飞机发动机原理与结构-涡轮

典型发动机涡轮维护介绍

典型发动机涡轮的部件识别1典型发动机涡轮的维护及注意事项2目录CONTENTS一、典型发动机涡轮的部件识别典型的高压涡轮转子转子叶片涡轮盘涡轮轴典型的涡轮转子叶片进气孔一、典型发动机涡轮的部件识别典型的涡轮机匣涡轮框架冷却空气管（主动间隙控制）低压涡轮机匣涡轮框架一、典型发动机涡轮的部件识别典型的涡轮静子叶片第一级导向器第二级导向器一、典型发动机涡轮的部件识别典型发动机涡轮的部件识别1典型发动机涡轮的维护及注意事项2目录CONTENTS二、典型发动机涡轮的维护及注意事项发动机在工作时，由于涡轮温度最高，发动机各部件承受的负荷最大，因此，使用中应防止发动机超温、超转、超时。发生超温超转时要严格按手册进行相关检查。

风沙环境中使用的发动机由于叶片内部冷却气路容易堵塞，导致涡轮转静子叶片容易出现烧蚀，断裂等损伤，严重影响发动机的使用寿命。高压涡轮进口导向叶片的检查高压涡轮进口导向叶片检查区域包括：叶片的前缘，凹面，凸面，后缘，内外平台等。主要损伤检查项目包括：烧蚀，裂纹，材料缺损等风沙环境中使用的发动机由于叶片内部冷却气路容易堵塞，导致涡轮转静子叶片容易出现烧蚀，断裂等损伤，严重影响发动机的使用寿命。二、典型发动机涡轮的维护及注意事项1级高压涡轮导向叶片，腐蚀，涂层丢失1级高压涡轮罩环，刮磨痕迹，剥落；2级高压涡轮导向叶片腐蚀，涂层丢失和烧蚀痕迹高压涡轮进口导向叶片的检查二、典型发动机涡轮的维护及注意事项4.高压涡轮转子叶片的检查涡轮转子叶片的叶尖一般设计有磨损指示槽，可以用来判断叶片和环罩的磨损情况。高压涡轮转子叶片的检查区域包括：叶片的前缘，后缘，叶尖等。二、典型发动机涡轮的维护及注意事项1级高压涡轮转子叶片，腐蚀，涂层丢失2级高压涡轮转子叶片腐蚀，涂层丢失和烧蚀痕迹高压涡轮转子叶片的检查二、典型发动机涡轮的维护及注意事项涡轮的分类和原理涡轮功用：把高温、高压燃气的热能和压力能转变成旋转的机械功，从而带动压气机及其它附件工作。在涡扇发动机中，涡轮还带动风扇；在涡桨发动机中，它带动螺旋桨；在涡轴发动机中，它输出轴功带动旋翼。涡轮和压气机的异同点都与气体有相互作用；涡轮产生机械能，压气机消耗机械能。涡轮的分类

1涡轮的工作特点2目录CONTENTS燃气在涡轮中的流动3涡轮的主要参数4一、涡轮的分类按照气流流动方向分:轴流式，径向式；按照转子数目分:单转子，多转子(双转子、三转子）；按照叶片形状分：冲击式涡轮，反力式涡轮，冲击-反力式。涡轮的类型——按照气流流动方向分轴流式（a）和径流式（b）一、涡轮的分类涡轮的类型—按照转子数目分：单转子双转子三转子一、涡轮的分类冲击力与反作用力涡轮的类型——按照叶片形状分：冲击式涡轮反力式涡轮一、涡轮的分类1.冲击式涡轮：

仅仅由燃气冲击驱动涡轮。V3涡轮的类型——按照叶片形状分：冲击式涡轮一、涡轮的分类冲击式涡轮工作特点：涡轮导向器内叶片间的流动通道是收敛形的，燃气在导向器也称喷嘴环内速度增加，压力下降；工作叶片通道截面积不变，即通道不收敛也不扩张，气体的相对速度的大小不变，压力也无变化，只改变气流的流动方向。优缺点：动叶叶尖漏气损失很小（前后无压差），但是气体容易分离、效率低，一般用于地面蒸汽涡轮上。工作叶片的特征：前缘和后缘较薄中间较厚（见右图）。1.冲击式涡轮一、涡轮的分类

2.反力式涡轮：由燃气流的冲击及通过收敛工作叶片通道加速的反作用力驱动的涡轮。反力式涡轮一、涡轮的分类工作特点：涡轮导向器无收敛无扩张，只改变气体的流动方向；涡轮工作叶片间的通道是收敛形的，承受燃气膨胀和加速产生的反作用力。燃气的相对速度增加，流动方向改变，压力下降。工作叶片的特征：叶片的前缘较厚，后缘较薄（见右图）。2.反力式涡轮反力式涡轮一、涡轮的分类3.冲击反力式涡轮工作特点：导向器和涡轮动叶叶片通道都是收敛的，气体在导向器内和工作叶轮内都要膨胀，涡轮在在气体的冲击和膨胀的反作用下旋转。工作叶片的特征：叶片的前缘较厚，后缘较薄。最常用一、涡轮的分类涡轮的分类

1涡轮的工作特点2目录CONTENTS燃气在涡轮中的流动3涡轮的主要参数4涡轮叶片比压气机叶片要厚。工作气体的温度高，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。涡轮叶片需要冷却,所以有的涡轮叶片是空心的,以便通冷却空气。涡轮叶片比压气机叶片弯曲的程度要大。其原因是单级功率大，气动力矩大。涡轮零件的材料必须能适应高温下可靠工作的要求，要有足够的高温强度，良好的热安定性以及耐腐蚀性。涡轮零组件要求具有均匀的热惯性与良好的热补偿结构。二、涡轮的工作特点涡轮的分类

1涡轮的工作特点2目录CONTENTS燃气在涡轮中的流动3涡轮的主要参数4三、燃气在涡轮中的流动导向器叶轮导向器叶轮压力温度速度导向器和叶轮的叶片通道及气流的参数变化涡轮的分类

1涡轮的工作特点2目录CONTENTS燃气在涡轮中的流动3涡轮的主要参数4四、涡轮的主要参数涡轮前燃气总温

涡轮前燃气总温越高，燃气所具有的膨胀能力越强，同时涡轮叶片所承受的热负荷越大。所以，涡轮前燃气总温描述了燃气的膨胀能力，对涡轮的安全工作具有直接影响。涡轮落压比涡轮落压比是指涡轮前燃气总压P3*与涡轮后燃气总压P4*之比，用πT*表示，其大小表示燃气在涡轮中的膨胀降压能力。3．涡轮功涡轮功分为理想涡轮功和实际涡轮功。1）理想涡轮功1kg燃气通过理想的过程（绝热、无流动损失和漏气损失情况下）从P3*膨胀到P4*所输出的功称为理想涡轮功。2）实际涡轮功lkg燃气从P3*膨胀到P4*实际所输出的功称为实际涡轮功。四、涡轮的主要参数4．涡轮效率涡轮效率为实际涡轮功与理想涡轮功之比，涡轮效率能够反映涡轮内流动损失的大小。燃气流过涡轮时，具有类似于压气机中所存在的各项流动损失。但是，燃气在涡轮里是加速流动，损失要比压气机里少，效率要比压气机稍高些。在涡轮的损失中，漏气损失较大，因为涡轮的压降高，容易漏气。四、涡轮的主要参数涡轮的结构和冷却涡轮由转子和静子两个组件组成；静子通常也叫导向器或喷嘴环，每个单级涡轮，是由导向器和工作叶轮组成，导向器在前、工作叶轮在后。静子转子双转子涡扇发动机高压涡轮导向器高压涡轮轴承高压涡轮轴低压涡轮轴安装边多级低压涡轮涡轮后轴承单级高压涡轮涡轮转子1涡轮静子2目录CONTENTS涡轮的材料3涡轮的冷却4涡轮转子是涡轮转动部分的总称，它是由转子叶片、涡轮盘、涡轮轴和装在轴上的其它转动零件组成的一个整体。转子叶片涡轮盘涡轮轴涡轮转子的组成一、涡轮转子1．涡轮转子叶片（1）工作叶片组成：叶身、榫头涡轮转子叶片一、涡轮转子(2)转子叶片叶身特点叶身厚度较大弯曲程度较大截面积沿叶高的变化剧烈内部一般有冷却通道具有抗振结构—叶顶带冠

转子叶片的叶身结构原则上与压气机叶片的要求相类似，由于涡轮单级转换能量大，即气流速度高，折转角大，从而气动力大，因此具备这些特征。一、涡轮转子1．涡轮转子叶片涡轮转子叶片—厚，弯压气机转子叶片—薄，扭叶身厚度较大弯曲程度较大一、涡轮转子1．涡轮转子叶片(2)转子叶片叶身特点截面积沿叶高的变化剧烈涡轮转子叶片一、涡轮转子1．涡轮转子叶片(2)转子叶片叶身特点内部一般有冷却通道一、涡轮转子1．涡轮转子叶片对流、冲击和气膜冷却结构(2)转子叶片叶身特点目的：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。叶冠型式：平行四边形——结构简单，便于装拆，但间隙不易把握，容易接触和磨损不一致，对抑制振动不利。锯齿形——基本克服以上缺点。具有抗震结构——带冠叶片一、涡轮转子1．涡轮转子叶片(2)转子叶片叶身特点不带叶冠的涡轮叶片平行四边型叶冠的涡轮叶片具有抗震结构——带冠叶片一、涡轮转子锯齿型叶冠的涡轮叶片具有抗震结构——带冠叶片一、涡轮转子平行四边形叶冠俯视图锯齿形叶冠俯视图平行四边形叶冠在使用中常出现磨损不一致的问题；锯齿形叶冠预扭压紧，紧度加大，减振效果好。具有抗震结构——带冠叶片一、涡轮转子（3）叶片榫头与轮盘的联接叶片榫头工作特点负荷大;离心力大;温度高1．涡轮转子叶片一、涡轮转子设计要求部分与压气机的要求相同；允许榫头连接处受热后能自由膨胀，以减少热应力；榫头的传热性要好，使叶片上的热量容易散走。连接方式：广泛采用枞树型榫头。（3）叶片榫头与轮盘的联接一、涡轮转子枞树型榫头连接的涡轮工作叶片1．涡轮转子叶片枞树型榫头1．涡轮转子叶片一、涡轮转子（3）叶片榫头与轮盘的联接作用：固定涡轮的工作叶片，把叶片所产生的旋转力，经过涡轮轴传递给压气机转子。制造和材料：锻件经机械加过而成，一般为镍基合金。结构特点：一般带有轴或者与涡轮轴相连接的安装边，利用螺栓、端面齿或套齿等与轴相连。高压涡轮一般采用单独盘式转子（单级或双级）低压涡轮转子一般采用鼓盘混合式结构。2．涡轮盘一、涡轮转子CFM56-3高压涡轮转子—单盘2．涡轮盘一、涡轮转子CFM56-3低压涡轮转子—多盘2．涡轮盘一、涡轮转子3．涡轮轴涡轮轴主要是传递扭矩，要有足够的强度和足够的刚性。CFM56-3发动机高压涡轮前轴CFM56-3发动机高压涡轮后轴一、涡轮转子涡轮转子1涡轮静子2目录CONTENTS涡轮的材料3涡轮的冷却4二、涡轮静子涡轮静子组件主要包括涡轮机匣、涡轮导向器和间隙控制装置等。机匣间隙控制装置涡轮导向器CFM56-3发动机剖面图1.涡轮机匣特殊要求：机匣刚性均匀，热变形小，热定心好；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。二、涡轮静子结构形式剖分式（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1.涡轮机匣二、涡轮静子涡轮外环剖面图带有搭接焊的安装边带有对接焊的安装边轧压制成的涡轮外环组成：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。工作特点：导向器处于高温燃气中，尤其是第一级导向器在燃烧室出口，温度不仅高，而且分布不均匀，使导向叶片容易烧坏；燃气中的一些腐蚀性物质还对叶片有一定的腐蚀作用；工作时各零件的热应力大，容易产生疲劳裂纹；工作时叶片受热会膨胀，安装时必须注意。2.涡轮导向器二、涡轮静子2.涡轮导向器叶片的基本特征由高温合金（镍基合金或钴合金）制成；叶片表面有保护涂层（隔热涂层，如陶瓷涂层；防腐蚀和抗氧化涂层，如铝化物涂层）；对叶片采取冷却措施（高压和中压需要冷却，低压不需要）。叶片的冷却措施：对流，冲击，气膜。导向器叶片的安装注意事项：叶片受热要自由膨胀，叶片要承力。常见安装方式：挂钩式，螺栓固定。二、涡轮静子涡轮的导向器叶片2.涡轮导向器二、涡轮静子V2500的高压涡轮第一级导向叶片2.涡轮导向器二、涡轮静子3.间隙控制装置涡轮的径向间隙：涡轮机匣和工作叶片间的间隙，对涡轮效率影响很大。间隙增加，涡轮效率下降，使得发动机的耗油率增加，排气温度升高。要尽量减小涡轮的径向间隙，但是间隙过小，工作时会造成叶尖和机匣相刮。涡轮的径向间隙的影响因素（1）工作时叶片和轮盘的膨胀和拉伸变形；（2）机匣的热胀冷缩及不均匀变形；（3）叶片的蠕变伸长和盘、机匣的蠕变变形。二、涡轮静子3.间隙控制装置某型发动机的试验说明，如果涡轮径向间隙增加0.25cm，燃油消耗将增加1%。径向膨胀无主动间隙控制系统有主动间隙控制系统机匣转子冷却空气涡轮间隙发动机涡轮的间隙控制二、涡轮静子涡轮转子1涡轮静子2目录CONTENTS涡轮的材料3涡轮的冷却4三、涡轮的材料涡轮导向叶片：耐高温的镍合金和加强热阻特性的热障涂层。涡轮导向叶片除受有较大的气动力与不稳定的脉动负荷外，还处于高温燃气的包围之中，温度高，冷热变化大、温度不均匀严重。对于导向叶片，耐热是最主要的性能要求。涡轮盘