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(xiànɡxīn)式涡轮共六十五页第三(dìsān)讲涡轮结构设计第一节概述第二节涡轮转子(zhuànzǐ)第三节涡轮静子第四节涡轮部件的冷却共六十五页燃气涡轮工作(gōngzuò)原理冲击(chōngjī)式涡轮反作用力涡轮共六十五页第一节概述1.1涡轮部件的特性(tèxìng)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。共六十五页第一节概述1.2技术要求(yāoqiú)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共六十五页第一节概述1.3组成(zǔchénɡ)静子－导向器及机匣转子及其支承系统冷却系统共六十五页第二节涡轮转子(zhuànzǐ)组成(zǔchénɡ):涡轮盘涡轮轴工作叶片共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片1.叶身特点:叶片(yèpiàn)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。共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片2.叶片(yèpiàn)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－减小叶片磨损共六十五页RR公司(ɡōnɡsī)带冠高压叶片共六十五页带箍---WP7发动机涡轮箍环共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片3.榫头1.工作条件：轮缘温度为500--650℃2.要求：自由(zìyóu)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。共六十五页2.1工作(gōngzuò)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(xiāngduì)简单结构阻尼性能好共六十五页2.1工作(gōngzuò)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(nádù)较大共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片3.榫头(sǔntou) 双叶片共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片4.中间叶根(伸根)作用(zuòyòng):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共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片5.锁紧方式(fāngshì)锁片，挡板共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片高寿命(shòumìng)，高可靠性锁紧结构共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片5.锁紧方式涡轮叶片(yèpiàn)无螺栓槽向锁紧共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片涡轮叶片(yèpiàn)的无螺栓锁紧共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片6.冷却(lěngquè)叶片对流冷却气膜冷却带导流板复合冷却共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片6.冷却叶片(yèpiàn)对流换热冲击冷却气膜冷却共六十五页高压(gāoyā)涡轮叶片共六十五页高压(gāoyā)涡轮叶片共六十五页共六十五页2.1工作(gōngzuò)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(jiéjīng)(80年代)D)单向结晶(jiéjīng)(80年代)共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片定向(dìnɡxiànɡ)结晶单向结晶共六十五页2.1工作(gōngzuò)叶片7.叶片材料防护涂层铝化物涂层抗氧化腐蚀(fǔshí)；Cr抗硫化物腐蚀。高温涂层共六十五页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(fāngfǎ)：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？）共六十五页涡轮转子(zhuànzǐ)共六十五页V2500轮盘(lúnpán)共六十五页涡轮转子(zhuànzǐ)共六十五页2.3转子(zhuànzǐ)结构1.盘--轴连接(liánjiē)径向销钉连接共六十五页2.3转子(zhuànzǐ)结构1.盘--轴连接(liánjiē)焊接转子共六十五页2.3转子(zhuànzǐ)结构1.盘--轴连接(liánjiē)短螺栓连接共六十五页2.3转子(zhuànzǐ)结构1.盘--轴连接(liánjiē)圆弧端齿(RB199)共六十五页2.3转子(zhuànzǐ)结构1.盘--轴连接盘带短轴通过(tōngguò)花键与轴连接多根长螺栓连接共六十五页2.3转子(zhuànzǐ)结构2盘--盘连接径向(jìnɡxiànɡ)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共六十五页2盘--盘连接(liánjiē)短螺栓(luóshuān)连接共六十五页2盘--盘连接(liánjiē)盘上开孔螺栓(luóshuān)连接共六十五页2盘--盘连接(liánjiē)盘上开孔螺栓(luóshuān)连接共六十五页2盘--盘连接(liánjiē)长螺栓(luóshuān)连接共六十五页第三节静子组成(zǔchénɡ)：机匣和导向器导向器包括：外环、叶片、内环共六十五页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(fāngfǎ)：铸造、锻件、板料焊接。共六十五页3.1机匣机匣的定心机匣防热应力(yìnglì)共六十五页3.1机匣机匣的销钉(xiāodīng)定心共六十五页3.2叶尖间隙(jiànxì)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(cáiliào)的耐高温性能好保持机匣与转子同心共六十五页涡轮叶片与机匣径向(jìnɡxiànɡ)间隙变化共六十五页设计(shèjì)采取措施——带冠共六十五页F404高压(gāoyā)涡轮调整(tiáozhěng)装配间隙内环加易磨材料双层或三层机匣共六十五页主动间隙(jiànxì)控制被动间隙(jiànxì)控制共六十五页JT9D发动机涡轮主动间隙(jiànxì)控制共六十五页3.3导向(dǎoxiànɡ)器共六十五页3.3导向(dǎoxiànɡ)器1工作条件：温度最高且不均匀、易产生(chǎnshēng)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；共六十五页3.3导向(dǎoxiànɡ)器3.分类(fēnlèi)传力的导向器不传力的导向器共六十五页3.3导向(dǎoxiànɡ)器4.结构设计要求：出口面积调节安装：挂钩(guà〃gōu)式连接斜置导向叶片挂钩式涡轮导向器叶片共六十五页共六十五页正交叶片(yèpiàn)共六十五页第四节低压(dīyā)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(dǎshānɡ)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共六十五页JT9D共六十五页第五节冷却系统5.1冷却目的提高涡轮前温度温度场均匀(jūnyún)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(yuánzé)：冷却效果好冷却后温度场均匀减小漏气量气源损失小、可行共六十五页第五节冷却系统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(fāsàn)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

共六十五页共六十五页共六十五页内容(nèiróng)总结第五章涡轮结构设计。第一节概述。温