涡轮结构设计

涡轮结构设计
第三讲 涡轮结构设计
第一节 概 述 第二节 涡轮转子 第三节 涡轮静子 第四节 涡轮部件的冷却
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燃气涡轮工作原理
❖冲击式涡轮
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❖反作用力涡轮
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第一节 概 述
1.1 涡轮部件的特性
❖ 温度：温度高、温度不均、工 况变化；
❖ 转速：转速高-离心负荷大、 平衡困难；
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JT9D
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第五节 冷却系统
5.1 冷却目的 ❖提高涡轮前温度 ❖温度场均匀减小 热应力
❖减低零件的温度 ❖使燃气与零件分
开
设计的基本原则： ❖冷却效果好 ❖冷却后温度场均 匀 ❖减小漏气量 ❖气源
❖损失小、可行
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第五节 冷却系统
5.2 冷却方法
❖1)对流冷却 可使温度降低200-250℃ ❖2)冲击冷却 ❖3)气膜冷却 可使温度降低400--600℃ ❖4)发散冷却 可使温度降低200-250℃ ❖普遍使用前三种的混合
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高压涡轮叶片
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高压涡轮叶片
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2.1 工作叶片
7.叶片材料
❖涡轮部件对材料的要求：
❖高温下高的持久强度， ❖蠕变强度，疲劳强度， ❖热稳定性，好的物理性质和工艺性。
❖材料工艺的选择演变
❖A) 锻造 (60年代) B) 精铸 (70年代) ❖C) 定向结晶(80年代)D) 单向结晶(80年代)
2.3 转子结构
1. 盘--轴连接 ❖焊接转子
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2.3 转子结构
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1. 盘--轴连接
❖短螺栓连接
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2.3 转子结构
1. 盘--轴连接
❖圆弧端齿 (RB199)
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2.3 转子结构
1. 盘--轴连接
❖盘带短轴通过花 键与轴连接
❖多根长螺栓连接
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3.3 导向器
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3.3 导向器
1 工作条件：
❖温度最高且不均匀、易产生热应力、烧蚀； ❖直接与燃气接触易腐蚀、氧化； ❖冷热疲劳易产生疲劳裂纹； ❖不转动。
2. 设计中要解决的问题：
❖高温下可靠工作； ❖允许自膨胀--三个方向； ❖能调节出口面积；
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❖ 双叶片
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2.1 工作叶片
4. 中间叶根(伸根) ❖ 作用:
❖ 降低叶片对盘的传 热
❖ 冷却空气导入 ❖ 减小应力集中 ❖ 伸根处可安装阻尼
材料
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2.1 工作叶片
5.锁紧方式
❖锁片，挡板
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2.1 工作叶片
❖ 高寿命，高可靠性锁紧结构
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2 盘--盘连接
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长螺栓连接
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第三节 静 子
组成：
❖机匣和导向器
导向器包括：
❖外环、叶片、内环
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3.1 机匣
设计要求：
❖装配问题：连接时要保证工作定心及周 向位置。
❖定位：径向定位、周向定位。 ❖安装边：外冷内热存在热应力。 ❖加工方法：铸造、锻件、板料焊接。
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3.1 机匣
❖机匣的定心
❖机匣防热应力
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3.1 机匣
❖机匣的销钉定心
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3.2 叶尖间隙控制
1.影响叶片与机匣间隙的因素：
❖机匣和叶片的蠕变； ❖转子与机匣偏心、机匣变形； ❖通道形式与支点的分布；
2.设计要求：
❖机匣刚度好保持圆度 ❖材料的耐高温性能好 ❖保持机匣与转子同心
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涡轮叶片与机匣径向间隙变化
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设计采取措施——带冠
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F404高压涡轮
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调整装配间隙 内环加易磨材料 双层或三层机匣
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主动间隙控制 被动间隙控制
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JT9D发动机涡轮主动间隙控制
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RR公司带冠高压叶片
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带箍---WP7发动机涡轮
❖箍环
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2.1 工作叶片
3. 榫头
❖1.工作条件：
❖轮缘温度为 500--650℃
❖2.要求：
❖自由膨胀、减少热应力、热传导性好、强 度好
❖3 结构特点:
❖ 多齿承载 、倒锥型 、间隙装入。
❖低压转子轴细而功率大， ❖风扇进口大易受外来物打伤卡死引起转子扭断。
4.2 危害性：
❖超转，飞转危险极大。 ❖例如：CAAC 1988年5月30日TY154 (D30KY-
154)
4.3 设施：
❖JT15D，SPEAY利用轴的移切断油路 ❖利用转子叶片与静子相碰而刹车
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❖ 功率：叶片平均功率大、级数 少。
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第一节 概 述
1.2 技术要求
❖高效率 ❖尺寸小，结构紧凑 ❖足够的高温强度 ❖热定心好，热应力小 ❖良好的冷却系统 ❖适当选择材料
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第一节 概 述
1.3 组成
❖ 静子－导向 器及机匣
❖ 转子及其支 承系统
❖ 冷却系统
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2.3 转子结构
2 盘--盘连接
❖径向销钉 ❖焊接 ❖短螺栓连接 ❖盘上直接开孔螺栓连接 ❖多根长螺栓连接
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2 盘--盘连接
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短螺栓连接
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2 盘--盘连接
盘上开孔螺栓连接
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2 盘--盘连接
盘上开孔螺栓连接
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5.3典型冷却系统
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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谢谢
3.3 导向器
3. 分类
❖传力的导向器 不传力的导向器
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3.3 导向器
4.结构设计要求：
❖出口面积调节 ❖安装：挂钩式连接 ❖斜置导向叶片
➢ 挂钩式涡轮 导向器叶片
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❖正交叶片
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第四节 低压转子断轴安全装置
4.1 断轴可能性：
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2.1 工作叶片
5.锁紧方式
❖涡轮叶片无 螺栓槽向锁 紧
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2.1 工作叶片
❖涡轮叶片的无螺栓锁紧
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2.1 工作叶片
6.冷却叶片 ❖对流冷却 ❖气膜冷却 ❖带导流板 ❖复合冷却
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2.1 工作叶片
6.冷却叶片
❖对流换热 ❖冲击冷却 ❖气膜冷却
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2.1 工作叶片
3. 榫头
❖大圆弧少齿
❖具有小的应力集 中
❖对工况的变化有 了好的适应力
❖加工相对简单 ❖结构阻尼性能好
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2.1 工作叶片
3. 榫头
❖小齿多齿结构
❖应力分布均匀 ❖较好的温度分布 ❖加工难度较大
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2.1 工作叶片
3. 榫头
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2.1 工作叶片
❖定向结晶 ❖ 单向结晶
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2.1 工作叶片
7.叶片材料
❖防护涂层
❖铝化物涂层抗氧化腐蚀； ❖Cr抗硫化物腐蚀。
❖高温涂层
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2.2 涡轮盘
1) 工作条件：
❖ 高转速 ， 温度沿半径方向分布不均匀
2)剖面形状：
❖ 一般为对称， 开孔--边缘加厚
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第二节 涡轮转子
组成:
❖涡轮盘 ❖涡轮轴 ❖工作叶片
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2.1 工作叶片
1.叶身特点:
❖叶片厚且横截面弯曲大； ❖截面沿高度变化大； ❖叶栅通道为收敛形； ❖叶片作功量大； ❖通道形式多为等内径或等中径。
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2.1 工作叶片
2. 叶片结构设计：
❖带冠－－增加叶片间刚度和阻尼 ❖带箍－－增加刚度和阻尼减振 ❖切角调频－－防止叶片振动 ❖叶尖喷涂耐磨涂层－可减小间隙 ❖机匣涂易磨涂层 －减小叶片磨损
3) 加工方法：
❖ 锻件、粉沫冶金热等静压制造； ❖ 非定位面喷丸可减少加工应力和表面
裂纹。（喷砂？）
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涡轮转子
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V2500 轮盘
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涡轮转子
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2.3 转子结构
1. 盘--轴连接
❖径向销钉连接
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