透平的原理和结构

关于透平的原理和结构燃气透平是燃气轮机的另一主要部件，它的功能是把高温、高压燃气中的能量转变为机械功，约3/5～2/3用以带动压气机压缩空气，其余的则作为燃气轮机的输出功率以带动负载。目前，大量应用的是轴流式透平，其特点是功率大、流量大、效率高。第2页,共37页，2024年2月25日，星期天

第一节燃气透平的工作原理

当高温高压的燃气流过透平静叶（喷嘴）时，由于静叶流道是收敛型的，在亚音速流动的情况下，就可以使气流加速，相应地燃气的压力和温度却会逐渐下降。当这股具有相当速度的燃气以一定的方向喷射到工作轮上的动叶流道中去时，就会在动叶片上产生切向分力Fu，从而推动工作叶轮连续旋转，并使燃气速度下降，在这个过程中，燃气就把部分能量转交给了工作叶轮，使叶轮在高速旋转中对外界作出机械功。第3页,共37页，2024年2月25日，星期天

第一节燃气透平的工作原理一、透平级的速度三角形在透平中完成能量转换的基本单元则是单级透平，简称为级。级由一列静叶和一列动叶串联组成，多级透平则是各单级按气流流动方向串列构成。第4页,共37页，2024年2月25日，星期天

第一节燃气透平的工作原理二、工作叶轮对外界所作的外功第5页,共37页，2024年2月25日，星期天

三、透平级中工质能量的转化关系

第一节燃气透平的工作原理第6页,共37页，2024年2月25日，星期天

相对于压气机来说，透平的一个显著不同是工作气体温度高。因而，透平在结构上还应满足下面一些要求。（1）承受高的温度。（2）承受热应力和热冲击。（3）保持热对中。

第二节燃气透平的结构

第7页,共37页，2024年2月25日，星期天一、静子

透平静子由气缸、静叶及支承和传力系统等组成。是透平中静止的部件。第二节燃气透平的结构第8页,共37页，2024年2月25日，星期天（一）气缸和压气机气缸一样，透平气缸也是整台机组的承力骨架，承受机组的重量、燃气的内压力及其他的作用力。透平气缸包括气缸本体和排气缸两部分。第二节燃气透平的结构第9页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构第10页,共37页，2024年2月25日，星期天1．透平气缸本体透平气缸设计中的一个重要问题，是使其与高温燃气相隔绝，以较多的降低其工作温度。这样做的好处是，减少气缸的热膨胀量，有利于叶片顶部径向间隙的控制；减少对气缸的热冲击及热应力，有利于机组的快速启动；可用较差的材料等。

第二节燃气透平的结构第11页,共37页，2024年2月25日，星期天2．透平排气缸透平排气缸包括框架和排气扩压器两部分。第二节燃气透平的结构第12页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构（二）静叶透平静叶又称喷嘴，它的作用是使高温燃气在其中膨胀加速，把燃气的内能转化为动能，然后推动转子旋转作功。第13页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构

透平静叶被高温燃气包围着。工作条件是很恶劣的。特别是第一级静叶，所接触的燃气温度最高，且温差最大。在启动和停机时，又是受到热冲击最厉害的零件。因此，对静叶设计的要求为：①耐高温、耐热腐蚀；②耐热冲击；③热应力小；④足够的刚度和强度。

第14页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构MS9001E透平采用的静叶组，一级静叶为两叶组共18个扇段，即36片静叶，二级静叶为三叶组，共16个扇段，即48片静叶，三级静叶为四叶组，共16个扇段，即64片静叶。第15页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构（三）静叶及静叶环的固定1.直接固定在气缸上第16页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构2.采用持环和护环的结构第17页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构3.静叶内环的固定第18页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构二、转子透平转子是透平转动部分的总称，由透平轮盘、透平轴、工作叶片及联接件等组成。（一）轮盘1.焊接转子第19页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构2.螺栓连接的转子第20页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构

图为GE公司透平的外围拉杆转子，透平转子由下列部件组成：两根透平轴，一、二、三级透平叶轮和两个透平定距环块，叶轮上的动叶等。第21页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构（二）动叶透平动叶的作用是把高温燃气的能量转变为转子机械功。

第22页,共37页，2024年2月25日，星期天第二节燃气透平的结构1.叶身就透平自身的叶型来说，分为冲动级和反动级。故冲动级要比反动级的叶片更为厚实、折转角更大。两者叶型的比较见图第23页,共37页，2024年2月25日，星期天2．叶顶（1）无叶冠的动叶。第二节燃气透平的结构第24页,共37页，2024年2月25日，星期天（2）带冠的动叶。

第二节燃气透平的结构第25页,共37页，2024年2月25日，星期天3．叶根在燃气透平的动叶中，广泛采用的是枞树形的叶根。枞树形叶根是一种对称的多齿叶根，左右对称齿之间的距离往下逐渐减小呈楔形。它与轮盘上的根槽之间是有间隙的松配合。

第二节燃气透平的结构第26页,共37页，2024年2月25日，星期天枞树形叶根有着下述一些优点：（1）多对齿承力，强度好，承载能力大；（2）叶根形状单楔形，接近于等强度，材料利用合理；（3）尺寸紧凑，连接重量最轻，在相同直径的轮缘上可安装较多的叶片；（4）与轮盘根槽为间隙配合，是松装结构，在离心力作用下能自动定心，使叶根各部分受力趋于均匀；（5）由于是间隙配合，叶根与轮缘均能自由热膨胀。同时可从间隙中通过冷却空气对叶根及轮缘进行有效的冷却；（6）拆装方便。

第二节燃气透平的结构第27页,共37页，2024年2月25日，星期天枞树形叶根齿与叶身的连接结构见图

第二节燃气透平的结构第28页,共37页，2024年2月25日，星期天

长柄叶根有下述显著的优点：（1）减少了叶片对轮盘的传热，在配合以空气冷却后效果更为显著，使叶根齿与轮缘的温度大为降低，并使温度趋于均匀而减少了热应力。（2）改善了第一对齿的承载条件及叶根应力分布的不均匀程度。（3）合理地使用材料。

第二节燃气透平的结构第29页,共37页，2024年2月25日，星期天4．叶片的固定工作叶片在盘上槽向固定方式通常有如下几种。第二节燃气透平的结构第30页,共37页，2024年2月25日，星期天

提高燃气初温，可以通过不同的途径来实现：①对高温部件选用超级热强台金材料；②对这些部件，采用冷却第三节燃气透平零部件的冷却第31页,共37页，2024年2月25日，星期天一、冷却介质1.开式空气冷却2.闭式蒸汽冷却透平各部件冷却的几种方式。第三节燃气透平零部件的冷却第32页,共37页，2024年2月25日，星期天二、叶片的冷却方式1.对流冷却2.冲击冷却3.气膜冷却第三节燃气透平零部件的冷却第33页,共37页，2024年2月25日，星期天三、转于的冷却方式透平的转子，一般都要采取冷却措施来改善它的工作条件。特别是应力和温度分布复杂的轮线部分，尤其要精心组织冷却气流和采取将高温燃气与转子隔开的措施。第三节燃气透平零部件的冷却第34页,共37页，2024年2月25日，星期天

目前在透平的转子中，常用的