燃气涡轮发动机06A

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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮叶片的封严
封严齿：为了加强封严效果, 减少叶片间隙处的轴向漏气, 更有 效地提高涡轮效率, 很多发动机在叶冠上还作有封严齿, 与涡轮 机匣上的易磨环相配合, 可取得很好的封严效果。
喷镀耐磨金属：当叶片较短时, 可采用展弦比较小而不带冠的叶 片, 此时为了减小涡轮叶片的径向间隙, 可在叶尖处喷镀耐磨金 属, 与机匣上的易磨涂层相配。工作时, 叶尖在机匣内壁磨出一 道沟槽,使轴向漏气量减少。
➢ 缺点:
加功精度要求高。容易出现裂纹。
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮叶片的冷却：
提高涡轮前燃气温度是提高燃气涡轮发动机性能的有效措施。然 而提高涡轮前燃气温度受到涡轮部件结构强度的限制, 为了解决 这个问题, 必需对涡轮叶片采取冷却。
涡轮叶片的冷却一般只有第一 级涡轮叶片或第一、第二级涡 轮叶片需要冷却。
为Δ2, Δ2= 7 随着转速的增高, 工作叶片和盘都得到加热, 并因离心力的影响, 使
径向间隙减小为Δ3, Δ3= 5 当发动机停车时, 机匣冷却比较快, 因此径向间隙减小为Δ4最小。
Δ4= 0
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮间隙：
发动机加速时，瞬间转速加大，离心负荷使叶 片和盘径向伸长量迅速加大，这时径向间隙最 小。随着涡轮机匣迅速受热膨胀，它的径向膨 胀量超过叶片和转子的径向变形量，径向间隙 加大。
➢ 工作叶轮：工作叶片间的通道是收敛形的, 燃气流 过工作叶轮叶片通道时, 相对速度增大,方向改变, 压力降低, 温度降低, 推动工作叶轮高速旋转, 向外 输出功, 使绝对速度减小。将热能转变为功。总压 ，总温都下降。
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6.2 涡轮的结构
➢ 导向器叶片和工作叶片都是扭转的,即在叶片叶尖 处的倾斜度大,而安装角小,在叶根处倾斜度小,而 安装角大。
➢ 涡轮落压比：
涡轮落压比是涡轮进口处的总压 总压 之比, 即
与涡轮出口处的
涡轮落压比也可以用静压来定义，
• 即涡轮进口处的静压 与涡轮出口处的静压 之比,
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6.4 涡轮的性能参数
涡轮落压比随转速的变化规律 • 1.当涡轮导向器最小截面和喷管处处于临界或超临 界状态时，涡轮的落压比为常数； • 2.当涡轮导向器最小截面处处于临界或超临界状态, 而喷管处于亚临界状态时,随着转速下降, 涡轮的落 压比下降; 这时涡轮落压比的变化是由最后一级涡 轮落压比的变化造成的, 而其它各级涡轮的落压比 不随转速而变化。 • 3.当涡轮和喷管均处于亚临界状态时,随着转速减小 , 涡轮的落压比减小。各级落压比都减小, 而且越 靠后的级落压比减小得越多。
在亚音速压气机中, 压气机功约在40kj/kg以内, 而涡轮的轮缘功 则在200－300kj/kg之间。
两者相差如此悬殊, 主要是由于气体在压气机中的流动是减速扩 压, 存在着正的压力梯度, 在正压力梯度的作用下, 附面层中一 部分气体微团的运动不足以反抗高的反压而容易发生分离, 因而 在一级压气机中不允许静压提高得太多, 气流转折角不能太大。 至于涡轮, 则由于通道是收敛的, 燃气在其中是加速降压, 存在 负压力梯度, 所以附面层中的气体微团就不容易分离, 气流的转 折角可以较大, 也就是说涡轮叶片比压气机叶片弯曲的程度要大, 燃气膨胀的程度大, 输出的轮缘功就大。
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6.2 涡轮的结构
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6.3 基元级速度三角形
a ➢ 决定涡轮基元级速度三角形的因素共有五个, 它们是:C③u, ③, u,
C④,u, C③a／C④a。
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6.3 基元级速度三角形
➢ 涡轮的轮缘功：
从能量方程可以得到涡轮的轮缘功为：
轮缘功的大小取决于燃气绝对动能和相对动能的变化。 冲击式涡轮和反力式涡轮 反力度：相对动能的变化
轮间隙保持为最佳值。 发动机停后，要有一段冷转，其目的是使涡轮机匣冷
却下来之前，使工作叶轮先Biblioteka Baidu却下来。
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮间隙：
涡轮间隙是随所用材料和发动机的工作状态及飞行条件的不同而 变化的。
假设在冷状态时装配间隙为Δ1, Δ1= 2 起动时, 机匣受热温度升高比轮盘快, 膨胀也快, 所以机匣间隙增大
经过内壁上沿周向均匀分布的许多孔去冷却涡轮外环 • 然后再冷却尾喷管并排入大气。 • 这种冷却方法构造简单,加工方便, 重量较轻, 但冷却效果较
差。
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6.2 涡轮的结构
➢ 内部冷却式机匣
涡轮机匣内表面上装有块状的底座, 用以保护外环, 这 底座可与导向器叶片作成一体, 成为叶片的外冠, 外冠 用螺钉固定在机匣上,外叶冠与机匣之间有间隙, 形成双 层壁。
➢ 冲击－反力式涡轮
推动涡轮旋转的扭矩是由于气流速度的大小和方向的改变而产生 的。一般大约冲击式占50%,反力式占50% 。
目前燃气涡轮发动机中多采用冲击－反力式涡轮。
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6.1 涡轮的分类
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮的组成
静子
• 静子由涡轮导向器组成，两个相邻的导向叶片之间 的通道是收敛形的，燃气在其中膨胀加速并使气流 拐弯, 将热能转变为动能
不可拆卸式 可拆卸式：
长螺栓 短螺栓
叶轮
榫头 枞树型
转子
叶片
连接件
叶身：不带冠
带冠
减小振动
提高效率
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮的一级由一个导向器（涡轮喷嘴环）和一个工作叶 轮组成。将导向器放在前,是为了改善叶轮的工作条件, 因为燃气流过导向器时,温度将降低。
➢ 涡轮导向器（涡轮喷嘴环）和工作叶轮两个相邻叶片间 的通道都是收敛形的。
其次是由于涡轮中燃气的温度比压气机中空气的温度高得多, 这 自然对于增加燃气作功很有利。目前流量大的一级涡轮可以输出 一两万千瓦的功率, 这些功率被压气机吸收, 可以带动5－7级或 更多级压气机, 因此, 在同一台发动机中, 涡轮的级数要比轴流 式压气机的级数少得多。
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6.3 基元级速度三角形
➢ 涡轮叶片的特点：
将燃烧室的二股气流引入此间 隙中进行冷却和隔热, 使机匣 内表面不与高温燃气接触。
这种涡轮机匣在发动机工作过 程中膨胀较少, 涡轮径向间隙 比较稳定, 并且热应力较小, 不致出现收缩变形, 翘曲及裂 纹等故障。
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6.2 涡轮的结构
➢ 主动间隙控制
根据发动机的工作状态，人为控制机匣的膨胀量，以保证涡轮径 向间隙为最佳。
与涡轮轮缘功的比值叫反 力度 在叶轮中, 相对动能的变化一般占轮缘功的25％到40％, 有的甚 至不变化。称相对动能不变化的涡轮为“冲击式涡轮”, 而称相 对动能有变化的为“反力式涡轮”。 反力度从叶根到叶尖是变化的，叶根处最小，叶尖处最大，平均 直径处为50％。
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6.3 基元级速度三角形
➢ 涡轮的轮缘功：
➢ 叶片的安装角是叶片的弦线与额线方向之间的夹 角。
➢ 扭转的原因是使燃气在沿叶片长度的所有部位有 相同的作功量并且保证进入排气系统的气流具有 均匀的轴向速度。
➢ 对导向器叶片的最主要要求是“耐热”，虽然采取 了冷却措施，但仍使用镍合金来制造。
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮叶片
涡轮的工作叶片由叶身和榫头两部分组成。 涡轮叶片的叶身分为带冠和不带冠两种。 带冠涡轮叶片可以减小叶片尖部由叶盆向叶背的漏气,降低二次损
冷却涡轮叶片的冷空气是从压 气机出口处通过管道引来, 冷 却后的空气随燃气一起流过涡 轮。
需要进行冷却的叶片是空心的。
在这里冷却的方法有: 导热, 冲击, 对流换热, 气膜冷却等。
➢ 为了限制从涡轮工作叶片向轮盘的 热传导的影响，每一级轮盘的两面 都通一股冷却空气。
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6.2 涡轮的结构
➢ 盘轴连接：
在多级涡轮中, 多采用鼓盘式
的结构。
盘轴连接分为可拆卸式和不可 拆卸式两种。
用短螺栓或长螺栓连接。 • 在每级轮盘的前后端加工 有若干个凸台, 凸台中间 加工有拉紧螺栓的通孔, 拉紧螺栓通过这些通孔, 将各级轮盘连接在一起, • 短螺栓连接轴和第一、二 级盘, 而长螺栓连接涡轮 轴和三级盘。 • 长、短螺栓均用螺帽固紧, 每级盘都有一个中心孔, 作为定位基准。 • 影响涡轮盘寿命的主要因素是其抗疲劳裂纹的能力。
1.涡轮叶片比压气机叶片要厚。
• 其原因有两个: 一个是涡轮叶片受热严重, 金属材料的强度随着 温度的升高而降低, 为了保证叶片的强度, 所以 涡轮叶片较厚。 另一个原因是涡轮叶片需要冷却, 所以涡轮叶片 是空心的, 以便通冷却空气。
2.涡轮叶片比压气机叶片弯曲的程度要大。
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6.4 涡轮的性能参数
失,提高涡轮的效率; 相邻叶片的叶冠抵紧后可以减小叶片的扭曲变形和弯曲变形,增强
叶片的刚度, 提高叶片的振动频率; 当叶 片产生振动时, 相邻叶冠间产生摩 擦, 可以吸收振动能量, 起到减 振作用; 带冠涡轮叶片可以采用对气动有 利的薄叶型。且有利于叶片与机 匣之间的间隙的控制, 减少轴向 漏气,更有效地提高涡轮效率。 涡轮的工作叶片采用镍基合金。
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6.2 涡轮的结构
➢ 枞树型榫头： ➢ 优点:
重量轻: 由于叶片榫头呈楔形, 所以材料利用合理, 接近等强度, 因 而这种榫头的重量轻。
强度大, 能承受大的载荷; 在高温下工作对应力集中不敏感: 这种榫头有间隙地插入榫槽内, 允许受热后自由膨胀, 因而, 减小了
叶片和轮缘联接处的应力, 同时可以利用榫头的装配间隙, 通入冷 却空气, 对榫头和轮缘进行冷却。装拆及更换叶片方便。 发动机工作时，由于温度高及很大的离心力使 根部变成刚性连接。
当发动机转速稳定后，涡轮叶片等的温度逐渐 升高，转子径向伸长量加大，径向间隙又逐渐 减小。
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6.2 涡轮的结构
➢ 冷却式机匣可采用两种方式:
被动冷却式 主动冷却式 又叫：外部冷却式
内部冷却式
外部冷却式机匣： • 涡轮外环的外面装有薄钢钣制成的外套, 或称环形空气收集
器 • 利用飞行中外界大气的速度头通过进口流入空气收集器内, 并
推动涡轮旋转的扭矩是由于气流方向改变而产生的。 叶轮前的导向器两个相邻叶片之间的通道是收敛形的，燃气在其
中膨胀加速并使气流拐弯。 冲击式涡轮的工作叶片的特征是前缘和后缘较薄, 而中间较厚。
➢ 反力式涡轮
推动涡轮旋转的扭矩是由于气流速度的大小和方向的改变而产生 的。
叶轮前的导向器使燃气流改变方向,但不改变压力。 反力式涡轮工作叶片的特征是前缘较厚, 而后缘较薄。
➢ 涡轮是多级的，其级数取决于：
需要从燃气中吸收的能量； 发出该功率时涡轮的转速； 所允许的涡轮直径。
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6.2 涡轮的结构
➢ 导向器（涡轮喷嘴环）： 燃气在涡轮喷嘴环内气 流速度增加, 压力下降, 温度下降，并改变流动方 向, 来满足工作叶轮进口处对气流方向的要求, 将 压力位能和热能转变为动能; 总压下降，总温不 变。
通常是在涡轮机匣外面加上数圈冷气管。 按预定调节规律改变冷却空气的供应量和温度。 例如,CFM56-3发动机：
• 它的高压涡轮机匣外面罩一个集气环形成集气室。 • 在不同的工作状态下，引入不同温度的冷却空气。
在慢车和起飞时,引高压9级后空气； 爬高时引高压9级和5级的混合后的空气； 巡航时,引高压5级的空气。 • 采用主动控制间隙增加了冷却空气的消耗量,造成发动机推力 下降, 同时还会使发动机的结构复杂,重量增加。
转子
• 涡轮转子由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片和连接件组 成 ，叶片的叶身分为带冠和不带冠两种，榫头是枞 树型榫头，一般第一级涡轮叶片或第一、第二级涡 轮叶片需要冷却
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6.2 涡轮的结构
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6.2 涡轮的结构
静子
分段式 机匣
整体式
外环 导向器 叶片
安装时有一端是松动的
盘-轴，盘-盘 连接
内环
涡 轮
盘式 轮盘 鼓盘式
燃气涡轮发动机06A
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第6章 涡轮
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6.1 涡 轮
• 涡轮的功用 • 涡轮的功用是使燃气膨胀，推动涡轮旋
转，输出功，去带动压气机和附件。 • 带动的附件有：发电机、燃油泵、滑油
泵、齿轮系等。 • 涡轮分为径向式和轴流式两种类型。目
前民用航空发动机多用的是轴流式涡轮 。
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6.1 涡轮的分类
➢ 冲击式涡轮
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6.2 涡轮的结构
➢ 涡轮间隙：
涡轮机匣与工作叶片叶尖之间的距离叫涡轮径向间隙 。
涡轮间隙对涡轮效率有很大的影响, 据估算, 涡轮间 隙若增加1 毫米, 涡轮效率下降2.5％,这将使发动机 耗油率增加2.5％。
为了减少损失、提高效率、应尽可能减小径向间隙。 控制涡轮间隙的方法是控制涡轮机匣的膨胀量，使涡