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燃气涡轮发动机
林兆福
第6章 涡轮
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。
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。
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
6.2 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
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。
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, 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。
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。
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, 起到的减 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。
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。
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。
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。
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。
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％, 所以为了减少损失, 提高效率,应 尽可能减小径向间隙。
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。
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Δ1, Δ1= 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Δ2, Δ2= 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Δ3, Δ3= 5
当发动机停车时, 机匣冷却比较快, 因此径向间隙减小为Δ4最小。 Δ4= 0
5.2.2 涡轮的结构--涡轮间隙控制
涡轮间隙变化.
无冷却式机匣.
装配间隙为2mm
起动间隙为7mm
高转速间隙5mm
停车时为0mm
冷却机匣.
装配间隙为2mm
起动间隙为3.2mm
高转速间隙1.2mm
停车时为0mm
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。
冷却式机匣可采用两种方式:.
主动冷却式；
被动冷却式。.
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。
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。
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。
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 ③u, a ③ , u, C ④,u , C ③a／C ④a。
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：
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200－300kj/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。
其次是涡轮燃气的温度高。
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5－7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。
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 涡轮叶片较厚。
另一个原因是涡轮叶片需要冷却, 所以涡轮叶片 是空心的, 以便通冷却空气。
2.涡轮叶片比压气机叶片弯曲的程度要大。
6.4 涡轮的性能参数
涡轮落压比：.
涡轮落压比是涡轮进口处的总压 与涡轮出口处的 总压 之比, 即
涡轮落压比也可以用静压来定义，
6.4 涡轮的性能参数
涡轮落压比随转速的变化规律.
1.当涡轮导向器最小截面和喷管处处于临界或超临界状态时， 涡轮的落压比为常数；
2.当涡轮导向器最小截面处处于临界或超临界状态, 而喷管处 于亚临界状态时,随着转速下降, 涡轮的落压比下降; 这时涡 轮落压比的变化是由最后一级涡轮落压比的变化造成的, 而其 它各级涡轮的落压比不随转速而变化。
3.当涡轮和喷管均处于亚临界状态时,随着转速减小, 涡轮的 落压比减小。各级落压比都减小, 而且越靠后的级落压比减小 得越多。
6.4 涡轮的性能参数
涡轮落压比随转速的变化规律.
依据是通过涡轮导向器最小截面处的燃气流量等于流过喷管最小截面 处的流量, 即 , 根据流量公式有
导向器和喷管内为绝能流,
将涡轮内的膨账过程看做是绝热的多变过程, 其多变指数为n‘, 则有:
6.4 涡轮的性能参数
当涡轮导向器最小截面和喷管处于临界或超临界状态时,
当涡轮导向器最小截面处于临界或超临界状态，喷管处于亚临界 状态时,
6.4 涡轮的性能参数
当涡轮导向器最小截面和喷管处于亚临界状态时
由此可以看出，对于多转子发动机的高压涡轮，只要 第一级导向器处于临界或超临界状态，则涡轮落压比 就保持不变。
6.4 涡轮的性能参数
涡轮功.
理想涡轮功:
1kg燃气通过理想的过程从 膨胀到 所输 出的功称为理想涡轮功。
6.4 涡轮的性能参数
绝热涡轮功:
1kg燃气通过绝热的过程从 膨胀到 所输出的功称 为绝热涡轮功。
流动损失:包括“叶型损失”和“二次损失”。.
叶型损失有: 附面层内的摩擦损失；尾迹损失；尾迹和主流的 掺混损失；附面层中的分离损失；波阻损失。
二次损失有: 发生在叶尖和机匣内壁间径向间隙处的漏气损失;
发生在叶尖处由叶盆向叶背流动的潜流损失等。
6.4 涡轮的性能参数
一级涡轮输出的功远大于一级轴流式压气机所消耗的功.
主要是由于气体在轴流式压气机中的流动是减速扩压, 存在着正 的压力梯度, 容易发生分离, 气流转折角不能太大。至于涡轮, 则由于通道是收敛的, 燃气在其中是膨胀, 存在负压力梯度, 所 以不容易分离, 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5－7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。
6.4 涡轮的性能参数
涡轮效率:.
绝热涡轮功与理想涡轮功之比。
在大部分转速下, 涡轮效率保持不变。
6.4 涡轮的性能参数
涡轮功率
6.4 涡轮常见故障
涡轮常见故障：.
涡轮常见故障是裂纹，其原因是热应力。
整台发动机受热最严重的部件是第一级涡轮导向器。
涡轮叶片出现裂纹具有下述特征：.
裂纹常出现在或横穿过叶片的前缘与后缘，而且裂纹的方向与 叶片的长度相“垂直”。
在维护过程中使用强光源和放大镜对涡轮叶片进行仔细地检 查。
蠕变:超过一段工作期间,涡轮叶片慢慢地伸长,这种现象 叫“蠕变” 。
它是由于涡轮叶片长期反复处于高温和很大的离心力 (拉伸力)作用的情况下所产生的塑性变形(永久性伸长) 。
6.4 涡轮常见故障
关于蠕变:.
蠕变用于描述转动零件发生的永久性伸长,蠕变经常发生于涡 轮叶片,因为在工作中作用有热负荷及离心负荷。每次涡轮叶 片旋转、加热、然后停转（这叫做一个循环）它就保持比原来 略增长一点点，在正常情况下，这种增长只不过是一英寸的百 万分之几。但是在发动机超温超转的情况下，这种增长就大得 多了。无论如何，如果叶片使用时间足够长，它终究会碰到叶 片外环，并开始被磨去，如果发生这种情况，在发动机降速时 就可以听到一种摩擦声，于是要做间隙检查以确定相应的维修 工作。
涡轮叶片上的负荷：2盎司重的涡轮叶片在最高转速下所受的载荷 将超过2吨。
第6章 涡 轮
END |
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发表于 2011-8-15 00:31:43
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