飛機發(fā)動機原理與結構-渦輪

典型發(fā)動機渦輪維護介紹

典型發(fā)動機渦輪的部件識別1典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項2目錄CONTENTS一、典型發(fā)動機渦輪的部件識別典型的高壓渦輪轉子轉子葉片渦輪盤渦輪軸典型的渦輪轉子葉片進氣孔一、典型發(fā)動機渦輪的部件識別典型的渦輪機匣渦輪框架冷卻空氣管（主動間隙控制）低壓渦輪機匣渦輪框架一、典型發(fā)動機渦輪的部件識別典型的渦輪靜子葉片第一級導向器第二級導向器一、典型發(fā)動機渦輪的部件識別典型發(fā)動機渦輪的部件識別1典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項2目錄CONTENTS二、典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項發(fā)動機在工作時，由于渦輪溫度最高，發(fā)動機各部件承受的負荷最大，因此，使用中應防止發(fā)動機超溫、超轉、超時。發(fā)生超溫超轉時要嚴格按手冊進行相關檢查。

風沙環(huán)境中使用的發(fā)動機由于葉片內(nèi)部冷卻氣路容易堵塞，導致渦輪轉靜子葉片容易出現(xiàn)燒蝕，斷裂等損傷，嚴重影響發(fā)動機的使用壽命。高壓渦輪進口導向葉片的檢查高壓渦輪進口導向葉片檢查區(qū)域包括：葉片的前緣，凹面，凸面，后緣，內(nèi)外平臺等。主要損傷檢查項目包括：燒蝕，裂紋，材料缺損等風沙環(huán)境中使用的發(fā)動機由于葉片內(nèi)部冷卻氣路容易堵塞，導致渦輪轉靜子葉片容易出現(xiàn)燒蝕，斷裂等損傷，嚴重影響發(fā)動機的使用壽命。二、典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項1級高壓渦輪導向葉片，腐蝕，涂層丟失1級高壓渦輪罩環(huán)，刮磨痕跡，剝落；2級高壓渦輪導向葉片腐蝕，涂層丟失和燒蝕痕跡高壓渦輪進口導向葉片的檢查二、典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項4.高壓渦輪轉子葉片的檢查渦輪轉子葉片的葉尖一般設計有磨損指示槽，可以用來判斷葉片和環(huán)罩的磨損情況。高壓渦輪轉子葉片的檢查區(qū)域包括：葉片的前緣，后緣，葉尖等。二、典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項1級高壓渦輪轉子葉片，腐蝕，涂層丟失2級高壓渦輪轉子葉片腐蝕，涂層丟失和燒蝕痕跡高壓渦輪轉子葉片的檢查二、典型發(fā)動機渦輪的維護及注意事項渦輪的分類和原理渦輪功用：把高溫、高壓燃氣的熱能和壓力能轉變成旋轉的機械功，從而帶動壓氣機及其它附件工作。在渦扇發(fā)動機中，渦輪還帶動風扇；在渦槳發(fā)動機中，它帶動螺旋槳；在渦軸發(fā)動機中，它輸出軸功帶動旋翼。渦輪和壓氣機的異同點都與氣體有相互作用；渦輪產(chǎn)生機械能，壓氣機消耗機械能。渦輪的分類

1渦輪的工作特點2目錄CONTENTS燃氣在渦輪中的流動3渦輪的主要參數(shù)4一、渦輪的分類按照氣流流動方向分:軸流式，徑向式；按照轉子數(shù)目分:單轉子，多轉子(雙轉子、三轉子）；按照葉片形狀分：沖擊式渦輪，反力式渦輪，沖擊-反力式。渦輪的類型——按照氣流流動方向分軸流式（a）和徑流式（b）一、渦輪的分類渦輪的類型—按照轉子數(shù)目分：單轉子雙轉子三轉子一、渦輪的分類沖擊力與反作用力渦輪的類型——按照葉片形狀分：沖擊式渦輪反力式渦輪一、渦輪的分類1.沖擊式渦輪：

僅僅由燃氣沖擊驅動渦輪。V3渦輪的類型——按照葉片形狀分：沖擊式渦輪一、渦輪的分類沖擊式渦輪工作特點：渦輪導向器內(nèi)葉片間的流動通道是收斂形的，燃氣在導向器也稱噴嘴環(huán)內(nèi)速度增加，壓力下降；工作葉片通道截面積不變，即通道不收斂也不擴張，氣體的相對速度的大小不變，壓力也無變化，只改變氣流的流動方向。優(yōu)缺點：動葉葉尖漏氣損失很小（前后無壓差），但是氣體容易分離、效率低，一般用于地面蒸汽渦輪上。工作葉片的特征：前緣和后緣較薄中間較厚（見右圖）。1.沖擊式渦輪一、渦輪的分類

2.反力式渦輪：由燃氣流的沖擊及通過收斂工作葉片通道加速的反作用力驅動的渦輪。反力式渦輪一、渦輪的分類工作特點：渦輪導向器無收斂無擴張，只改變氣體的流動方向；渦輪工作葉片間的通道是收斂形的，承受燃氣膨脹和加速產(chǎn)生的反作用力。燃氣的相對速度增加，流動方向改變，壓力下降。工作葉片的特征：葉片的前緣較厚，后緣較?。ㄒ娪覉D）。2.反力式渦輪反力式渦輪一、渦輪的分類3.沖擊反力式渦輪工作特點：導向器和渦輪動葉葉片通道都是收斂的，氣體在導向器內(nèi)和工作葉輪內(nèi)都要膨脹，渦輪在在氣體的沖擊和膨脹的反作用下旋轉。工作葉片的特征：葉片的前緣較厚，后緣較薄。最常用一、渦輪的分類渦輪的分類

1渦輪的工作特點2目錄CONTENTS燃氣在渦輪中的流動3渦輪的主要參數(shù)4渦輪葉片比壓氣機葉片要厚。工作氣體的溫度高，渦輪葉片受熱嚴重,金屬材料的強度隨著溫度的升高而降低,為了保證葉片的強度,所以渦輪葉片較厚。渦輪葉片需要冷卻,所以有的渦輪葉片是空心的,以便通冷卻空氣。渦輪葉片比壓氣機葉片彎曲的程度要大。其原因是單級功率大，氣動力矩大。渦輪零件的材料必須能適應高溫下可靠工作的要求，要有足夠的高溫強度，良好的熱安定性以及耐腐蝕性。渦輪零組件要求具有均勻的熱慣性與良好的熱補償結構。二、渦輪的工作特點渦輪的分類

1渦輪的工作特點2目錄CONTENTS燃氣在渦輪中的流動3渦輪的主要參數(shù)4三、燃氣在渦輪中的流動導向器葉輪導向器葉輪壓力溫度速度導向器和葉輪的葉片通道及氣流的參數(shù)變化渦輪的分類

1渦輪的工作特點2目錄CONTENTS燃氣在渦輪中的流動3渦輪的主要參數(shù)4四、渦輪的主要參數(shù)渦輪前燃氣總溫

渦輪前燃氣總溫越高，燃氣所具有的膨脹能力越強，同時渦輪葉片所承受的熱負荷越大。所以，渦輪前燃氣總溫描述了燃氣的膨脹能力，對渦輪的安全工作具有直接影響。渦輪落壓比渦輪落壓比是指渦輪前燃氣總壓P3*與渦輪后燃氣總壓P4*之比，用πT*表示，其大小表示燃氣在渦輪中的膨脹降壓能力。3．渦輪功渦輪功分為理想渦輪功和實際渦輪功。1）理想渦輪功1kg燃氣通過理想的過程（絕熱、無流動損失和漏氣損失情況下）從P3*膨脹到P4*所輸出的功稱為理想渦輪功。2）實際渦輪功lkg燃氣從P3*膨脹到P4*實際所輸出的功稱為實際渦輪功。四、渦輪的主要參數(shù)4．渦輪效率渦輪效率為實際渦輪功與理想渦輪功之比，渦輪效率能夠反映渦輪內(nèi)流動損失的大小。燃氣流過渦輪時，具有類似于壓氣機中所存在的各項流動損失。但是，燃氣在渦輪里是加速流動，損失要比壓氣機里少，效率要比壓氣機稍高些。在渦輪的損失中，漏氣損失較大，因為渦輪的壓降高，容易漏氣。四、渦輪的主要參數(shù)渦輪的結構和冷卻渦輪由轉子和靜子兩個組件組成；靜子通常也叫導向器或噴嘴環(huán)，每個單級渦輪，是由導向器和工作葉輪組成，導向器在前、工作葉輪在后。靜子轉子雙轉子渦扇發(fā)動機高壓渦輪導向器高壓渦輪軸承高壓渦輪軸低壓渦輪軸安裝邊多級低壓渦輪渦輪后軸承單級高壓渦輪渦輪轉子1渦輪靜子2目錄CONTENTS渦輪的材料3渦輪的冷卻4渦輪轉子是渦輪轉動部分的總稱，它是由轉子葉片、渦輪盤、渦輪軸和裝在軸上的其它轉動零件組成的一個整體。轉子葉片渦輪盤渦輪軸渦輪轉子的組成一、渦輪轉子1．渦輪轉子葉片（1）工作葉片組成：葉身、榫頭渦輪轉子葉片一、渦輪轉子(2)轉子葉片葉身特點葉身厚度較大彎曲程度較大截面積沿葉高的變化劇烈內(nèi)部一般有冷卻通道具有抗振結構—葉頂帶冠

轉子葉片的葉身結構原則上與壓氣機葉片的要求相類似，由于渦輪單級轉換能量大，即氣流速度高，折轉角大，從而氣動力大，因此具備這些特征。一、渦輪轉子1．渦輪轉子葉片渦輪轉子葉片—厚，彎壓氣機轉子葉片—薄，扭葉身厚度較大彎曲程度較大一、渦輪轉子1．渦輪轉子葉片(2)轉子葉片葉身特點截面積沿葉高的變化劇烈渦輪轉子葉片一、渦輪轉子1．渦輪轉子葉片(2)轉子葉片葉身特點內(nèi)部一般有冷卻通道一、渦輪轉子1．渦輪轉子葉片對流、沖擊和氣膜冷卻結構(2)轉子葉片葉身特點目的：利用相鄰葉冠之間的摩擦來吸收震動能量，從而減震；相鄰葉冠合璧成環(huán)形，限制氣流流動，提高渦輪效率。葉冠型式：平行四邊形——結構簡單，便于裝拆，但間隙不易把握，容易接觸和磨損不一致，對抑制振動不利。鋸齒形——基本克服以上缺點。具有抗震結構——帶冠葉片一、渦輪轉子1．渦輪轉子葉片(2)轉子葉片葉身特點不帶葉冠的渦輪葉片平行四邊型葉冠的渦輪葉片具有抗震結構——帶冠葉片一、渦輪轉子鋸齒型葉冠的渦輪葉片具有抗震結構——帶冠葉片一、渦輪轉子平行四邊形葉冠俯視圖鋸齒形葉冠俯視圖平行四邊形葉冠在使用中常出現(xiàn)磨損不一致的問題；鋸齒形葉冠預扭壓緊，緊度加大，減振效果好。具有抗震結構——帶冠葉片一、渦輪轉子（3）葉片榫頭與輪盤的聯(lián)接葉片榫頭工作特點負荷大;離心力大;溫度高1．渦輪轉子葉片一、渦輪轉子設計要求部分與壓氣機的要求相同；允許榫頭連接處受熱后能自由膨脹，以減少熱應力；榫頭的傳熱性要好，使葉片上的熱量容易散走。連接方式：廣泛采用樅樹型榫頭。（3）葉片榫頭與輪盤的聯(lián)接一、渦輪轉子樅樹型榫頭連接的渦輪工作葉片1．渦輪轉子葉片樅樹型榫頭1．渦輪轉子葉片一、渦輪轉子（3）葉片榫頭與輪盤的聯(lián)接作用：固定渦輪的工作葉片，把葉片所產(chǎn)生的旋轉力，經(jīng)過渦輪軸傳遞給壓氣機轉子。制造和材料：鍛件經(jīng)機械加過而成，一般為鎳基合金。結構特點：一般帶有軸或者與渦輪軸相連接的安裝邊，利用螺栓、端面齒或套齒等與軸相連。高壓渦輪一般采用單獨盤式轉子（單級或雙級）低壓渦輪轉子一般采用鼓盤混合式結構。2．渦輪盤一、渦輪轉子CFM56-3高壓渦輪轉子—單盤2．渦輪盤一、渦輪轉子CFM56-3低壓渦輪轉子—多盤2．渦輪盤一、渦輪轉子3．渦輪軸渦輪軸主要是傳遞扭矩，要有足夠的強度和足夠的剛性。CFM56-3發(fā)動機高壓渦輪前軸CFM56-3發(fā)動機高壓渦輪后軸一、渦輪轉子渦輪轉子1渦輪靜子2目錄CONTENTS渦輪的材料3渦輪的冷卻4二、渦輪靜子渦輪靜子組件主要包括渦輪機匣、渦輪導向器和間隙控制裝置等。機匣間隙控制裝置渦輪導向器CFM56-3發(fā)動機剖面圖1.渦輪機匣特殊要求：機匣剛性均勻，熱變形小，熱定心好；減少渦輪徑向間隙，提高效率；抗熱沖擊、熱疲勞；處理好傳力與熱膨脹的矛盾；排氣面積調整措施。二、渦輪靜子結構形式剖分式（極少）、分段式、整體式（較多）單層、雙層、三層外冷卻、內(nèi)冷卻、內(nèi)外冷卻式1.渦輪機匣二、渦輪靜子渦輪外環(huán)剖面圖帶有搭接焊的安裝邊帶有對接焊的安裝邊軋壓制成的渦輪外環(huán)組成：內(nèi)、外環(huán)，一組導向葉片組成的環(huán)形靜止葉柵。功用：使氣流的部分熱能轉換為動能，并以一定方向流出，推動渦輪做功。工作特點：導向器處于高溫燃氣中，尤其是第一級導向器在燃燒室出口，溫度不僅高，而且分布不均勻，使導向葉片容易燒壞；燃氣中的一些腐蝕性物質還對葉片有一定的腐蝕作用；工作時各零件的熱應力大，容易產(chǎn)生疲勞裂紋；工作時葉片受熱會膨脹，安裝時必須注意。2.渦輪導向器二、渦輪靜子2.渦輪導向器葉片的基本特征由高溫合金（鎳基合金或鈷合金）制成；葉片表面有保護涂層（隔熱涂層，如陶瓷涂層；防腐蝕和抗氧化涂層，如鋁化物涂層）；對葉片采取冷卻措施（高壓和中壓需要冷卻，低壓不需要）。葉片的冷卻措施：對流，沖擊，氣膜。導向器葉片的安裝注意事項：葉片受熱要自由膨脹，葉片要承力。常見安裝方式：掛鉤式，螺栓固定。二、渦輪靜子渦輪的導向器葉片2.渦輪導向器二、渦輪靜子V2500的高壓渦輪第一級導向葉片2.渦輪導向器二、渦輪靜子3.間隙控制裝置渦輪的徑向間隙：渦輪機匣和工作葉片間的間隙，對渦輪效率影響很大。間隙增加，渦輪效率下降，使得發(fā)動機的耗油率增加，排氣溫度升高。要盡量減小渦輪的徑向間隙，但是間隙過小，工作時會造成葉尖和機匣相刮。渦輪的徑向間隙的影響因素（1）工作時葉片和輪盤的膨脹和拉伸變形；（2）機匣的熱脹冷縮及不均勻變形；（3）葉片的蠕變伸長和盤、機匣的蠕變變形。二、渦輪靜子3.間隙控制裝置某型發(fā)動機的試驗說明，如果渦輪徑向間隙增加0.25cm，燃油消耗將增加1%。徑向膨脹無主動間隙控制系統(tǒng)有主動間隙控制系統(tǒng)機匣轉子冷卻空氣渦輪間隙發(fā)動機渦輪的間隙控制二、渦輪靜子渦輪轉子1渦輪靜子2目錄CONTENTS渦輪的材料3渦輪的冷卻4三、渦輪的材料渦輪導向葉片：耐高溫的鎳合金和加強熱阻特性的熱障涂層。渦輪導向葉片除受有較大的氣動力與不穩(wěn)定的脈動負荷外，還處于高溫燃氣的包圍之中，溫度高，冷熱變化大、溫度不均勻嚴重。對于導向葉片，耐熱是最主要的性能要求。渦輪盤