航空发动机结构-第五章 涡轮结构设计

1、第五章 涡轮结构设计v轴流式涡轮v向心式涡轮第三讲 涡轮结构设计v第一节 概 述v第二节 涡轮转子v第三节 涡轮静子v第四节 涡轮部件的冷却燃气涡轮工作原理v冲击式涡轮冲击式涡轮v反作用力涡轮反作用力涡轮第一节 概 述v1.1 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；功率：叶片平均功率大、级数少。第一节 概 述v1.2 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 适当选择材料第一节 概 述v1.3 组成静子导向器及机匣转子及其支承系统 冷却系统第二节 涡轮转子v组成:涡轮盘涡轮轴工作叶片2.1 工作叶片v1.叶身特点

2、: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。2.1 工作叶片v2. 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RR公司带冠高压叶片公司带冠高压叶片带箍-WP7发动机涡轮v箍环箍环2.1 工作叶片v3. 榫头1.工作条件：v轮缘温度为 500-6502.要求：v自由膨胀、减少热应力、热传导性好、强度好3 结构特点:v 多齿承载 、倒锥型 、间隙装入。2.1 工作叶片v3. 榫头大圆弧少齿v具有小的应力集中v对工况的变化有了好的适应力v加工相对简单v

3、结构阻尼性能好2.1 工作叶片v3. 榫头小齿多齿结构v应力分布均匀v较好的温度分布v加工难度较大2.1 工作叶片v3. 榫头双叶片2.1 工作叶片v4. 中间叶根(伸根)作用: v降低叶片对盘的传热 v冷却空气导入v减小应力集中v伸根处可安装阻尼材料2.1 工作叶片v5.锁紧方式锁片，挡板2.1 工作叶片v 高寿命，高可靠性锁紧结构高寿命，高可靠性锁紧结构2.1 工作叶片v5.锁紧方式涡轮叶片无螺栓槽向锁紧2.1 工作叶片v涡轮叶片的无螺栓锁紧2.1 工作叶片v6.冷却叶片对流冷却气膜冷却带导流板复合冷却2.1 工作叶片v6.冷却叶片对流换热冲击冷却气膜冷却高压涡轮叶片高压涡轮叶片2.1 工

4、作叶片v7.叶片材料涡轮部件对材料的要求：v高温下高的持久强度，v蠕变强度，疲劳强度，v热稳定性，好的物理性质和工艺性。材料工艺的选择演变vA) 锻造 (60年代) B) 精铸 (70年代)vC) 定向结晶(80年代)D) 单向结晶(80年代)2.1 工作叶片v定向结晶定向结晶v 单向结晶单向结晶2.1 工作叶片v7.叶片材料防护涂层v铝化物涂层抗氧化腐蚀；vCr抗硫化物腐蚀。高温涂层2.2 涡轮盘v1) 工作条件：高转速 ， 温度沿半径方向分布不均匀v2)剖面形状：一般为对称， 开孔-边缘加厚v3) 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？）涡轮转

5、子V2500 轮盘轮盘涡轮转子2.3 转子结构v1. 盘-轴连接径向销钉连接2.3 转子结构v1. 盘-轴连接焊接转子2.3 转子结构v1. 盘-轴连接短螺栓连接2.3 转子结构v1. 盘-轴连接圆弧端齿 (RB199)2.3 转子结构v1. 盘-轴连接盘带短轴通过花键与轴连接多根长螺栓连接2.3 转子结构v2 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2 盘-盘连接短螺栓连接短螺栓连接2 盘-盘连接盘上开孔螺栓连接盘上开孔螺栓连接2 盘-盘连接盘上开孔螺栓连接盘上开孔螺栓连接2 盘-盘连接长螺栓连接长螺栓连接第三节 静 子v组成：机匣和导向器v导向器包括：外环、叶片、

6、内环3.1 机匣v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。3.1 机匣v机匣的定心机匣的定心v机匣防热应力机匣防热应力3.1 机匣v机匣的销钉定心机匣的销钉定心3.2 叶尖间隙控制v1.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；v2.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涡轮叶片与机匣径向间隙变化设计采取措施带冠F404高压涡轮v调整装配间隙 v内环加易磨材料v双层或三层机匣主动间隙控制 被动间隙控制JT9D发动机涡轮主动

7、间隙控制3.3 导向器3.3 导向器v1 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。v2. 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；3.3 导向器v3. 分类传力的导向器 不传力的导向器3.3 导向器v4.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 挂钩式涡轮挂钩式涡轮导向器叶片导向器叶片v正交叶片正交叶片第四节 低压转子断轴安全装置v4.1 断轴可能性：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。v4.2 危害性：超转，飞转危险极大。例如：CAAC 1988年5月30日TY154 (D30KY-154)v4.3 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JT9D第五节 冷却系统v5.1 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v设计的基本原则：冷却效果好 冷却后温度场均匀