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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. 冲击式涡轮. 反作用力涡轮. 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

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第五章 涡轮结构设计

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Presentation Transcript

  1. 第五章 涡轮结构设计 轴流式涡轮 向心式涡轮

  2. 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

  3. 燃气涡轮工作原理 • 冲击式涡轮 • 反作用力涡轮

  4. 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。

  5. 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

  6. 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

  7. 第二节 涡轮转子 • 组成: • 涡轮盘 • 涡轮轴 • 工作叶片

  8. 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。

  9. 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

  10. RR公司带冠高压叶片

  11. 带箍---WP7发动机涡轮 • 箍环

  12. 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。

  13. 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

  14. 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

  15. 2.1 工作叶片 • 3. 榫头 • 双叶片

  16. 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

  17. 2.1 工作叶片 • 5.锁紧方式 • 锁片，挡板

  18. 2.1 工作叶片 • 高寿命，高可靠性锁紧结构

  19. 2.1 工作叶片 • 5.锁紧方式 • 涡轮叶片无螺栓槽向锁紧

  20. 2.1 工作叶片 • 涡轮叶片的无螺栓锁紧

  21. 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

  22. 2.1 工作叶片 • 6.冷却叶片 • 对流换热 • 冲击冷却 • 气膜冷却

  23. 高压涡轮叶片

  24. 高压涡轮叶片

  25. 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)

  26. 2.1 工作叶片 • 定向结晶 • 单向结晶

  27. 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

  28. 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？）

  29. 涡轮转子

  30. V2500 轮盘

  31. 涡轮转子

  32. 2.3 转子结构 • 1. 盘--轴连接 • 径向销钉连接

  33. 2.3 转子结构 • 1. 盘--轴连接 • 焊接转子

  34. 2.3 转子结构 • 1. 盘--轴连接 • 短螺栓连接

  35. 2.3 转子结构 • 1. 盘--轴连接 • 圆弧端齿 (RB199)

  36. 2.3 转子结构 • 1. 盘--轴连接 • 盘带短轴通过花键与轴连接 • 多根长螺栓连接

  37. 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

  38. 2 盘--盘连接 短螺栓连接

  39. 2 盘--盘连接 盘上开孔螺栓连接

  40. 2 盘--盘连接 盘上开孔螺栓连接

  41. 2 盘--盘连接 长螺栓连接

  42. 第三节 静 子 • 组成： • 机匣和导向器 • 导向器包括： • 外环、叶片、内环

  43. 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。

  44. 3.1 机匣 • 机匣防热应力 • 机匣的定心

  45. 3.1 机匣 • 机匣的销钉定心

  46. 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

  47. 涡轮叶片与机匣径向间隙变化

  48. 设计采取措施——带冠

  49. 调整装配间隙 内环加易磨材料 双层或三层机匣 F404高压涡轮

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