型榫頭樅樹型榫頭葉片的軸向固定HPT BLADE RETENTION SYSTEM連接方式：廣泛采用樅樹型榫頭。CFM56-7B high pressure turbine rotor4.2 渦輪轉(zhuǎn)子

10、結(jié)構(gòu)CFM56-3發(fā)動機(jī)高壓渦輪前旋轉(zhuǎn)空氣封嚴(yán)4.2 渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4.3渦輪葉片的冷卻4.3渦輪葉片的冷卻4.3渦輪葉片的冷卻在過渡工作狀態(tài)，各截面的溫度分布極不均勻，每起動-停車一次，葉片內(nèi)的熱應(yīng)力就交變一次，容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。4.3渦輪葉片的冷卻作用提高渦輪前燃?xì)鉁囟?，提高發(fā)動機(jī)性能冷卻方式：對流冷卻：將冷卻空氣引入葉身，通過對流冷卻沖擊冷卻:幾股冷空氣射流正對著被冷卻表面,強(qiáng)化局部換熱氣膜冷卻：氣流由葉片表面小孔排出，在葉片表面產(chǎn)生一層冷卻氣膜發(fā)散冷卻：葉片外壁由多孔材料構(gòu)成，冷卻空氣由壁面小孔流出4.3渦輪葉片的冷卻冷卻方式-對流冷卻冷卻方式-對流冷卻頂蓋小孔可排雜質(zhì)冷卻方式-對流冷

11、卻冷卻方式-沖擊冷卻（噴射式冷卻）空心葉片內(nèi)有導(dǎo)流片，導(dǎo)流片上有小孔與縫隙 冷卻方式-氣膜冷卻冷卻效果好，一般可使溫度降低400-600度冷卻方式-氣膜冷卻冷卻方式-氣膜冷卻冷卻氣從榫頭底部流入，前部采用對流沖擊及氣膜冷卻，后部為對流冷卻，氣流由葉片尾緣及葉尖排出冷卻方式冷卻氣從葉片內(nèi)腔通過壁面無數(shù)小孔滲出，對流和氣膜冷卻，冷卻效果最好，但是多孔材料容易堵塞。冷卻方式-發(fā)散冷卻陶瓷葉片材料工藝4.4 渦輪靜子渦輪靜子組成： 渦輪機(jī)匣（整體式）、導(dǎo)向器渦輪機(jī)匣設(shè)計要求： （1）剛性均勻、重量輕，便于裝拆 （2）機(jī)匣相互間定心良好、轉(zhuǎn)子與靜子之間能保持良好定 心度 （3）渦輪葉尖間隙小、效率高 （

12、4）能夠經(jīng)受熱沖擊、熱疲勞、處理好傳熱與自由膨脹的 關(guān)系4.4.1 渦輪機(jī)匣 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 渦輪機(jī)匣處于高溫燃?xì)庵?，冷熱變化大，一般采用整體式； 為了裝配方便，一般采用軸向分段，分為高壓和低壓兩個單元體。一、 渦輪機(jī)匣沿軸向分段一、 渦輪機(jī)匣安裝邊端面裝入幾個不等距的精密配合的銷釘作為徑向和周向定位件一、渦輪機(jī)匣銑去各螺栓孔間的材料，減少熱應(yīng)力，減輕重量 渦輪徑向間隙：渦輪機(jī)匣與工作葉片葉尖之間 的距離。 對渦輪效率影響很大，應(yīng)該盡量減小。 影響徑向間隙的因素：（1）工作時由于離心力和熱膨脹引起的葉片和盤的伸長；（2）機(jī)匣受熱膨脹及不均勻變形（3）高溫帶來的轉(zhuǎn)子和機(jī)匣的蠕變（4）轉(zhuǎn)子和靜子的偏心度

13、（5）結(jié)構(gòu)形式所帶來的工作中徑向間隙的變化二、渦輪間隙控制二、渦輪間隙控制二、渦輪間隙控制有冷卻時的間隙小于無冷卻式的間隙二、渦輪間隙控制 減小間隙的措施二、渦輪間隙控制 減小間隙的措施 盡量減小裝配間隙 采用雙層機(jī)匣 采用低線膨脹系數(shù)的合金做渦輪機(jī)匣減小間隙的措施:減小裝配間隙減小間隙的措施:減小裝配間隙減小間隙措施:雙層機(jī)匣減小間隙措施:雙層機(jī)匣二、渦輪間隙控制 渦輪間隙控制(引冷卻空氣來控制渦輪機(jī)匣的膨脹量) 被動冷卻 外部冷卻式 內(nèi)部冷卻式 主動間隙控制.二、渦輪間隙控制二、渦輪間隙控制二、渦輪間隙控制二、渦輪間隙控制5二、渦輪間隙控制主動冷卻主動冷卻二、渦輪間隙控制二、渦輪間隙控制4

14、.2.2 導(dǎo)向器組 成：導(dǎo)向器內(nèi)外環(huán)和導(dǎo)向葉片組成功 用：使氣流通過后,將部分熱能轉(zhuǎn)化為動能, 并滿足工作輪所要求的進(jìn)口氣流方向工作條件：溫度高、溫度場分布不均勻、易燒傷； 氧化和 腐蝕；熱應(yīng)力大；冷熱疲勞；振動負(fù)荷措 施：材料、結(jié)構(gòu)、冷卻、表面防護(hù)一、第一級導(dǎo)向器葉片結(jié)構(gòu)：兩端自由支承（雙絞簡支）、一端固定，一端自 由支承（外絞簡支、內(nèi)絞簡支）、兩片或更多片 固接在一起（成組固接） 一、第一級導(dǎo)向器葉片兩端自由支承，一端固定，一端自由支承一、第一級導(dǎo)向器葉片一、第一級導(dǎo)向器葉片一、第一級導(dǎo)向器葉片一、第一級導(dǎo)向器葉片- 21 nozzle segments of 2 vanes each.一

15、、第一級導(dǎo)向器葉片The 21 HPT nozzle segments are assemblies made up of 2 vanes brazed onto inner and outer platforms, made of a high strengthnickel base alloy.一、第一級導(dǎo)向器葉片The HPT nozzle forward and aft inner supports are made of a nickel base alloy and they carry most of the load from the startor nozzles.一、第一級

16、導(dǎo)向器葉片The HPT nozzle forward and aft inner supports are made of a nickel base alloy and they carry most of the load from the startor nozzles.一、第一級導(dǎo)向器葉片一、第一級導(dǎo)向器葉片 渦輪的結(jié)構(gòu) 渦輪靜子 轉(zhuǎn)子導(dǎo)向器機(jī)匣外環(huán)葉片內(nèi)環(huán)分段式整體式輪盤不帶冠帶冠葉片榫頭葉身：樅樹型盤式鼓盤式不可拆卸式可拆卸式：長螺栓 短螺栓盤-軸，盤-盤連接葉輪連接件減小振動 提高效率安裝時有一端是松動的4.5 渦輪部件冷卻 冷卻目的：(1)提高渦輪前燃?xì)鉁囟?(2)使零件溫度分布均勻,減小熱應(yīng)力;(3)形成氣膜,避免了燃?xì)鈱α慵砻娴母g;(4)有可