第4章 燃气涡轮

1、第四章第四章 燃气涡轮燃气涡轮4.1 概述4.2 涡轮转子4.3 涡轮静子4.4 涡轮部件的冷却4.5 涡轮主要零件的常用材料4.1 概述功用功用：将气体热能、压力能转化气体动能，并对涡轮：将气体热能、压力能转化气体动能，并对涡轮做功，驱动压气机和附件做功，驱动压气机和附件 主要指标主要指标：落压比、效率、可靠性、维修性：落压比、效率、可靠性、维修性 外廓尺寸和重量等。外廓尺寸和重量等。基本类型基本类型：轴流式、径向式：轴流式、径向式 单级涡轮、多级涡轮单级涡轮、多级涡轮 单转子、双转子、三转子涡轮单转子、双转子、三转子涡轮 单转子涡轮单转子涡轮一种双转子涡轮和轴的布置一种双转子涡轮和轴的布置

2、一种三转子涡轮和轴的布置一种三转子涡轮和轴的布置4.1 概述 工作特点工作特点：高温：高温：1800K高速：高速：10000rpm （大发）（大发） 3000050000rpm （小发）（小发） 200000rpm （微发）（微发）高负荷：大发涡轮总功率高负荷：大发涡轮总功率100000马力马力 （74570KW) 一片涡轮叶片发出一片涡轮叶片发出186KW功率功率 （约等于（约等于8缸载重汽车发动机功率）缸载重汽车发动机功率） 4.1 概述突出问题突出问题：“热热”热变形、热定心热变形、热定心 热应力、热疲劳、热腐蚀热应力、热疲劳、热腐蚀措施：措施： 1. 材料：高温耐热合金、高温陶瓷材料：

3、高温耐热合金、高温陶瓷 2. 冷却技术：高效冷却系统设计冷却技术：高效冷却系统设计典型涡轮结构：典型涡轮结构：WP6 WP7 JT3D J69 J85 WP7乙乙 Spey MK202 CFM56 PW4000 RB199 透默透默IIIC 自由涡轮自由涡轮 对转涡轮对转涡轮 转子联接结构转子联接结构A、基本要求：、基本要求： 足够的刚度、强度足够的刚度、强度 良好的定心、定位良好的定心、定位 传力、传扭可靠传力、传扭可靠 结构简单、易制造（工艺好）结构简单、易制造（工艺好） 装拆方便、易维护装拆方便、易维护B、特殊要求：热定心可靠，热应力小、特殊要求：热定心可靠，热应力小 减少向轴的传热、改

4、善轴承条件减少向轴的传热、改善轴承条件 （尤其是第一级）（尤其是第一级） 机匣为（分段）整体式，注意装配机匣为（分段）整体式，注意装配 单级单级盘式盘式 多级多级鼓盘混合式鼓盘混合式4.2 涡轮转子4.2.1盘轴连接1、不可拆卸的盘轴连接联接方案：径向销钉，焊接，锻制成整体WP7典型径向销钉连接 径向销钉方案结构简单轻巧，加工方便，强度、刚性均较满意，同时具有一定的热节流作用。4.2 涡轮转子4.2.1盘轴连接1、不可拆卸的盘轴连接4.2 涡轮转子4.2.1盘轴连接1、不可拆卸的盘轴连接4.2 涡轮转子4.2.1盘轴连接2、可拆卸式的盘轴联接连接件：长螺栓，短螺栓，套齿4.2 涡轮转子4.2.

5、1盘轴连接2、可拆卸式的盘轴联接4.2 涡轮转子轴向套齿和大螺帽轴向套齿和大螺帽4.2.2盘与盘的联接1、不可拆卸的盘与盘联接适用于级数较少的涡轮转子。4.2 涡轮转子4.2.2盘与盘的联接2、可拆卸式盘与盘联接WJ6：定心：5长5短圆精密锥螺栓，紧度0.010.02mm 定位：端面 传力、传扭：摩擦紧密螺栓4.2 涡轮转子4.2.2盘与盘的联接2、可拆卸式盘与盘联接JT9D低压：定心：圆柱面 定位：端面 传力：长短螺栓 传扭：摩擦螺栓圆柱面4.2 涡轮转子4.2.2盘与盘的联接2、可拆卸式盘与盘联接级数大于3的涡轮 盘盘联接广泛采用 短螺栓。nJT9D低压（改型） ： 传力：短螺栓 传扭：摩

6、擦螺栓圆柱面 （自锁螺帽）4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接叶片特点叶片特点：负荷大离心、气动、热及振动：负荷大离心、气动、热及振动 寿命热疲劳、热腐蚀寿命热疲劳、热腐蚀制造制造：早期锻造机加：早期锻造机加 现代精密铸造（定向结晶、单晶）现代精密铸造（定向结晶、单晶）措施措施：改进材料高温合金、陶瓷材料：改进材料高温合金、陶瓷材料 改进冷却技术改进冷却技术结构组成结构组成：叶身、中间叶根、榫头：叶身、中间叶根、榫头4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接1、叶身、叶身（1）叶尖）叶尖“切角切角”( WP7一级转子一级转子)或叶尖带凸台或叶尖带凸台 目的：修频（改变叶片

7、自振频率）目的：修频（改变叶片自振频率）4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接1、叶身、叶身（2）叶顶带冠）叶顶带冠 目的：利用相邻叶冠之间的摩擦来吸收震动能量，从而减震；目的：利用相邻叶冠之间的摩擦来吸收震动能量，从而减震； 相邻叶冠合璧成环形，限制气流流动，提高涡轮效率。相邻叶冠合璧成环形，限制气流流动，提高涡轮效率。 型式：平行四边形型式：平行四边形 锯齿行锯齿行 优缺点优缺点4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接1、叶身、叶身（3）环形互圈）环形互圈 WP7涡轮二级转子叶片涡轮二级转子叶片 目的：把所有叶片联接起来，使其相互牵制，而且可自由膨胀目的：把所有叶片联

8、接起来，使其相互牵制，而且可自由膨胀 摩擦阻尼力吸收叶片摩擦阻尼力吸收叶片组的震动，但是环形护圈组的震动，但是环形护圈置于燃气中，影响涡轮效置于燃气中，影响涡轮效率，又严重影响叶片与互率，又严重影响叶片与互圈的强度。圈的强度。4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接1、叶身、叶身（3）变功量、可控涡设计叶片）变功量、可控涡设计叶片 JT9D-7R4 提高涡轮效率，减少涡轮级数提高涡轮效率，减少涡轮级数（4）正交叶片）正交叶片 改变气流流动的角度改变气流流动的角度4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接2、叶片榫头与轮盘的联接、叶片榫头与轮盘的联接（1）榫头及其槽向固定）榫头

9、及其槽向固定 榫头：枞树型榫头：枞树型优点：承载能力大，材料利用合理，近似等强度设计，结构轻优点：承载能力大，材料利用合理，近似等强度设计，结构轻 轴向尺寸小，安装叶片数多，可提高涡轮功率轴向尺寸小，安装叶片数多，可提高涡轮功率 能够自由膨胀，热应力小能够自由膨胀，热应力小 存在装配间隙，可起到一定阻尼作用，减少叶片振动存在装配间隙，可起到一定阻尼作用，减少叶片振动 存在装配间隙，有利于冷却轮缘，降低轮盘温度存在装配间隙，有利于冷却轮缘，降低轮盘温度 装拆方便装拆方便缺点：应力集中，易产生疲劳裂纹、断裂缺点：应力集中，易产生疲劳裂纹、断裂 加工精度要求高，需要专用加工机床加工精度要求高，需要专

10、用加工机床 结构形式：小圆角与大圆角，双榫头结构形式：小圆角与大圆角，双榫头 其它形式：销钉式（早期，使用很少）其它形式：销钉式（早期，使用很少）4.2 涡轮转子 槽向固定的方式槽向固定的方式 凸肩锁片凸肩锁片 锁片锁片 封严圈锁片封严圈锁片 铆钉铆钉 锁板锁板 无螺栓挡板无螺栓挡板4.2 涡轮转子4.2.3 转子叶片及其与盘的联接2、叶片榫头与轮盘的联接、叶片榫头与轮盘的联接（2）中间叶根）中间叶根目的：吹风冷却，降低轮缘温度目的：吹风冷却，降低轮缘温度 降低涡轮转子总重量降低涡轮转子总重量 改善榫头应力分布改善榫头应力分布 装入阻尼块，提高抗振性能装入阻尼块，提高抗振性能4.2 涡轮转子4

11、.3 涡轮静子组成：涡轮机匣，导向器，涡轮的支承与传力构件组成：涡轮机匣，导向器，涡轮的支承与传力构件特殊要求：机匣刚性均匀，热变形小，热定心特殊要求：机匣刚性均匀，热变形小，热定心 减少涡轮径向间隙，提高效率减少涡轮径向间隙，提高效率 抗热冲击、热疲劳抗热冲击、热疲劳 处理好传力与热膨胀的矛盾处理好传力与热膨胀的矛盾 排气面积调整措施排气面积调整措施4.3 涡轮静子4.3.1 涡轮机匣涡轮机匣1、结构形式、结构形式n 剖分式（极少）、分段式、整体式（较多）剖分式（极少）、分段式、整体式（较多）n单层、双层、三层单层、双层、三层n外冷却、内冷却、内外冷却式外冷却、内冷却、内外冷却式2、材料：耐

12、热合金钢、材料：耐热合金钢 制造：焊接后再机械加工，轧压制造：焊接后再机械加工，轧压4.3 涡轮静子4.3.1 涡轮机匣涡轮机匣3、要求、要求（1）涡轮的径向间隙沿周向均匀）涡轮的径向间隙沿周向均匀 方案方案整环形整环形 WP6，WP7 整体式的锥形机匣整体式的锥形机匣 JT3D,斯贝斯贝 注：要求转子可拆，否则无法装配注：要求转子可拆，否则无法装配纵向剖分机匣纵向剖分机匣 J79J79 机匣沿周向刚性不均匀，受热与受力后容易出现椭圆度超差和翘曲机匣沿周向刚性不均匀，受热与受力后容易出现椭圆度超差和翘曲变形，因此设计是要注意周向刚性的合理分布，并希望采用对径向变形，因此设计是要注意周向刚性的合

13、理分布，并希望采用对径向间隙不太敏感的封严结构（蜂窝结构）间隙不太敏感的封严结构（蜂窝结构）4.3 涡轮静子4.3.1 涡轮机匣涡轮机匣3、要求、要求 （1）涡轮的径向间隙沿周向均匀）涡轮的径向间隙沿周向均匀 方案方案机匣与转子工作时要保证良好同心度机匣与转子工作时要保证良好同心度nWP6采用圆柱形凸边定心采用圆柱形凸边定心装配时，叶片附着磨削材料，同时机匣内壁附着易磨结构装配时，叶片附着磨削材料，同时机匣内壁附着易磨结构 双层机匣：避免载荷变形，发动机性能衰退双层机匣：避免载荷变形，发动机性能衰退 机匣安装边设计机匣安装边设计4.3 涡轮静子（1）涡轮的径向间隙沿周向均匀）涡轮的径向间隙沿周

14、向均匀4.3 涡轮静子4.3.1 涡轮机匣涡轮机匣3、要求、要求 （2）尽量减小涡轮的径向间隙）尽量减小涡轮的径向间隙 叶尖间隙的影响因素叶尖间隙的影响因素 轮盘与叶片的蠕变伸长，机匣的收缩变形，转子的振动和轮盘与叶片的蠕变伸长，机匣的收缩变形，转子的振动和偏摆，机匣与转子的热惯性不同。偏摆，机匣与转子的热惯性不同。4.3 涡轮静子4.3.1 涡轮机匣涡轮机匣3、要求、要求 （2）尽量减小涡轮的径向间隙）尽量减小涡轮的径向间隙 方案方案尽量减小机匣在各种状态下的变形量尽量减小机匣在各种状态下的变形量冷却式机匣冷却式机匣在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构采用

15、主动间隙控制技术采用主动间隙控制技术n气动类气动类n机械类机械类 有无冷却机匣比较有无冷却机匣比较 冷却式机匣冷却式机匣 外部冷却外部冷却冷却式机匣冷却式机匣内部冷却内部冷却在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构21n 机匣中嵌入柔软封严块机匣中嵌入柔软封严块n 蜂窝型封严装置蜂窝型封严装置4.3 涡轮静子4.3.2 涡轮导向器涡轮导向器组成：内、外环，一组导向叶片组成的环形静止叶栅组成：内、外环，一组导向叶片组成的环形静止叶栅功用：使气流的部分热能转换为动能，并以一定方向流功用：使气流的部分热能转换为动能，并以一定方向流出，推动涡轮做功。出，推动涡轮做功。要

16、求：要求：n足够的刚度、强度，工作可靠足够的刚度、强度，工作可靠n减少热应力，允许热膨胀减少热应力，允许热膨胀 n导向器不作传力件，传力件与高温隔离导向器不作传力件，传力件与高温隔离n导向器易于分解，便于维修和更换导向器易于分解，便于维修和更换4.3 涡轮静子4.3.2 涡轮导向器涡轮导向器1、第一级导向器、第一级导向器工作条件恶劣：温度高、分布不均，易烧伤工作条件恶劣：温度高、分布不均，易烧伤 氧化、腐蚀严重，热应力大，热疲劳严重氧化、腐蚀严重，热应力大，热疲劳严重 气动负荷、振动负荷大气动负荷、振动负荷大结构与矛盾：双支点结构，自由膨胀与传力矛盾结构与矛盾：双支点结构，自由膨胀与传力矛盾

17、排气面积调整排气面积调整 基本特征：导向叶片不作承力构件，并保证自由的热胀冷缩基本特征：导向叶片不作承力构件，并保证自由的热胀冷缩具体结构具体结构n双支点与机匣相连双支点与机匣相连l两端自由支承两端自由支承l一端自由，一端固定一端自由，一端固定l叶片组叶片组4.3 涡轮静子4.3.2 涡轮导向器涡轮导向器1、第一级导向器、第一级导向器具体结构具体结构n第一级导向器不做传力构件第一级导向器不做传力构件lWp6 为了传荷，叶片内腔穿过拉杆、衬筒将内外机匣联成一体。为了传荷，叶片内腔穿过拉杆、衬筒将内外机匣联成一体。 拉杆收拉承力，衬筒受压定距。拉杆收拉承力，衬筒受压定距。lWp7 用实心承力幅条代

18、替拉杆和衬筒用实心承力幅条代替拉杆和衬筒n叶片的排气面积可以改变叶片的排气面积可以改变 lWP6 交换不同弦长的叶片交换不同弦长的叶片lWp7 通过改变叶片的排气角度通过改变叶片的排气角度4.3 涡轮静子4.3.2 涡轮导向器涡轮导向器2、第、第2级及其以后的各级导向器级及其以后的各级导向器特殊问题：特殊问题：n叶片负荷只能由外缘经机匣传递叶片负荷只能由外缘经机匣传递n刚性问题突出，加装内环，要可自由膨胀刚性问题突出，加装内环，要可自由膨胀n（打孔后）封严问题（打孔后）封严问题n 装配关系装配关系结构：结构： nWP6二导二导 WP7二导二导nJT3D-3B 挂钩式导向器挂钩式导向器(JT3D

19、)挂钩式导向器挂钩式导向器-JT3D发动机发动机2，3，4级导向器级导向器 4.4 涡轮部件的冷却4.4.14.4.1典型零件的温度分布与热应力典型零件的温度分布与热应力1 1、转子叶片的温度分布、转子叶片的温度分布稳态情况下稳态情况下n未冷却时：沿大部分叶高温度不变，至未冷却时：沿大部分叶高温度不变，至1/31/3叶根处开始，温度才向叶根处开始，温度才向叶根方向按立方规律下降叶根方向按立方规律下降n冷却设计后：两端温度低，最大值在叶片中间冷却设计后：两端温度低，最大值在叶片中间非稳态非稳态n起动，加载时，叶片的温度随燃气温度不断升高，表面温度高于起动，加载时，叶片的温度随燃气温度不断升高，表

20、面温度高于中心温度，中心受拉，表面受压的热应力。中心温度，中心受拉，表面受压的热应力。n加载完毕后，表面与中心温度趋于一致加载完毕后，表面与中心温度趋于一致n减载和停车时，表面温度低于中心温度。减载和停车时，表面温度低于中心温度。解决：发动机在起动后和停车前，要在较低功率稳定运行几分钟，解决：发动机在起动后和停车前，要在较低功率稳定运行几分钟，使部件温度趋于均匀。使部件温度趋于均匀。4.4 涡轮部件的冷却 转子叶片的温度分布转子叶片的温度分布4.4 涡轮部件的冷却4.4.14.4.1典型零件的温度分布与热应力典型零件的温度分布与热应力2 2、涡轮盘及叶片榫头的温度分布、涡轮盘及叶片榫头的温度分

21、布特点：轮盘边缘温度高，中心温度较低特点：轮盘边缘温度高，中心温度较低枞树型榫头在径向吹风冷却的情况下，榫头中的温降约枞树型榫头在径向吹风冷却的情况下，榫头中的温降约为为150200150200C C。4.4 涡轮部件的冷却4.4.24.4.2涡轮部件的冷却涡轮部件的冷却目的：目的：4.4 涡轮部件的冷却4.4.24.4.2涡轮部件的冷却涡轮部件的冷却1 1、涡轮部件的空气冷却系统、涡轮部件的空气冷却系统除了轴承部分采用除了轴承部分采用滑油滑油冷却，其余都采用冷却，其余都采用空气空气作为冷却作为冷却介质。介质。n冷却空气有效性冷却空气有效性n避免引起额外的气动损失避免引起额外的气动损失n结构简单可靠结构简单可靠n可调节转子轴向力可调节转子轴向力CFM56 6CFM56 6路空气路空气 WP6 WP7 WP7WP6 WP7 WP7乙乙 JT3D Spey P29JT3D Spey P294.4 涡轮部件的冷却4.4.24.4.2涡轮部件的冷却涡轮部件的冷却2 2、涡轮盘的冷却、涡轮盘的冷却：n侧面径向侧面径向吹风冷却吹风冷却n榫头榫头吹风冷却吹风冷却3 3、涡轮叶片的冷