1、第4章 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燃气涡轮的简介： 把高温、高压燃气的大部分热能和压力能转变为旋转的机械能带动压气机和其他附件工作。 燃气涡轮的特点：功率大、燃气温度高、转速高、负荷大 目前国外最新战机的发动机进口温度已达18112144K，远远超过了普通碳钢的熔点（1690K），且燃烧室出口温度分布并不均匀，形成的热负荷已成为涡轮部件结构的主要问题。 可见，涡轮是发动机中动力负荷和热负荷最大的部件，其工作条件恶劣，是发动机使用中故障较多的部件之一。 4.1 概述基于涡轮部件具有“热”的特点，给涡轮结构设计带来一些特
2、殊的问题：1）.零件材料及选用 涡轮零件的材料必须能适应高温下可靠工作的要求，既要具有足够的高温强度和良好的热安定性，以及耐腐蚀能力。2）.零组件的结构设计 高温下工作的零组件，常常由于其内部温度的不均匀或不能自由膨胀而产生热应力与热应变，过大则会影响发动机的正常工作。 短时间内热应力的剧增可以导致零件的开裂，称为热冲击 反复作用的热应力与变形会导致零件的破坏，称为热疲劳。 发动机的起动加速减速停车过程就是典型的较为严重的加载循环过程 所以，高温零组件要求具有均匀的热惯性与良好的热补偿结构。3）.零组件的降温降低零组件的工作温度是提高涡轮部件工作可靠性的关键措施 热节流、隔热等是减少传热速度的
3、重要降温措施； 利用流体介质（空气或滑油）将热量带走的对流冷却方式是更重要的降温措施，因为其可以使冷却对象始终保持较低的温度。 所以，可靠有效的冷却系统已成为涡轮部件的重要组成部分。JT3D-3B发动机涡轮部件，双转子、4级涡轮（1级高压、3级低压）高压转子为悬臂式，低压转子为简直式4.2 涡轮转子涡轮转子是涡轮部件的总称由转子叶片、涡轮盘、涡轮轴等零件组成，在多级涡轮中还有盘间联接零件功用：把高温、高压燃气的大部分热能和压力能转变为旋转的机械能带动 压气机和其他附件应注意的问题：转子零部件的自身强度、盘与轴、盘与盘的联接、转子叶片与盘的联接一.盘与轴的联接联接要求：（1）连接处有足够的强度和
4、刚度，不会削弱轮盘和轴，能可靠的传递各种负荷（2）盘与轴在转配、工作时能够可靠的定心，不会破坏转子的平衡盘与轴的联接方式（1）不可拆的盘轴联接：径向销钉联接、焊接、锻制成整体件（2）可拆式的盘轴联接：使用连接件将盘和轴联接起来， 常用联接件有：长螺栓、短螺栓、套齿等 盘轴连接处传递的负荷很大，包括：扭矩、转子重量、惯性力及不平衡力引起的弯矩、机动飞行时的陀螺力矩、气体轴向力以及转子不平衡、燃气压力脉动等原因造成的振动负荷。利用特制安装边上圆柱面的紧度配合，在组合好的安装边上钻孔、铰孔、并压入径向销钉，为防止销钉旋转时飞出，借助其他零件挡住。 该方案结构简单，轻巧，加工方便，强度、刚性均较满意。
5、典型的不可拆结构销钉联接典型的不可拆结构焊接 一种最简单的不可拆结构，中间没有连接件，重量最轻，对材料的利用率和工艺性较合理。 但需要确保盘轴的同心度，以及不同材料对焊接的影响，对焊接工艺要求很高，焊接质量将成为连接可靠性的关键。典型的不可拆结构盘轴锻制成整体件受到材料利用率低、锻造困难的限制，仅用于小型燃气轮机中，通常是将盘和短轴锻制成整体件。可拆式的盘轴连接利用连接件将盘与轴联结起来，局部受力很复杂，使得联结强度和刚度都受到影响。常用连接件：长螺栓、短螺栓、套齿。螺栓连接 J57发动机高压涡轮转子，盘轴借24个螺栓连接，靠盘轴接触端面的摩擦力传递扭矩，圆柱面做定心用。 A处的“z”形轴颈，
6、其薄壁圆柱段起着“热节流”作用，并可通气冷却，减少了向轴承的传递，还缩短了盘与轴间的距离，提高了转子的刚性。套齿连接 套齿连接第一级高压涡轮采用套齿传扭、圆柱面 定心、大螺母压紧。结构简单、装拆方便，减少了盘向轴的传热。二.盘与盘的联接 盘与盘的联接应有足够的强度和刚度、可靠定心、还应考虑到级数与联接部分较多对整个涡轮的影响。 为减少热应力，通常对整个转子的轴向与径向采用热补偿措施； 为便于装拆，盘与盘的联接方案应与静子部件的结构形式协调； 为有效的减小涡轮径向间隙和转子的振动，对于悬臂式转子的刚性应予足够的重视。联接方式（1）不可拆的盘盘联接：用于级数较少的涡轮转子（2）可拆式的盘盘联接：使
7、用长、短螺栓将盘和盘联接起来（1）不可拆的盘盘联接：用于级数较少的涡轮转子WP6的不可拆两级涡轮转子，由两级轮盘、叶片、承力环和涡轮轴组成。承力环做成圆锥形，可以补偿两端温度，减小热应力，同时既具有足够的刚度又减少了重量。（2）可拆式的盘盘联接：使用长、短螺栓将盘和盘联接起来 WJ6的可拆三级涡轮转子，是种可拆卸的悬臂式转子每级盘前后端面都有联接凸台，利用5根长螺栓和5根短螺栓相互与轴联接在一起。三. 转子叶片介绍及其与盘的联接转子叶片： 将高温燃气的能量转变为转子机械功的重要零件， 工作时，其不仅被经常变化着的高温燃气包围，并且承受着高速旋转产生的巨大离心力、气体力和振动负荷。 经受高温燃气
8、引起的腐蚀和侵蚀，其是决定发动机寿命的主要零件之一。制造过程：原来：采用高温高强度的耐热合金锻件，经机械加工制成，但工艺性差，气动性差；过程：高温合金铸造，经精铸抛光加工成型现在：使用定向结晶合金技术涡轮转子叶片的组成：叶身、中间叶根、榫头叶身介绍特点：就压气机叶片而言，叶型剖面弯曲度大，叶身较厚， 沿叶高方向截面变化较明显，在叶尖部分通常采用一些特殊结构。原因：涡轮中级加功量大、气流速度大、转折角大。叶尖特殊结构： (1) 叶尖“切角”：在叶尖排气边缘削掉一部分材料 （2）叶顶带冠：平行四边形叶冠、锯齿形叶冠 （3）环形护圈：(1).叶尖“切角” 在叶尖排气边缘削掉一部分材料,该处交变热应力
9、与振动应力均较大，容易出现裂纹与断裂等故障。 (2).叶顶带冠 利用相邻叶冠之间的摩擦来吸收振动能量，从而有效地起到减振作用，相邻叶冠合壁成环型，将气流限制在叶片与叶冠构成的流道内，减少了潜流损失，提高了涡轮效率。(3).环形护圈在叶片上段距叶尖约1/4处开孔，穿过护段，与护棒相套构成环形护圈，将所有叶片连接起来相互制约，减小了振动。但是护圈处于燃气中，影响了流场分布，降低了涡轮效率，并减弱了叶片强度。叶片与轮盘的联接方式使用枞树形榫头联接方式枞树形榫头的几种形式优点：（1）叶根与轮缘部分的材料利用合理，承载面积多，重量轻（2）可以有间隙的插入榫槽，允许榫头与轮缘受热后的自由膨胀（3）在榫头的
10、装配间隙中，可以通入冷却空气，进行冷却（4）装拆急更换叶片方便缺点：（1）榫齿圆角半径小，应力集中现象严重（2）加工精度要求高，否则各齿受力不均，受力最大的齿容易被破坏 枞树形榫头枞树形榫头中间叶根 中间叶根减少了叶片对轮盘的传热量，并可以设通道入口引入冷却空气进行强迫冷却，降低了叶根、榫头、轮缘的温度，同时可以将叶身与底座转接处不均匀应力不直接传给榫头，改善了榫头应力分布的不均匀度。4.3 涡轮静子涡轮静子由涡轮机匣、导向器、涡轮的支承与传力构件组成 涡轮静子与压气机静子存在较大的差异，需采用具有良好高温性能的材料，保证零组件在高温下可以安全可靠的工作，在结构设计时，热应力、热变形、热定心，
11、以及热冲力、热疲劳等问题。一. 涡轮机匣 涡轮机匣的基本技术要求：（1）尽可能减小涡轮叶尖的径向间隙以提高效率，同时又要保证工作是转子与静子不致碰坏（2）在保证机匣有足够的刚度的同时，减轻机匣的重量，便于装配（3）工作时，机匣相互间有很好的热定心，转子与静子之间能保持良好的同心度 涡轮机匣的加工： 通常采用耐热合金钢材料，使用扎压方法制成，该方法材料耗损少，生产率高，疲劳强度好保证涡轮的径向间隙沿圆周均匀 为保证涡轮的径向间隙沿圆周均匀分布，涡轮机匣不仅要具有一定的刚性，而且沿周向还要比较均匀，所以，机匣通常做成整环形，且厚度比较均匀，广泛采用横向结合面。 在发动机装配时，在涡轮某几级叶片叶尖
12、附着一层类似砂轮的磨削材料，旋转涡轮转子，用这些材料将机匣内壁上附着的蜂窝结构磨掉，使机匣内壁与转子同心。 由于机匣是传递负荷的承力构件，特别是传递不对称负荷，长期使用会产生较大的变形，从而不能保持均匀的叶尖间隙，使涡轮效率下降，形成发动机性能的衰退。解决方案为将机匣设计为双层结构，构成气流通道外壁的内机匣和传递负荷的外机匣，较长时间使用后外机匣变形，但内机匣不受影响，保持了均匀的叶尖间隙。（1）尽量减小机匣在各种状态下的变形量，采用冷却式机匣（引入冷却空气）（2）在机匣内表面采用易磨的封严材料（如：不锈钢箔片钎焊的蜂窝封严装置）减少涡轮与机匣间的间隙涡轮与机匣间的间隙的变化过程示意图：减少涡
13、轮与机匣间的间隙的措施二. 涡轮导向器涡轮导向器：由内、外环和一组导向叶片组成的环形静止叶栅；作用：使气流的部分热能转变成动能，以一定的方向流出，推动工作轮做功导向器虽然是静止件，但工作条件恶劣，温度高，冷热变化大，温度分布不均匀容易出现热冲击和热疲劳裂纹，所以一律采用昂贵的高温合金。对导向器的设计要求：1）.在高温工作时，导向器应具有足够的强度和刚性，保证导向叶片工作型面、安装角、叶栅间距、排气面积等参数能符合设计要求并工作可靠；2）.减小导向器的热应力，如：采取措施允许高温零件（导向叶片）自由膨胀；3）.导向叶片不做承力件，内外环需要传力时，设置专门的承力件；4）.导向叶片做成单个的或两三
14、个叶片做成一组，便于装配、定位、更换。第一级涡轮导向器1.接近燃烧室出口，工作温度最高且分布不均匀，要采取最有效的冷却措施2.采用两端与机匣相联的双支点结构，不作承力构件，能够自由的热胀冷缩3.承力构件主要为通过涡轮叶片内腔的拉杆或实心承力辐条4.第一级涡轮导向器的排气面积对发动机性能影响很大，要求能够进行调整第二级涡轮导向器1. 第二级导向器叶片只能是一个外端固装的悬臂结构，作用于导向器上 的负荷通过叶片外端传递至外环，叶片与外环的联接需特别加强；2. 导向叶内外叶冠间镶有石棉封严圈，以保证通道气密性；3. 多采用挂钩式的导向器结构挂钩式的导向器结构4.4 涡轮部件的冷却一.典型零件的温度分布二.涡轮部件的冷却
