航空燃气涡轮发动机构造-第4章-涡轮.ppt
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GasTurbineAero-engine,第4章涡轮,CompanyLogo,第四章涡轮Turbine,4.4涡轮静子结构,4.3涡轮叶片的冷却,4.1涡轮的类型和组成,4.5涡轮部件的冷却,4.2涡轮转子结构,第四章涡轮Turbine,涡轮功用:
将燃烧室出口燃气的部分热能和压力能转化为机械能,带动压气机和附件工作涡轮分类:
轴流式Axialflow径流式Centripetalflow单转子Singlespoolturbines双转子Twin-spoolturbines三转子Tri-spoolturbines,4.1涡轮的类型和组成,冲击式Impulseturbineblades反力式Reactionturbineblades冲击反力式Combinedimpulse/reaction,4.1涡轮的类型和组成,4.1涡轮的类型和组成,4.1涡轮的类型和组成,仅仅由燃气冲击驱动涡轮,4.1涡轮的类型和组成-冲击式,V3,由燃气流的冲击及通过收敛工作叶片通道加速的反作用驱动的涡轮,4.1涡轮的类型和组成-反力式,4.1涡轮的类型和组成-冲击反力式,涡轮组成:
涡轮转子涡轮静子每级由一个导向器和一个工作叶轮组成。
4.1涡轮的类型和组成,航空燃气涡轮的特点:
功率大、燃气温度高、转速高、离心力大,热应力大,同时还要求重量轻,尺寸小。
热负荷和动力负荷大,工作条件恶劣,是发动机使用中故障较多的部件。
4.1涡轮的类型和组成,4.2涡轮转子结构,涡轮转子rotors组成:
涡轮盘disk涡轮轴shaft工作叶片blades连接件attachingparts,4.2涡轮转子结构,CFM56-7Bhighpressureturbinerotor,4.2涡轮转子结构,CFM56-3发动机高压涡轮前轴,4.2涡轮转子结构,CFM56-3发动机高压涡轮前轴,4.2涡轮转子结构,4.2涡轮转子结构,CFM56-3发动机高压涡轮后轴,4.2涡轮转子结构,CFM56-3发动机高压涡轮前旋转空气封严,4.2涡轮转子结构,4.2涡轮转子结构,4.2.1转子的连接结构,转子结构:
多级涡轮一般采用盘鼓混合式结构设计要求:
除了和压气机一样要保证足够的强度和刚性,定心可靠、结构简单、重量轻、制造容易、装拆方便外还要注意:
(1)减少向轴传热、改善轴承的工作条件;
(2)在各种工作条件下,保证各部件定心可靠;(3)大多数涡轮机匣采用整体式,一、不可拆的盘轴连接,盘轴间采用圆柱面定心,紧度配合,径向销钉连接,剪切传力,,一、不可拆的盘轴连接,只要沿圆周装有3个经上销钉,则在各种工作状态下相互配合的两个零件可以自由径向变形而它们的中心位置始终保持不变,一、不可拆的盘轴连接,热定心功能的各种形式端面齿连接,一、不可拆的盘轴连接,径向销钉连接方案优点:
结构简单,轻巧,加工方便,强度、刚度较好。
一、不可拆的盘轴连接-焊接,一、不可拆的盘轴连接-整体,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,24个精密螺栓连接,保证工作时定心并传递负荷。
配合紧度靠控制螺栓头与安装边间的间隙保证,适用于多次装配,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,可以将轴和轮盘外缘直接相连,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,结构复杂,但封严环可以阻挡高温对轮盘盘身及传力鼓环的影响,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,低压涡轮通过一个锥形支承盘与二,三级轮盘的鼓环相连,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,短螺栓采用带冲铆固定的自锁螺帽,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,各轮盘间用短螺栓连接,整个转子通过三,四级盘间的轮毂借花键与低压轴连接,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,第二级和第四级盘鼓间采用电子束焊,结构简化,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,二、可拆卸式盘轴连接-用长螺栓连接,盘前有凸台,用于小发动机,可拆1、中心长螺杆连接传力2、圆弧端齿定心传扭,二、可拆卸式盘轴连接-用长螺栓连接,可拆,六根长螺杆传力,圆弧端齿定心、传扭,二、可拆卸式盘轴连接-用长螺栓连接,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,工作叶片工作环境离心力、气动力、热应力及振动负荷;受到燃气严重腐蚀;冷热疲劳第一级涡轮工作叶片的强度对发动机的热力参数的选择起着决定性作用,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,工作叶片组成:
叶身、榫头、中间叶根,工作叶片叶身特点:
(1)叶身厚度较大
(2)弯曲程度较大(3)截面积沿叶高的变化剧烈(4)内部一般有冷却通道(5)具有抗振结构,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,4.2.2工作叶片及其与轮盘的连接,一、叶片抗振措施:
调频(切角),一、叶片抗振措施:
带冠叶片,一、叶片抗振措施:
带冠叶片,平行四边形叶冠俯视图,锯齿形叶冠俯视图,一、叶片抗振措施:
带冠叶片,平行四边形叶冠在使用中常出现磨损不一致的问题;锯齿形叶冠预扭压紧,紧度加大,减振效果好。
一、叶片抗振措施:
带冠叶片,图433斯贝(a)、RB211(b)发动机涡轮工作叶片,RR公司带冠高压涡轮工作叶片,一、叶片抗振措施:
带冠叶片,CFM56发动机低压涡轮工作叶片,一、叶片抗振措施:
带冠叶片,CFM56发动机低压涡轮工作叶片,一、叶片抗振措施:
带冠叶片,优点:
提高涡轮效率,提高叶片刚性减振效果好缺点:
加大了叶根离心负荷,叶冠和叶身转接处容易应力集中,一、叶片抗振措施:
带冠叶片,二、中间叶根,作用:
减小叶片对榫头的传热,使盘缘避开高温区域,减小应力分布不均匀度可引入冷却空气,降低榫头和轮缘的温度,减小轮盘热应力,减轻轮盘重量,二、中间叶根,二、中间叶根,阻尼块与中间叶根间产生摩擦阻尼减振,三、叶片与轮盘的连接,叶片与轮盘用榫头连接:
负荷大;离心力大;温度高因此,涡轮叶片榫头有一些特殊要求:
允许榫头连接处受热可以自由膨胀;传热性要好,叶片的热量容易传走,连接方式:
广泛采用枞树型榫头。
枞树型榫头,连接方式:
广泛采用枞树型榫头。
优点:
材料利用合理、重量轻周向尺寸小、可安装较多叶片可自由热膨胀、热应力小装配间隙可起到振动阻尼作用可在与非支承表面间间隙通入冷却空气进行冷却装拆更换方便缺点:
应力集中严重连接处热传导差加工精度要求高,枞树型榫头,枞树型榫头,枞树型榫头,叶片的轴向固定,HPTBLADERETENTIONSYSTEM,连接方式:
广泛采用枞树型榫头。
CFM56-7Bhighpressureturbinerotor,4.2涡轮转子结构,CFM56-3发动机高压涡轮前旋转空气封严,4.2涡轮转子结构,4.3涡轮叶片的冷却,4.3涡轮叶片的冷却,4.3涡轮叶片的冷却,在过渡工作状态,各截面的温度分布极不均匀,每起动-停车一次,叶片内的热应力就交变一次,容易产生热疲劳裂纹。
4.3涡轮叶片的冷却,作用提高涡轮前燃气温度,提高发动机性能冷却方式:
对流冷却:
将冷却空气引入叶身,通过对流冷却冲击冷却:
几股冷空气射流正对着被冷却表面,强化局部换热气膜冷却:
气流由叶片表面小孔排出,在叶片表面产生一层冷却气膜发散冷却:
叶片外壁由多孔材料构成,冷却空气由壁面小孔流出,4.3涡轮叶片的冷却,冷却方式-对流冷却,冷却方式-对流冷却,顶盖小孔可排杂质,冷却方式-对流冷却,冷却方式-冲击冷却(喷射式冷却),空心叶片内有导流片,导流片上有小孔与缝隙,冷却方式-气膜冷却,冷却效果好,一般可使温度降低400-600度,冷却方式-气膜冷却,冷却方式-气膜冷却,冷却气从榫头底部流入,前部采用对流冲击及气膜冷却,后部为对流冷却,气流由叶片尾缘及叶尖排出,冷却方式,冷却气从叶片内腔通过壁面无数小孔渗出,对流和气膜冷却,冷却效果最好,但是多孔材料容易堵塞。
冷却方式-发散冷却,陶瓷叶片,材料工艺,4.4涡轮静子,涡轮静子组成:
涡轮机匣(整体式)、导向器涡轮机匣设计要求:
(1)刚性均匀、重量轻,便于装拆
(2)机匣相互间定心良好、转子与静子之间能保持良好定心度(3)涡轮叶尖间隙小、效率高(4)能够经受热冲击、热疲劳、处理好传热与自由膨胀的关系,4.4.1涡轮机匣,结构特点涡轮机匣处于高温燃气中,冷热变化大,一般采用整体式;为了装配方便,一般采用轴向分段,分为高压和低压两个单元体。
一、涡轮机匣,沿轴向分段,一、涡轮机匣,安装边端面装入几个不等距的精密配合的销钉作为径向和周向定位件,一、涡轮机匣,铣去各螺栓孔间的材料,减少热应力,减轻重量,涡轮径向间隙:
涡轮机匣与工作叶片叶尖之间的距离。
对涡轮效率影响很大,应该尽量减小。
影响径向间隙的因素:
(1)工作时由于离心力和热膨胀引起的叶片和盘的伸长;
(2)机匣受热膨胀及不均匀变形(3)高温带来的转子和机匣的蠕变(4)转子和静子的偏心度(5)结构形式所带来的工作中径向间隙的变化,二、涡轮间隙控制,二、涡轮间隙控制,二、涡轮间隙控制,有冷却时的间隙小于无冷却式的间隙,二、涡轮间隙控制,减小间隙的措施,二、涡轮间隙控制,减小间隙的措施尽量减小装配间隙采用双层机匣采用低线膨胀系数的合金做涡轮机匣,减小间隙的措施:
减小装配间隙,减小间隙的措施:
减小装配间隙,减小间隙措施:
双层机匣,减小间隙措施:
双层机匣,二、涡轮间隙控制,涡轮间隙控制(引冷却空气来控制涡轮机匣的膨胀量)被动冷却外部冷却式内部冷却式主动间隙控制,.,二、涡轮间隙控制,二、涡轮间隙控制,二、涡轮间隙控制,二、涡轮间隙控制,5,二、涡轮间隙控制,主动冷却,主动冷却,二、涡轮间隙控制,二、涡轮间隙控制,4.2.2导向器,组成:
导向器内外环和导向叶片组成功用:
使气流通过后,将部分热能转化为动能,并满足工作轮所要求的进口气流方向工作条件:
温度高、温度场分布不均匀、易烧伤;氧化和腐蚀;热应力大;冷热疲劳;振动负荷措施:
材料、结构、冷却、表面防护,一、第一级导向器叶片,结构:
两端自由支承(双绞简支)、一端固定,一端自由支承(外绞简支、内绞简支)、两片或更多片固接在一起(成组固接),一、第一级导向器叶片,两端自由支承,一端固定,一端自由支承,一、第一级导向器叶片,一、第一级导向器叶片,一、第一级导向器叶片,一、第一级导向器叶片,-21nozzlesegmentsof2vaneseach.,一、第一级导向器叶片,The21HPTnozzlesegmentsareassembliesmadeupof2vanesbrazedontoinnerandouterplatforms,madeofahighstrengthnickelbasealloy.,一、第一级导向器叶片,TheHPTnozzleforwardandaftinnersupportsaremadeofanickelbasealloyandtheycarrymostoftheloadfromthestartornozzles.,一、第一级导向器叶片,TheHPTnozzleforwardandaftinnersupportsaremadeofanickelbasealloyandtheycarrymostoftheloadfromthestartornozzles.,一、第一级导向器叶片,一、第一级导向器叶片,涡轮的结构,4.5涡轮部件冷却,冷却目的:
(1)提高涡轮前燃气温度;
(2)使零件温度分布均匀,减小热应力;(3)形成气膜,避免了燃气对零件表面的腐蚀;(4)有可能采用廉价的材料注意事项:
(1)温度
(2)流量(3)压力(4)清洁,4.5涡轮部件的冷却,4.5涡轮部件的冷却,4.5涡轮部件冷却,4.5涡轮部件的冷却,4.5涡轮部件冷却,在高压压气机进口导游叶片前缘根部沿圆周开孔,引气至高压前轴承后侧,4.5涡轮部件的冷却,4.5涡轮部件冷却,从燃烧室后部中心引气口引来的二股气流进行冷却,4.5涡轮部件的冷却,二、涡轮间隙控制,5,4.5涡轮部件的冷却,4.5涡轮部件冷却,4.5涡轮部件的冷却,主动冷却,二、涡轮间隙控制,4.5涡轮部件的冷却,4.5涡轮部件的冷却,THANKS,
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- 航空 燃气 涡轮 发动机 构造