第4章 燃气涡轮

第四章燃气涡轮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4.1概述功用：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主要指标：落压比、效率、可靠性、维修性外廓尺寸和重量等。基本类型：轴流式、径向式单级涡轮、多级涡轮单转子、双转子、三转子涡轮单转子涡轮一种双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：高温：1800K高速：10000rpm（大发）30000～50000rpm（小发）200000rpm（微发）高负荷：大发涡轮总功率100000马力（74570KW)一片涡轮叶片发出186KW功率（约等于8缸载重汽车发动机功率）4.1概述突出问题：“热”——热变形、热定心热应力、热疲劳、热腐蚀措施：1.材料：高温耐热合金、高温陶瓷2.冷却技术：高效冷却系统设计典型涡轮结构：WP6WP7JT3DJ69J85WP7乙SpeyMK202CFM56PW4000RB199透默IIIC自由涡轮对转涡轮转子联接结构A、基本要求：足够的刚度、强度良好的定心、定位传力、传扭可靠结构简单、易制造（工艺好）装拆方便、易维护B、特殊要求：热定心可靠，热应力小减少向轴的传热、改善轴承条件（尤其是第一级）机匣为（分段）整体式，注意装配单级—盘式多级—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4.2.1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0.01~0.02mm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。JT9D低压（改型）：传力：短螺栓传扭：摩擦＋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：负荷大－离心、气动、热及振动寿命－热疲劳、热腐蚀制造：早期－锻造＋机加现代－精密铸造（定向结晶、单晶）措施：改进材料－高温合金、陶瓷材料改进冷却技术结构组成：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（1）叶尖“切角”(WP7一级转子)或叶尖带凸台目的：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（2）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；相邻叶冠合璧成环形，限制气流流动，提高涡轮效率。型式：平行四边形锯齿行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（3）环形互圈WP7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摩擦阻尼力吸收叶片组的震动，但是环形护圈置于燃气中，影响涡轮效率，又严重影响叶片与互圈的强度。4.2涡轮转子4.2.3转子叶片及其与盘的联接1、叶身（3）变功量、可控涡设计叶片JT9D-7R4提高涡轮效率，减少涡轮级数（4）正交叶片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（1）榫头及其槽向固定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，降低轮盘温度装拆方便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）4.2涡轮转子槽向固定的方式凸肩＋锁片锁片封严圈＋锁片铆钉锁板无螺栓挡板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（2）中间叶根目的：吹风冷却，降低轮缘温度降低涡轮转子总重量改善榫头应力分布装入阻尼块，提高抗振性能4.2涡轮转子4.3涡轮静子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，热定心减少涡轮径向间隙，提高效率抗热冲击、热疲劳处理好传力与热膨胀的矛盾排气面积调整措施4.3涡轮静子4.3.1涡轮机匣1、结构形式剖分式（极少）、分段式、整体式（较多）单层、双层、三层外冷却、内冷却、内外冷却式2、材料：耐热合金钢制造：焊接后再机械加工，轧压4.3涡轮静子4.3.1涡轮机匣3、要求（1）涡轮的径向间隙沿周向均匀方案整环形WP6，WP7整体式的锥形机匣JT3D,斯贝注：要求转子可拆，否则无法装配纵向剖分机匣J79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3、要求（1）涡轮的径向间隙沿周向均匀方案机匣与转子工作时要保证良好同心度WP6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双层机匣：避免载荷变形，发动机性能衰退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4.3涡轮静子4.3.1涡轮机匣3、要求（2）尽量减小涡轮的径向间隙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3、要求（2）尽量减小涡轮的径向间隙方案尽量减小机匣在各种状态下的变形量——冷却式机匣在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构采用主动间隙控制技术气动类机械类有无冷却机匣比较冷却式机匣外部冷却冷却式机匣内部冷却在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构21机匣中嵌入柔软封严块蜂窝型封严装置4.3涡轮静子4.3.2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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。要求：足够的刚度、强度，工作可靠减少热应力，允许热膨胀导向器不作传力件，传力件与高温隔离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1、第一级导向器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具体结构双支点与机匣相连两端自由支承一端自由，一端固定叶片组4.3涡轮静子4.3.2涡轮导向器1、第一级导向器具体结构第一级导向器不做传力构件Wp6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。Wp7用实心承力幅条代替拉杆和衬筒叶片的排气面积可以改变WP6交换不同弦长的叶片Wp7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2、第2级及其以后的各级导向器特殊问题：叶片负荷只能由外缘经机匣传递刚性问题突出，加装内环，要可自由膨胀（打孔后）封严问题装配关系结构：WP6二导WP7二导JT3D-3B挂钩式导向器(JT3D)挂钩式导向器-----JT3D发动机2，3，4级导向器4.4涡轮部件的冷却4.4.1典型零件的温度分布与热应力1、转子叶片的温度分布稳态情况下未冷却时：沿大部分叶高温度不变，至1/3叶根处开始，温度才向叶根方向按立方规律下降冷却设计后：两端温度低，最大值在叶片中间非稳态起动，加载时，叶片的温度随燃气温度不断升高，表面温度高于中心温度，中心受拉，表面受压的热应力。加载完毕后，表面与中心温度趋于一致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，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4.4涡轮部件的冷却4.4.1典型零件的温度分布与热应力2、涡轮盘及叶片榫头的温度分布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，榫头中的温降约为150~200°C。4.4涡轮部件的冷却4.4.2涡轮部件的冷却目的：4.4涡轮部件的冷却4.4.2涡轮部件的冷却1、涡轮部件的空气冷却系统除了轴承部分采用滑油冷却，其余都采用空气作为冷却介质。冷却空气有效性避免引起额外的气动损失结构简单可靠可调节转子轴向力CFM566路空气WP6WP7WP7乙JT3DSpeyP294.4涡轮部件的冷却4.4.2涡轮部件的冷却2、涡轮盘的冷却：侧面径向吹风冷却榫头吹风冷却3、涡轮叶片的冷却(气体)一级导向叶片：燃烧室二股气流，叶片一端或两端引入二级导向叶片：顶部缘板处流入涡轮转子叶片：较为复杂冷却形式：对流冷却200~250喷射冷却局部高温区的强化冷却气膜冷却400~600发散冷却500~8006.5涡轮主要零件的常用材料要求：高温下，高持久强度、蠕变强度、疲劳强度导热系数大，线胀系数小，密度小，工艺性好1、转子叶片：高温高应力，被腐蚀性燃气包围700～800度：GH32、GH33800～850度：GH37850～900度：GH49900～950度：K5、M17、K17950～1000度：K19、K202、导向器叶片：温度最高，承受冲击力最厉害K10，K11，K12，K1，K2，K33、涡轮盘与轴：一定温度下承受离心负荷、热负荷和振动负荷盘：GH33、GH34、GH36、GH132，GH135轴：40CrNiMo、1Cr18Ni9TiA4、机匣和导向器外环：较高的耐热性，抗腐蚀性，抗氧化性，变形小GH34、1Cr18Ni9Ti5、高温合金及陶瓷材料