燃气轮机结构-涡轮

第四章涡轮

涡轮概述

一:涡轮功用

把来自燃烧室的高温、高压燃气中的部分热能和压力能转换成机械功，用以带动压气机、附件和外负荷。

二：按燃气流动方向分类

轴流式径流式（离心式、向心式）

三：涡轮工作条件

高温、高转速、频繁剧烈热冲击、不均匀加热及由于转子不平衡和燃气压力、流量脉动造成的不平衡负荷的作用。

四：船舶燃气轮机涡轮

船舶燃气轮机多应用轴流式涡轮。其特点是功率大、燃气温度高、转速高、效率高。

燃气发生器涡轮（增压涡轮）：用来带动压气机和附件；

动力涡轮：用来带动减速器-螺旋桨或其他负荷，输出功率

五：涡轮通流形式

平的

扩张型：等中径通流等内径通流等外径通流

涡轮转子

一：涡轮转子组成

涡轮盘、涡轮轴、工作叶片、连接零件

二：盘与轴的连接

1.不可拆卸式结构：销钉连接整体结构或焊接

2.可拆卸式结构：螺钉连接短螺栓连接

三：盘与盘的连接

盘与盘地连接也分为不可拆卸和可拆卸两种结构，如下为典型连接：

不可拆卸式的径向销钉连接用长螺栓连接的可拆卸结构用短螺栓连接的可拆卸结构四：工作叶片及其与轮盘的连接

1：工作叶片工作环境：

离心力、气动力、振动负荷、受到燃气腐蚀、冷热疲劳

第一级工作叶片工作条件最恶劣，决定燃气初温选择，直接影响燃气轮机性能和可靠性

2：工作叶片组成

叶身、中间叶根、榫头（有些叶尖带有叶冠）

3：中间叶根作用

可以减少向轮盘传热，改善榫头应力分布不均匀；可以通冷却空气，降温，减少热应力，减轻轮盘质量。

4：榫头

叶片用枞树形榫头连接，承受负荷、离心力大、高温下工作。

故需满足：a.允许榫头受热后自由膨胀 b.传热性能好，叶片热量容易带走5：工作叶片的固定：

涡轮静子

一：涡轮静子组成

涡轮外环、导向器、涡轮支撑、传力系统

二：涡轮机匣

1：结构特点

一般采用整体式，且采用与燃机轴线垂直的分开面，将外环分成几部分

也有用于纵向剖分面的分开式结构的机匣，但多用于多级涡轮的情况

: 2：径向周向定位

通常采用圆柱表面实施，也有用几个不等距的精密配合的销钉作为定位件，再用精配螺栓附加定位

1：涡轮径向间隙

定义：涡轮机匣与工作叶片叶尖之间的距离

2：影响径向间隙的因素

机匣受热膨胀及不均匀变形

高温工作时引起的转子和机匣的蠕变

转子和静由离心力和热膨胀而引起的叶片和轮盘的伸长

子偏心度、轴向角偏转及椭圆和翘曲变形

结构形式所带来的工作中径向间隙变化

3：减小径向间隙的措施

减小装配间隙采用双层机匣采用主动间隙控制技术

四：涡轮导向器

1：涡轮导向器组成

内、外环导向器叶片

2：涡轮导向器功用

使燃气的部分热能转换为动能，并使燃气以一定的方向进入工作叶片3：涡轮导向器工作环境

工作条件十分恶劣温度高，尤其第1级导向器

导向器各零部件受热不均匀，最易烧伤。

高温燃气对叶片有强烈的氧化腐蚀作用；极易产生疲劳裂纹

承受燃气的气体力、气流脉动造成的振动负荷

4：第一级导向器共同点：

叶片不做燃机承力件，仅承受燃气的气动负荷，叶片自由安装在导向器内外环间；

导向器做成可拆分结构；

由于第一级导向器可做成双支点结构，有利于保证导向器具有较好的刚性；

排气面积必须可以调节。

1：冷却目的

提高燃气初温可采用廉价材料

使零件内温度均匀，减小零件热应力

形成气膜，减少受热并避免燃气对零件腐蚀

2：涡轮盘的冷却

（1）空气沿涡轮盘侧面径向吹风冷却

（2）空气流过叶片根部或榫头的装配间隙吹风冷却沿涡轮盘侧面径向吹风冷却

3：涡轮叶片的冷却

（1）对流冷却：将冷却空气引入叶身，通过对流冷却

（2）喷射（冲击）式冷却：一股或多股冷空气射流对着被冷却表面喷射，增强冷却效果

（3）气膜冷却：冷却空气从叶片表面上的小孔流出，在叶片表面处形成一层空气气膜

（4）发散冷却：空心叶片用疏松多孔透气的材料制成或采用先进工艺方法在叶片壁面加工出小孔，冷却空气从叶片壁面上无数的小孔或微孔流出在叶片表面处形

成一层空气气膜

动力涡轮

一：动力涡轮特点

①考虑到螺旋桨推进效率、低噪声、简化齿轮传动装置、提高传动的可靠性，采用低转

速

②级数通常设计成2级或3级（考虑因素：1.支撑2.效率与成本3.发展4.用途）

③进口燃气温度和压力等参数不是独立选择的，取决于燃气发生器的温度。各级焓降较

低。

④通流形式采用等内径的较多。等中径的也有采用。只有LM2500采用等外径

⑤通常设计成长寿命的、也时常设计成有一定通用性的

二：动力涡轮结构

1：动力涡轮进口机匣

由空心支板连成一体的内外壳体组成

2：动力涡轮静子和转子

静子：机匣（可沿水平中分面分开)

静子叶片

转子：工作叶片、轮盘、端轴、主轴

3：轴承和轴承座

4：轴承：前轴承、后轴承、推力轴承

5：轴承座

向心涡轮简介

1：向心式涡轮

燃气沿径向流入静子，而沿轴向离开转子。燃气流在相对长而窄的转子通流中转弯。2：组成

机匣、静子（喷嘴）、转子（叶轮）、排气管

3：向心式涡轮优点及应用

向心式涡轮结构紧凑，制造工艺简单，造价低廉，在流量较小的设计条件下，仍可获得较高效率的优点。

应用：中小功率燃气轮机动力装置、柴油机废气涡轮增压器、制冷装置和天然气液化