航空发动机结构-第五章 涡轮结构设计

第五章涡轮结构设计轴流式涡轮向心式涡轮第三讲涡轮结构设计第一节概述第二节涡轮转子第三节涡轮静子第四节涡轮部件的冷却燃气涡轮工作原理冲击式涡轮反作用力涡轮第一节概述1.1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1.2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1.3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组成:涡轮盘涡轮轴工作叶片2.1工作叶片1.叶身特点: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2.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公司带冠高压叶片带箍---WP7发动机涡轮箍环2.1工作叶片3.榫头1.工作条件：轮缘温度为500--650℃2.要求：自由膨胀、减少热应力、热传导性好、强度好3结构特点:多齿承载、倒锥型、间隙装入。2.1工作叶片3.榫头大圆弧少齿具有小的应力集中对工况的变化有了好的适应力加工相对简单结构阻尼性能好2.1工作叶片3.榫头小齿多齿结构应力分布均匀较好的温度分布加工难度较大2.1工作叶片3.榫头双叶片2.1工作叶片4.中间叶根(伸根)作用:降低叶片对盘的传热冷却空气导入减小应力集中伸根处可安装阻尼材料2.1工作叶片5.锁紧方式锁片，挡板2.1工作叶片高寿命，高可靠性锁紧结构2.1工作叶片5.锁紧方式涡轮叶片无螺栓槽向锁紧2.1工作叶片涡轮叶片的无螺栓锁紧2.1工作叶片6.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6.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工作叶片7.叶片材料涡轮部件对材料的要求：高温下高的持久强度，蠕变强度，疲劳强度，热稳定性，好的物理性质和工艺性。材料工艺的选择演变A)锻造(60年代)B)精铸(70年代)C)定向结晶(80年代)D)单向结晶(80年代)2.1工作叶片定向结晶单向结晶2.1工作叶片7.叶片材料防护涂层铝化物涂层抗氧化腐蚀；Cr抗硫化物腐蚀。高温涂层2.2涡轮盘1)工作条件：高转速，温度沿半径方向分布不均匀2)剖面形状：一般为对称，开孔--边缘加厚3)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？）涡轮转子V2500轮盘涡轮转子2.3转子结构1.盘--轴连接径向销钉连接2.3转子结构1.盘--轴连接焊接转子2.3转子结构1.盘--轴连接短螺栓连接2.3转子结构1.盘--轴连接圆弧端齿(RB199)2.3转子结构1.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2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2盘--盘连接盘上开孔螺栓连接2盘--盘连接盘上开孔螺栓连接2盘--盘连接长螺栓连接第三节静子组成：机匣和导向器导向器包括：外环、叶片、内环3.1机匣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机匣的定心机匣防热应力3.1机匣机匣的销钉定心3.2叶尖间隙控制1.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；2.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调整装配间隙内环加易磨材料双层或三层机匣主动间隙控制被动间隙控制JT9D发动机涡轮主动间隙控制3.3导向器3.3导向器1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。2.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3.分类传力的导向器不传力的导向器3.3导向器4.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挂钩式涡轮导向器叶片正交叶片第四节低压转子断轴安全装置4.1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。4.2危害性：超转，飞转危险极大。例如：CAAC1988年5月30日TY154(D30KY-154)4.3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5.1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设计的基本原则：冷却效果好冷却后温度场均匀减小漏气量气源损失小、可行第五节冷却系统5.2冷却方法1)对流冷却可使温度降低200-250℃2)冲击冷却3)气膜冷却可使温度降低400--600℃4)发散冷却可使温度降低200-250℃普遍使用前三种的混合5.3典型冷却系统