第四节 涡轮,涡轮是燃气涡轮发动机的重要部件之一，安装在燃烧室的后面，是在高温燃气作用下旋转做功的部件 涡轮和压气机同是和气流进行能量交换的叶片机，这决定了它们之间有很多相似之处但是，涡轮和压气机与气流间的能量交换在程序上恰恰相反，气流流过压气机时从动叶获得机械能，因而提高了气流的压力和焓；而在涡轮中，气流则将焓转变为动能，然后一部分动能通过动叶转变为功也就是说，当压气机转动时，必须从外界输入机械能，而在涡轮运转时，可以从涡轮轴上取得功 在燃气涡轮发动机中，当压气机和涡轮平衡运转时，涡轮轴上的功除了一部分用来克服轴承上的摩擦和带动附件外，全部为压气机所吸收一、结构形式,燃气涡轮发动机中的轴流式涡轮是由静子和转子组成的 通常是多级涡轮，由若干个单级涡轮组成，例如， 涡轮风扇发动机有5级（1HP,4LP）; 涡轮风扇发动机有7级涡轮（2HP,5LP）每级由一个导向器和一个工作叶轮组成1）涡轮静子,涡轮静子由涡轮机匣（也称涡轮外环或涡轮壳体）、导向器及涡轮的支承与传力构件组成由于“热”的作用，涡轮静子与压气机静子之间，存在着较大的差异，除了采用具有良好高温性能的材料，以保证零组件在高温下安全可靠地工作外，在结构设计时，热应力、热变形、热定心，以及热冲击、热疲劳等问题成为必须研究和解决的问题。
导向器是由在外环和内环之间安装若干个导向叶片（叫静叶）所构成，导向叶片安装内外环之间时，其中的一端是较松动地安装的，工作时由于高温膨胀而使其固定牢固，导向器安装在工作叶轮的前面，是固定不动的，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，将燃气的一部分热能转变为动能，引导气流的流动以合适的方向流入工作叶轮一、涡轮机匣 涡轮机匣通常是圆柱形或圆锥形的薄壁壳体，除固定导向器外，还借前后安装边分别与燃烧室及喷管（或加力燃烧室）联接，用于传递相邻部件的负荷，因此涡轮机匣是发动机承力系统的重要构件其上作用有扭矩、轴向力、惯性力和内外压差同时，有的机匣还直接或间接地构成了燃气通道的壁面，因此在工作时，受力、受热产生的变形和转子的振动与偏摆，以及零组件的制造误差等还会对转子叶尖与机匣的径向间隙有复杂的影响 为了保证涡轮可靠而高效率地工作，涡轮机匣在高温下如何保持足够的刚性，避免扭曲变形，保持与转子之间合理的径向间隙等问题已变得更为突出对涡轮机匣结构设计的基本要求是： （1）尽可能减小涡轮叶尖径向间隙，以提高涡轮效率，但又要保证工作时转子与静子不致碰坏； （2）既要保证机匣具有足够刚性，又要减轻机匣重量，并便于装配； （3）工作时，机匣相互间要能很好地热定心，转子与静子之间能保持良好的同心度。
涡轮机匣的材料通常采用耐热合金钢它的加工工艺对耗材、成本与生产率影响很大离心铸造或锻造后经机械加工的方法既耗费材料又费工时，生产率低有的发动机，采用板料焊接后再与机械加工的安装边焊成一体（见图 ( a ) , ( b ) )；有的采用轧压方法制成（见图（c）这种方法材料耗损少，生产率高，且疲劳强度好1.涡轮的径向间隙沿圆周均匀 为了保证涡轮的径向间隙沿周向均匀分布，涡轮机匣不仅要具有一定的刚性，而且沿周向还要比较均匀图所示为J79发动机涡轮部件它的三级涡轮转子是不可拆的，所以，涡轮机匣只能沿纵向剖分，当然对于外场检修带来了方便CF6发动机的低压涡轮机匣也采用了这种结构由于机匣沿周向刚性不均匀，受热与受力后容易出现椭圆度超差和翘曲变形，为此，在机匣结构设计时要注意周向刚性的合理分布，并且希望采用对径向间隙变化反应不太敏感的封严结构（如蜂窝结构），以弥补径向间隙不均匀的缺陷为了保证涡轮的径向间隙均匀分布，涡轮机匣与涡轮转子在工作时应保持良好的同心度WP6发动机涡轮机匣的定心方法采用圆柱形凸边来保证，其配合间隙根据配合面受热的程度而定，约在（00.3)D/1000 mm 的范围内考虑到转子重力引起的下沉对叶片径向间隙的影响，特意将机匣前安装边上圆柱凸边的定心轴线制成与气流通道表面偏心0.2mm 。
有的发动机的机匣并不采用凸边定心，而是在装配时用千分表调整到所需的位置，再用精密螺栓固定；有的发动机靠安装边上的紧度销钉来定中心2.尽量减小涡轮的径向间隙 涡轮气流通道的叶尖间隙对于涡轮效率有很大的影响由于“热”的影响，确定合理的间隙值，除了必须考虑长期工作时轮盘与叶片的蠕变伸长、机匣的收缩变形、转子的振动和偏摆等因素外，还必须考虑到机匣与转子的热惯性不同，即随着发动机工作状态的改变，它们的工作间隙将产生很大的变化，严重地影响了涡轮效率与可靠性减小涡轮叶尖的径向间隙，实质上是指停车时不允许出现机匣与叶片相碰的条件下，要求在其他各种状态，尤其在巡航工作状态下，叶尖间隙尽量地减小，通常采取的措施为： （1）尽量减小机匣在各种状态下的变形量最有效的办法是采用冷却式机匣一方面通过减小机匣在各种状态下的变形量，来减小涡轮气流通道中的叶尖间隙值；另一方面改善机匣工作条件，防止翘曲变形及裂纹等故障图右表中的数据表示了无冷却式机匣与冷却式机匣的叶尖间隙值由这些数据看出，在工作状态时，冷却式机匣的间隙比无冷却式的间隙小得多图所示为 AH20发动机涡轮机匣的外部冷却式方案涡轮机匣的外面装有薄钢板制成的外套（或称环形收集器），利用飞行中外界大气的速度头，通过进口a 流入空气收集器内，并经过内壁上许多沿周向均匀分布的孔口去冷却涡轮机匣外表面，然后冷却喷管并排入大气。
这种冷却方式构造简单、加工方便、重量较轻，但冷却效果差由于机匣内表面直接与燃气接触，因此在安装边上形成较大温差和产生较大热应力图所示为WP7发动机的内部冷却式方案机匣内表面装有与第2级导向叶片做成一体的外叶冠，利用螺钉固定在机匣上，叶冠与机匣之间形成夹层（称为双层机匣），将燃烧室的二股气流引人此夹层中进行冷却与隔热，使机匣内表面不再与高温燃气接触这种机匣不仅可以减小热应力与热腐蚀，而且由于减少了对机匣的传热，使叶尖间隙值比较稳定2）在机匣内表面采用易磨的封严材料与结构是减小叶尖间隙的有效方法图所示为在涡轮机匣中嵌入一种柔软的封严块这种封严块可保证当转子叶片与机匣的间隙减小到零相碰触时，仍能安全工作而不致于损坏叶片嵌入块可以用石墨、镍、铁等粉末混合物压制烧结而成3）采用主动间隙控制技术，使叶尖间隙值尽量处于最佳状态下工作 前述利用机匣变形量来实现减小叶尖工作间隙的措施并不是认为控制得到的，而是在发动机工作过程中，任其自然地变化，因此这种不随发动机工作状态进行调节的、防止叶尖间隙变化过大的措施，称为自主式间隙控制 为了改善发动机的经济性，压气机的增压比越来越高目前大型民用涡扇发动机的总增压比高达35左右，使高压压气机末级叶片与高压涡轮的叶片越来越短，有的已缩短到2020mm。
叶尖相对间隙变大，加上发动机工作状态的改变使叶尖间隙发生很大的变化，为此要求发动机工作过程中，能够根据需要主动调整间隙，使叶尖间隙始终处于最佳状态，这种措施成为主动间隙控制技术二、涡轮导向器 涡轮导向器是由内、外环和一组导向叶片组成的环形静止叶栅燃气通过导向叶片的收敛形通道时，速度增加，压力及温度下降，气流方向也有改变因此，导向器的功用是使气流的部分热能转变成动能，并以一定的方向流出，推动工作轮做功虽然它是静止件，但工作条件却十分恶劣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，温度不均匀情况很严重，尤其对于第1级导向叶片，起动-停车引起的热冲击和热疲劳现象往往成为导向叶片的主要故障之一由于叶片前后缘较薄，热惯性较小，因而受热速度快，在导向叶片内产生很大的温度梯度，使前后缘产生很大热应力，反复作用就会出现热疲劳（低周疲劳）裂纹对导向器的设计要求应该是： （1）在高温工作时，导向器应具有足够的强度与刚性，以保证导向叶片的工作型面、安装角、叶栅间距、排气面积等参数能符合设计要求和可靠工作 （2）减小导向器中的热应力例如采取措施允许高温零件（特别是导向叶片）自由膨胀。
（3）导向叶片不作承力件，如果内外环间需要传力时，通常要设置专用承力件 （4）导向叶片做成单个的或两三个叶片做成一组，这样便于装配、定位和公差控制，损坏的叶片也易更换 导向器组合件同样也应该结构简单可靠，装拆方便，重量轻，并满足工艺性、经济性的要求导向器组合件同样也应该结构简单可靠，装拆方便，重量轻，并满足工艺性、经济性的要求 根据导向叶片的工作特点，导向叶片的材料一律采用高温合金由于这类材料价格昂贵，因此应按不同的工作温度选用不同的材料此外，这类材料的材质很硬，金属切削加工困难，一般采用精密铸造，做成实心的或空心的叶片实心叶片铸造方便，但因叶型厚薄不均，受热速度不同，叶片内热应力较大空心叶片叶型部分壁厚明显减小，并趋于均匀，中间还可以通冷却空气，这样，降低了叶片的工作温度，减小了热应力，但空心叶片的精铸工艺较为复杂2）涡轮转子,涡轮转子是涡轮转动部件的总称它由转子叶片、涡轮盘、涡轮轴等零件组成；在多级涡轮中，还有盘间联接零件它的功能主要是将燃气的动能与热能转换为旋转的机械功，带动压气机等其他部件涡轮转子作为一个高速旋转的动力部件，必须承受着很大的气体负荷与质量负荷，加上它又被高温燃气所包围，热负荷也很大，所以除对转子零组件本身的强度与可靠性应给予重视外，还应重视盘与轴、盘与盘、转子叶片及其与轮盘的联接问题。
涡轮转子由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片和连接件组成两个相邻的工作叶轮之间的通道是收敛形的，当受到燃气的冲击以及燃气在其中膨胀，便使其转动作功，去带动压气机和附件 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一、盘与轴的联接 盘轴连接处传递的负荷很大（包括扭矩、转子重量、惯性力及不平衡力引起的弯矩，机动飞行时的陀螺力矩，气体轴向力以及转子的不平衡、燃气压力脉动等原因造成的振动负荷），尤其对于悬臂式转子，有时陀螺力矩很大此外，在多数情况下，盘轴连接处是涡轮向轴承传热的必经之路，它的结构直接影响轴承工作条件的改善，所以对盘轴联接的设计要求为： （1）连接处应有足够的强度与刚性，并且不要削弱轮盘与轴，以便能可靠地传递各种负荷； （2）盘与轴在装配及工作时应可靠地定心，以免破坏转子的平衡，特别在联接直径很小，盘轴间的径向变形差值较大的情况； （3）连接处应有高的热阻，以减少盘向轴与轴承的传热 此外，联接结构还应力求重量轻，制造和装配方便二、盘与盘的联接 在多级涡轮中，盘与盘联接的设计要求除了应有足够的强度与刚性、可靠定心外，还要考虑到级数与联接部分较多对整个涡轮转子的影响。
为了减小热应力，通常对整个转子的轴向与径向采用热补偿措施；为了便于装拆，盘与盘的联接方案应与静子部件的结构形式协调；为了减小涡轮径向间隙和转子的振动，对于悬臂式转子的刚性应予以足够的重视下面就不可拆式与可拆式的盘与盘联接方案分别进行分析三、转子叶片及其与盘的联接 涡轮转子叶片是把高温燃气的能量转变为转子机械功的重要零件工作时，它不仅被经常变化着的高温燃气所包围，并且还承受着高速旋转产生的巨大离心力、气体力和振动负荷等，此外，它还要经受高温燃气引起的腐蚀和浸蚀，因而涡轮转子叶片的工作条件是很恶劣的，它是决定发动机寿命的主要零件之一 涡轮转子叶片和轮盘几乎都是分开制造的叶片与轮盘制成一体的方案采用不多，因为温度较低的轮盘不需要采用与转子叶片一样的优质材料，且叶片加工测量较困难 涡轮转子叶片的材料是保证涡轮性能和使用可靠性的基础涡轮转子叶片以前多采用高温高强度的耐热合金锻件，经机械加工制成由于这种叶片工艺性太差，叶片的型面与几何形状均受有一定的限制后来，随着高温铸造合金的发展，涡轮转子叶片多采用精铸抛光而成，从而大大地简化了工艺，结构也更趋合理现在，随着陶瓷基复合材料、定向凝固合金等的发展，涡轮转子叶片的性能得到了进一步的提高。