燃气涡轮发动机(3)

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1、,第三章,第3章 发动机部件（二）,3.1 涡轮 概述：涡轮将热燃气的能量转换成机械能以驱动压气机和 附件。在涡浆发动机和涡轴发动机中，还为螺旋桨 和旋翼提供轴功率。 1. 涡轮的类型 径向内流式：单级，小型涡轮发动机（如APU） 优点：设计简单，容易制造 缺点：气体流量小，效率低 轴流式涡轮 ：现代燃气涡轮发动机主要使用。,轴流式涡轮,单转子Single spool turbines,双转子Twin-spool turbines,三转子Tri-spool turbines,涡轮叶片,冲击式Impulse turbine,反力式Reaction turbine blad,冲击反力Combine

2、d impulse/reaction,轴流式涡轮,涡轮（双转子）：高压涡轮 低压涡轮 涡轮框架 涡轮静子组件： 静子机匣 喷嘴导向叶片 封严和间隙控制空气总管,2. 组成,3. 涡轮叶片,仅仅由燃气冲击驱动涡轮,由燃气流的冲击及通过收敛工作叶片通道加速的反作用驱动的涡轮,冲击反力式,3.1.2 涡轮的结构,涡轮： 机匣，静子 喷嘴内外罩和转子,涡轮转子结构,涡轮转子rotors组成：涡轮盘disk 涡轮轴shaft 工作叶片blades 连接件connecting,CFM56-7B high pressure turbine rotor,CFM56-3发动机高压涡轮后轴,CFM56-3发动机高

3、压涡轮后转子叶片保险环,CFM56-3发动机高压涡轮前叶片保险环,CFM56-3发动机高压涡轮阻尼衬套,转子的连接结构,转子结构：涡轮转子旋转速度和工作温度高，因此多级 涡 轮一般采用盘鼓混合式结构 设计要求：除了和压气机一样要保证足够的强度和刚性，定心可靠、结 构简单、重量轻、 制造容易、装拆方便外还要注意： （1）减少向轴传热、改善轴承的工作条件； （2）在各种工作条件下，保证各部件定心可靠 （3）多级涡轮转子结构方案要和静子结构方案相协调，以利于涡轮部件的装配 常见定心方式：圆柱面定心、精密螺栓定心、 径向销钉定心、圆弧端齿定心,一、不可拆的盘轴连接,盘轴间采用圆柱面定心，紧度配合， 径

4、向销钉连接，剪切传力,只要沿圆周装有3个经上销钉，则在各种工作状态下相互配合的两个 零件可以自由径向变形而它们的中心位置始终保持不变,只要沿圆周装有3个经上销钉，则在各种工作状态下相互配合的两个零件可以自由径向变形而它们的中心位置始终保持不变,二、可拆卸式盘轴连接-用短螺栓连接,盘轴用短螺栓联接,配合紧度靠控制螺栓头与安装边间的间隙保证，适用于多次装配,可以将轴和轮盘外缘直接相连,低压涡轮通过一个锥形支承盘与二，三级轮盘 的鼓环相连,短螺栓采用带冲铆固定的自锁螺帽,各轮盘间用短螺栓连接，整个转子通过三，四级盘间的轮毂借花 键与低压轴连接,第二级和第四级盘鼓间采用电子束焊，结构简化,wj5，wj

5、6发动机采用 盘前有凸台,三、可拆卸式盘轴连接-用长螺栓连接,用于小发动机,可拆 1、中心长螺杆连接传力 2、圆弧端齿定心传扭,可拆，六根长螺杆传力，圆弧端齿定心、传扭,工作叶片及其与轮盘的连接,工作叶片组成： 叶身、榫头、中间叶根,工作叶片叶身特点：（1）叶身厚度较大、（2）弯曲程度较大、 （3）截面积沿叶高的变化剧烈（4）内部一般有冷却通道 （5）具有抗振结构,一、叶片抗振措施：调频（切角）,叶片抗振措施：凸台,优点：改善了叶片的振动特性 缺点：影响叶片强度以及涡轮效率 改进办法：叶尖带凸台结构,叶片抗振措施：带冠叶片,优点：提高涡轮效率，提高叶片刚性， 减振效果好 缺点：加大了叶根离心负

6、荷，容易应力集中 平行四边形叶冠在使用中常出现磨损不一致的问题,二、中间叶根,作用： 减小叶片对榫头的传热、降低轮缘温度、减小应力分布不 均匀度 可引入叶片冷却空气，减小轮盘热应力，减轻 轮盘重量,阻尼块与中间叶根间产生摩擦阻尼减振,三、叶片与轮盘的连接,叶片与轮盘用榫头连接: 负荷大; 离心力大; 温度高 因此，涡轮叶片榫头有一些特殊要求： 允许榫头连接处受热可以自由膨胀； 传热性要好，叶片的热量容易传走,连接方式：广泛采用枞树型榫头。,枞树型榫头,优点：材料利用合理、重量轻 周向尺寸小、可安装较多叶片 可自由热膨胀、热应力小 装配间隙可产生振动阻尼 装拆更换方便 缺点：应力集中严重 连接处

7、热传导差 加工精度要求高,叶片的轴向固定,2.涡轮间隙控制,涡轮机匣与工作叶片的径向间隙对涡轮效率影响很大，应该尽量减小。 影响径向间隙的因素： （1）工作时由于离心力和热膨胀引起的叶片和盘的伸长； （2）机匣受热膨胀及不均匀 （3）高温带来的转子和机匣的蠕变 （4）转子和静子的偏心度 （5）结构形式所带来的工作中径向间隙的变化 二,有冷却时的间隙小于无冷却式的间隙,减小间隙的措施:,1.减小装配间隙 2. 双层机匣 3.涡轮机匣采用线膨胀系数小的材料 4.引来冷却空气控制涡轮机匣的膨胀量, 使涡轮间隙保持在最佳值,3. 涡轮的冷却,涡轮叶片的冷却,理论,实际,涡轮叶片温度分布,涡轮的冷却作用

8、： （1）增加使用寿命 （2） 提高涡轮效率 不同方式冷却目的： （1）外部冷却：冷却外部涡轮机匣，提高涡轮效率 （2） 内部冷却：冷却内部涡轮部件，如涡轮导向 器喷嘴导向 叶片），涡轮转子叶片，增加使用寿命。 冷却方式： 对流冷却：将冷却空气引入叶身，通过对流冷却 冲击冷却:几股冷空气射流正对着被冷却表面,强化局部换热 气膜冷却：气流由叶片表面小孔排出，在叶片表面产生一层冷却气膜 发散冷却：叶片外壁由多孔材料构成，冷却空气由壁面小孔流出,对流冷却,顶盖小孔可排杂质,冲击冷却,空心叶片内有导流片，导流片上有小孔与缝隙,气膜冷却,效果好，一般可使温度降低400-600度,气膜冷却叶片,冷却气从榫

9、头底部流入，前部采用对流冲击及气膜冷却，后部为对流冷却，气流由叶片尾缘及叶尖排出,发散冷却,冷却气从叶片内腔通过壁面无数小孔渗出，对流和气膜冷却，冷却效果最好，但是多孔材料容易堵塞,第一级导向器叶片冷却 ：气膜，冲击及对 流三种方式,对流冲击气膜组合,第一级导向器叶片冷却 ：冲击加对流方式,3.1.3 涡轮的材料 （参考教材page54） 3.1.4 涡轮的性能 涡轮落压比 涡轮功 涡轮效率 涡轮功率 T = p4*/p5* T： 涡轮落压比 p4*：涡轮进口总压 p5*：涡轮出口总压 涡轮功率：参考教材page55 图3-13,3.2 喷管,功用：给燃气膨胀，加速，以一定的速度和要求的方向排

10、 入大气，得到需要的推力。 反推装置：按需要产生反推力。 矢量喷管：能使排气流方向产生变化，改变推力方向来操 纵飞机。 消音喷管：减低产生的噪音,矢量喷管,MD82飞机喷管,消音喷管,反推装置,3.2.1 亚音速喷管,1. 收敛管道：排气管（尾管），排气锥，整流支柱，收敛 喷口 降低燃气摩擦损失，气流速度通过扩散来降低。,2. 工作状态： 概念：实际落压比 可用落压比 总压恢复系数 收敛管三种工作状态： 亚临界工作状态： 可用落压比 1.85 Ma1 出口静压=反压 实际落压比 =可用落压比 完全膨胀 临界工作状态： 可用落压比 =1.85 Ma=1 出口静压=反压 实际落压比 =可用落压比

11、完全膨胀 超临界工作状态：可用落压比 1.85 Ma=1 出口静压=临界压力 反压 实际落压比 可用落压比 不完全膨胀,3.2.2 超音速喷管,1. 收敛扩张喷管,拉伐尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，如图所示，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喷管叫跨音速喷管。 收敛管道中的亚声速流和扩张管道中的超声速流是膨胀加速的，沿管道流速不断增加，而压强、密度和温度不断减小；扩张管道中的亚声速流和收敛管道中的超声速流是压缩减速的，沿流道流速不断降低，而压强、密度和温度却不断

12、增加。 流动极限状态壅塞状态 收敛管道中的一维定常等熵流动流速只能连续变化到M=1，即达到临界状态，这是它的极限。在此之后，流速既不可能增大，也不可能减小，收敛管道中的这种现象称为流动壅塞。同样，超声速流也不可能通过收敛管道连续减速到亚声速流。 如果在临界截面之后使管道扩张，则当管道出口截面处的下游物理边界条件满足一定要求时，流动能够从声速流变为超声速流。这种先收敛后扩张的管道即为拉伐尔喷管。这种先收敛后扩张的管道形状是从初始亚声速流获得超声速流的必要条件，称为拉伐尔喷管的几何条件。,2. 收敛扩张喷管气流流动状态,收敛扩张喷管气流流动状态4种类型： （1）亚音速流态 (2)管内产生激波的流态

13、 （3）管外产生斜激波的流态 （4）管外产生膨胀波的流态 若要在拉伐尔喷管出口截面获得超声速气流，喷管出口截面的气体压强必须达到或超过反压值，这一条件称为力学条件,3.3 轴承，封严，附件传动,3.3.1 发动机传力 发动机工作时，在转子与静子上作用有各种负荷。这些负荷中，有的在零件本身或相邻的零部件中抵消或部分抵消，其总的剩余负荷如推力、剩余扭矩、重力、机动过载等经过发动机安装节传给飞机。有一些构件不仅承受着本身的或本组合件的负荷，而且还要传递相邻部件的负荷。承受和传递这些负荷的机匣(完体)和构件组成了发动机的静子承力系统。因此在设计中应统筹考虑承力构件能可靠地、合理地承受和传递这些负荷，以

14、减少承力构件的最大负荷值，减轻发动机的重量。 为减轻发动机重量，充分利用发动机机匣(壳体)材料，发动机上所有机匣(壳体)大多包括在静了承力系统之内，甚至温度较高的燃烧室机匣，涡轮机匣也包括在内。但也有的发动机，如RB211发动机全部机匣，JT3D发动机高压压气机机匣JT8D发动机部分机匣均制成双层机匣。内机匣仅形成通道及承受本组件的负荷，而由外机匣传递负荷并承受重力、机动过载等主要负荷。这样，由于通道部件工作时不承受外传负荷及弯曲负荷，能保持准确的通道形状，可提高效率，同时也加强了抗外物打击的包容性，但这种结构重量要大一些。,单转子发动机传力方案,一般发动机的主安装面位于压气机后机匣，根据涡轮

15、及其后面的部件上负荷向前传力的路线，可分为内传力、外传力、内外混合传力及内外平行传力四种传力方案。其中内外混合传力方案应用最广。,1内传力方案,2外传力方案,3内外混合传力方案 转子前支承的负荷经前机匣、压气机机匣，与作用在这些机匣上的负荷一同传给发动机安装节。涡轮静子及尾喷管的负荷通过涡轮外壳、燃烧室外完以及涡轮轴机匣，分成内外两路连同这些组合件上的负荷一起传至安装节。同样，涡轮转子轴承的负荷也通过这内外两路传至安装节。外壳与涡轮轴机匣前端借压气机末级整流叶片相联后端借一级导向叶片内的拉杆相联，形成个纵剖面为盒形的闭式传力结构。内外两路负荷的分配与内外传力件的刚性及其前后两瑞联接方案有关，这

16、种方案称为内外混合传力方案。,双转子发动机传力方案,在双转子发动机静子承力系统中，一般有内、外涵道二层机匣。涡轮前静子部件的传力路线与单转子发动机的传力方案类似，除中介支点外，各个支点负荷均通过专门的承力构件传至发动机内涵道的机匣，经承力机匣上的安装节传至飞机上。高压涡轮附近支点负荷的传递路线，仍然有内外混合传力、内外平行传力、外传力之分，低压涡轮后支点的负荷只能用外传力方式传出，并与高压涡轮附近支点的传力路线汇合。这里所指的外传力部分，主要是通过发动机内涵道机匣传递的。根据不同机种的结构方案，外涵道机匣可承受并传递部分载荷。,3.3.2 发动机在飞机上的安装,安装节是发动机与飞机的连接件，并将发动机的各种外传负荷传递给飞机。它是发动机的重要构件。发动机安装节的分布也就是发动机在飞机上的固定形式。一般分主安装节及辅助安装节