燃气涡轮发动机06A课件

燃气涡轮发动机06A,燃气涡轮发动机06A,第6章 涡轮,2,第6章 涡轮 2,6.1,涡,轮,涡轮的功用,涡轮的功用是使燃气膨胀，推动涡轮旋转，输出功，去带动压气机和附件。,带动的附件有：发电机、燃油泵、滑油泵、齿轮系等。,涡轮分为,径向式,和,轴流式,两种类型。目前民用航空发动机多用的是轴流式涡轮。,3,6.1 涡 轮涡轮的功用3,6.1,涡轮的分类,冲击式涡轮,推动涡轮旋转的扭矩是由于气流方向改变而产生的。,叶轮前的导向器两个相邻叶片之间的通道是,收敛形,的，燃气在其中膨胀加速并使气流拐弯。,冲击式涡轮的工作叶片的特征是前缘和后缘较薄,而中间较厚。,反力式涡轮,推动涡轮旋转的扭矩是由于气流速度的大小和方向的改变而产生的。,叶轮前的导向器使燃气流改变方向,但不改变压力。,反力式涡轮工作叶片的特征是前缘较厚,而后缘较薄。,冲击反力式涡轮,推动涡轮旋转的扭矩是由于气流速度的大小和方向的改变而产生的。一般大约冲击式占50,%,反力式占50,%,。,目前燃气涡轮发动机中多采用冲击反力式涡轮。,4,6.1 涡轮的分类 冲击式涡轮 4,6.1,涡轮的分类,5,6.1 涡轮的分类5,6.2,涡轮的结构,涡轮的组成,静子,静子由涡轮导向器组成，两个相邻的导向叶片之间的通道是,收敛形,的，燃气在其中膨胀加速并使气流拐弯,将热能转变为动能,转子,涡轮转子由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片和连接件组成，叶片的叶身分为带冠和不带冠两种，榫头是枞树型榫头，一般第一级涡轮叶片或第一、第二级涡轮叶片需要冷却,6,6.2 涡轮的结构 涡轮的组成 6,6.2,涡轮的结构,7,6.2 涡轮的结构7,6.2,涡轮的结构,涡轮,静子,转子,导向器,机匣,外环,叶片,内环,分段式,整体式,轮盘,不带冠,带冠,叶片,榫头,叶身：,枞树型,盘,式,鼓,盘,式,不可拆卸式,可拆卸式：,长螺栓,短螺栓,盘-轴，盘-盘,连接,叶轮,连接件,减小振动,提高效率,安装时有一端是松动的,8,6.2 涡轮的结构 涡轮静子 转子导向器机匣外环分段式轮盘,6.2,涡轮的结构,涡轮的一级由一个导向器（涡轮喷嘴环）和一个工作叶轮组成。,将导向器放在前,是为了改善叶轮的工作条件,因为燃气流过导向器时,温度将降低,。,涡轮导向器（涡轮喷嘴环）和工作叶轮两个相邻叶片间的通道,都是收敛形,的。,涡轮是,多级的,，其级数取决于：,需要从燃气中吸收的能量；,发出该功率时涡轮的转速；,所允许的涡轮直径。,9,6.2 涡轮的结构 涡轮的一级由一个导向器（涡轮喷嘴环）和,6.2,涡轮的结构,导向器,（涡轮喷嘴环）：燃气在涡轮喷嘴环内气流速度增加,压力下降,温度下降，并改变流动方向,来满足工作叶轮进口处对气流方向的要求,将压力位能和热能转变为动能;总压下降，总温不变。,工作叶轮,：工作叶片间的通道是收敛形的,燃气流过工作叶轮叶片通道时,相对速度增大,方向改变,压力降低,温度降低,推动工作叶轮高速旋转,向外输出功,使绝对速度减小。将热能转变为功。总压，总温都下降。,10,6.2 涡轮的结构 导向器（涡轮喷嘴环）：燃气在涡轮喷嘴,6.2,涡轮的结构,导向器叶片和工作叶片都是扭转的,即在,叶片叶尖,处的倾斜度大,而,安装角小,在叶根处倾斜度小,而安装角大。,叶片的安装角是叶片的弦线与额线方向之间的夹角。,扭转的原因是使燃气在沿叶片长度的所有部位有,相同的作功量,并且保证进入排气系统的气流具有均匀的轴向速度。,对导向器叶片的最主要要求是,“,耐热,”，,虽然采取了冷却措施，但仍使用镍合金来制造。,11,6.2 涡轮的结构 导向器叶片和工作叶片都是扭转的,即在叶,6.2,涡轮的结构,涡轮叶片,涡轮的工作叶片由叶身和榫头两部分组成。,涡轮叶片的叶身分为带冠和不带冠两种。,带冠涡轮叶片,可以减小叶片尖部由叶盆向,叶背的漏气,降低二次损失,提高涡轮的效率;,相邻叶片的叶冠抵紧后可以减小叶片的扭曲变形和弯曲变形,增强叶片的刚度,提高叶片的振动频率;当叶 片产生振动时,相邻叶冠间产生摩 擦,可以吸收振动能量,起到,减,振,作用;,带冠涡轮叶片可以采用对气动有 利的薄叶型。且有利于叶片与机 匣之间的间隙的控制,减少轴向 漏气,更有效地,提高涡轮效率,。,涡轮的工作叶片采用镍基合金。,12,6.2 涡轮的结构涡轮叶片12,6.2,涡轮的结构,枞树型榫头,：,优点,:,重量轻,:由于叶片榫头呈楔形,所以材料利用合理,接近等强度,因而这种榫头的重量轻。,强度大,能承受大的载荷;,在,高温,下工作对应力集中,不敏感,:,这种榫头有间隙地插入榫槽内,允许受热后,自由膨胀,因而,减小了,叶片和轮缘联接处的,应力,同时可以利用榫头的装配间隙,通入冷却空气,对榫头和轮缘进行冷却。,装拆及更换叶片方便,。,发动机工作时，由于温度高及很大的,离心力,使 根部变成刚性连接。,缺点,:,加功精度要求高。容易出现裂纹。,13,6.2 涡轮的结构枞树型榫头：13,6.2,涡轮的结构,涡轮叶片的冷却,：,提高涡轮前燃气温度是提高燃气涡轮发动机性能的有效措施。然而提高涡轮前燃气温度受到涡轮部件结构强度的限制,为了解决这个问题,必需对涡轮叶片采取冷却。,涡轮叶片的冷却一般,只有第一,级,涡轮叶片或第一、第二级涡 轮叶片需要冷却。,冷却涡轮叶片的冷空气是,从压,气机出口,处通过管道引来,冷 却后的空气随燃气一起流过涡 轮。,需要进行冷却的叶片是,空心,的。,在这里冷却的方法有:,导热,冲击,对流换热,气膜冷却,等。,为了限制从涡轮工作叶片向轮盘的 热传导的影响，每一级轮盘的,两面 都通一股冷却空气。,14,6.2 涡轮的结构涡轮叶片的冷却：14,6.2,涡轮的结构,盘轴连接,：,在多级涡轮中,多采用,鼓盘式,的结构,。,盘轴连接分为,可拆卸式和不可 拆卸式两种。,用短螺栓或长螺栓连接。,在每级轮盘的前后端加工 有若干个凸台,凸台中间 加工有拉紧螺栓的通孔,拉紧螺栓通过这些通孔,将各级轮盘连接在一起,短螺栓连接轴和第一、二 级盘,而长螺栓连接涡轮 轴和三级盘。,长、短螺栓均用螺帽固紧,每级盘都有一个中心孔,作为定位基准。,影响涡轮盘寿命的主要因素是其抗疲劳裂纹的能力,。,15,6.2 涡轮的结构盘轴连接：15,6.2,涡轮的结构,涡轮叶片的封严,封严齿,：为了加强封严效果,减少叶片间隙处的轴向漏气,更有效地提高涡轮效率,很多发动机在叶冠上还作有封严齿,与涡轮机匣上的易磨环相配合,可取得很好的封严效果。,喷镀耐磨金属,：当叶片较短时,可采用展弦比较小而不带冠的叶片,此时为了减小涡轮叶片的径向间隙,可在叶尖处喷镀耐磨金属,与机匣上的易磨涂层相配。工作时,叶尖在机匣内壁磨出一道沟槽,使轴向漏气量减少。,16,6.2 涡轮的结构涡轮叶片的封严16,6.2,涡轮的结构,涡轮间隙,：,涡轮机匣与工作叶片叶尖之间的距离叫涡轮径向间隙。,涡轮间隙对涡轮效率有很大的影响,据估算,涡轮间隙若增加,1 毫米,涡轮效率下降2.5,这将使发动机耗油率增加,2.5,。,为了减少损失、提高效率、应尽可能减小径向间隙。,控制涡轮间隙的,方法是控制涡轮机匣的膨胀量，,使,涡轮间隙保持为最佳值。,发动机停后，要有一段冷转，其目的是使涡轮机匣冷却下来之前，,使工作叶轮先冷却,下来。,17,6.2 涡轮的结构涡轮间隙：17,6.2,涡轮的结构,涡轮间隙,：,涡轮,间隙是随所用材料和发动机的工作状态及飞行条件的不同而变化的。,假设在冷状态时装配间隙为,1,1=2,起动时,机匣受热温度升高比轮盘快,膨胀也快,所以机匣间隙增大为,2,2=7,随着转速的增高,工作叶片和盘都得到加热,并因离心力的影响,使径向间隙减小为,3,3=5,当发动机停车时,机匣冷却比较快,因此径向间隙减小为,4,最小。,4=0,18,6.2 涡轮的结构涡轮间隙：18,6.2,涡轮的结构,涡轮间隙,：,发动机加速时，瞬间转速加大，离心负荷使叶片和盘径向伸长量迅速加大，这时径向间隙最小。随着涡轮机匣迅速受热膨胀，它的径向膨胀量超过叶片和转子的径向变形量，径向间隙加大。,当发动机转速稳定后，涡轮叶片等的温度逐渐升高，转子径向伸长量加大，径向间隙又逐渐减小。,19,6.2 涡轮的结构涡轮间隙：19,6.2,涡轮的结构,冷却式机匣可采用,两种方式,:,被动冷却式,主动冷却式,又叫：外部冷却式,内部冷却式,外部冷却式机匣：,涡轮外环的外面装有薄钢钣制成的外套,或称环形空气收集器,利用飞行中外界大气的速度头通过进口流入空气收集器内,并经过内壁上沿周向均匀分布的许多孔去冷却涡轮外环,然后再冷却尾喷管并排入大气。,这种冷却方法构造简单,加工方便,重量较轻,但冷却效果较差。,20,6.2 涡轮的结构冷却式机匣可采用两种方式:20,6.2,涡轮的结构,内部冷却式机匣,涡轮机匣内表面上装有块状的底座,用以保护外环,这底座可与导向器叶片作成一体,成为叶片的外冠,外冠用螺钉固定在机匣上,外叶冠与机匣之间有间隙,形成双层壁。,将燃烧室的二股气流引入此间 隙中进行冷却和隔热,使机匣 内表面不与高温燃气接触。,这种涡轮机匣在发动机工作过 程中膨胀较少,涡轮径向间隙 比较稳定,并且热应力较小,不致出现收缩变形,翘曲,及裂 纹等故障。,21,6.2 涡轮的结构内部冷却式机匣21,6.2,涡轮的结构,主动间隙控制,根据发动机的工作状态，,人为控制机匣的膨胀量,，以保证涡轮径向间隙为最佳。,通常是在涡轮机匣外面加上数圈冷气管。,按预定调节规律改变冷却空气的供应量和温度。,例如,CFM56-3发动机,：,它的高压涡轮机匣外面罩一个集气环形成集气室。,在不同的工作状态下，引入不同温度的冷却空气。,在慢车和起飞时,引高压9级后空气；,爬高时引高压9级和5级的混合后的空气；,巡航时,引高压5级的空气。,采用主动控制间隙增加了冷却空气的消耗量,造成发动机推力下降,同时还会使发动机的结构复杂,重量增加。,22,6.2 涡轮的结构主动间隙控制22,6.2,涡轮的结构,23,6.2 涡轮的结构23,6.3,基元级速度三角形,决定涡轮基元级速度三角形的因素共有,五个,它们是:C,u,a,u,C,u,C,a,C,a,。,24,6.3 基元级速度三角形决定涡轮基元级速度三角形的因素共有,6.3,基元级速度三角形,涡轮的轮缘功：,从能量方程可以得到涡轮的轮缘功为：,轮缘功的大小取决于燃气绝对动能和相对动能的变化。,冲击式涡轮和反力式涡轮,反力度：相对动能的变化 与涡轮轮缘功的比值叫反 力度,在叶轮中,相对动能的变化一般占轮缘功的25到40,有的甚至不变化。称,相对动能不变化的涡轮为“冲击式涡轮”,而称相对动能有变化的为“反力式涡轮”。,反力度从叶根到叶尖是变化的，叶根处最小，叶尖处最大，平均直径处为50。,25,6.3 基元级速度三角形涡轮的轮缘功：25,6.3,基元级速度三角形,涡轮的轮缘功,：,在亚音速压气机中,压气机功约在40kj/kg以内,而涡轮的轮缘功则在200300kj/kg之间。,两者相差如此悬殊,主要是由于气体在压气机中的流动是减速扩压,存在着正的压力梯度,在正压力梯度的作用下,附面层中一部分气体微团的运动不足以反抗高的反压而容易发生分离,因而在一级压气机中不允许静压提高得太多,气流转折角不能太大。至于涡轮,则由于通道是收敛的,燃气在其中是加速降压,存在负压力梯度,所以附面层中的气体微团就不容易分离,气流的转折角可以较大,也就是说涡轮叶片比压气机叶片,弯曲的程度要大,燃气膨胀的程度大,输出的轮缘功就大。,其次是由于涡轮中燃气的温度比压气机中空气的温度高得多,这自然对于增加燃气作功很有利。目前流量大的一级涡轮可以输出一两万千瓦的功率,这些功率被压气机吸收,可以带动57级或更多级压气机,因此,在同一台发动机中,涡轮的级数要比轴流式压气机的级数少得多。,26,6.3 基元级速度三角形涡轮的轮缘功：26,6.3,基元级速度三角形,涡轮叶片的特点,：,1.涡轮叶片比压气机叶片要,厚,。,其原因有两个:,一个是涡轮叶片受热严重,金属材料的强度随着温度的升高而降低,为了保证叶片的强度,所以涡轮叶