航空发动机结构-第五章涡轮结构设计讲述.ppt

2006年3月28 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 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 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 2.1 工作叶片 2.1 工作叶片 2.1 工作叶片 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 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 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 涡轮转子 2.3 转子结构 2.3 转子结构 1. 盘--轴连接 焊接转子 2.3 转子结构 2.3 转子结构 2.3 转子结构 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 2 盘--盘连接 2 盘--盘连接 2 盘--盘连接 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 3.1 机匣 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 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 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：CAAC 1988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 第五节