燃?xì)鉁u輪發(fā)動機06A.ppt

1、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機,發(fā)動機 教研室,第6章 渦輪,6.1 渦 輪,渦輪的功用 渦輪的功用是使燃?xì)馀蛎洠苿訙u輪旋轉(zhuǎn)，輸出功，去帶動壓氣機和附件。 帶動的附件有：發(fā)電機、燃油泵、滑油泵、齒輪系等。 渦輪分為徑向式和軸流式兩種類型。目前民用航空發(fā)動機多用的是軸流式渦輪。,4,6.1 渦輪的分類,沖擊式渦輪 推動渦輪旋轉(zhuǎn)的扭矩是由于氣流方向改變而產(chǎn)生的。 葉輪前的導(dǎo)向器兩個相鄰葉片之間的通道是收斂形的，燃?xì)庠谄渲信蛎浖铀俨⑹箽饬鞴諒潯?沖擊式渦輪的工作葉片的特征是前緣和后緣較薄, 而中間較厚。 反力式渦輪 推動渦輪旋轉(zhuǎn)的扭矩是由于氣流速度的大小和方向的改變而產(chǎn)生的。 葉輪前的導(dǎo)向器使燃?xì)饬鞲淖兎较?但不

2、改變壓力。 反力式渦輪工作葉片的特征是前緣較厚, 而后緣較薄。 沖擊反力式渦輪 推動渦輪旋轉(zhuǎn)的扭矩是由于氣流速度的大小和方向的改變而產(chǎn)生的。 葉輪前的導(dǎo)向器兩個相鄰葉片之間的通道是收斂形的，燃?xì)庠谄渲信蛎浖铀俨⑹箽饬鞴諒潯?一般大約沖擊式占50%,反力式占50% 。 目前燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中多采用沖擊反力式渦輪。,5,6.1 渦輪的分類,6,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪的組成 靜子 靜子由渦輪導(dǎo)向器組成，兩個相鄰的導(dǎo)向葉片之間的通道是收斂形的，燃?xì)庠谄渲信蛎浖铀俨⑹箽饬鞴諒? 將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?轉(zhuǎn)子 渦輪轉(zhuǎn)子由渦輪盤、渦輪軸、工作葉片和連接件組成 ，葉片的葉身分為帶冠和不帶冠兩種，榫頭是樅樹型榫頭，一

3、般第一級渦輪葉片或第一、第二級渦輪葉片需要冷卻,7,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),8,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪,靜子,轉(zhuǎn)子,導(dǎo)向器,機匣,外環(huán) 葉片 內(nèi)環(huán),分段式 整體式,輪盤,不帶冠 帶冠,葉片,榫頭 葉身：,樅樹型,盤式 鼓盤式,不可拆卸式 可拆卸式：,長螺栓 短螺栓,盤-軸，盤-盤 連接,葉輪,連接件,減小振動 提高效率,安裝時有一端是松動的,9,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪的一級由一個導(dǎo)向器（渦輪噴嘴環(huán)）和一個工作葉輪組成。將導(dǎo)向器放在前,是為了改善葉輪的工作條件,因為燃?xì)饬鬟^導(dǎo)向器時,溫度將降低。 渦輪導(dǎo)向器（渦輪噴嘴環(huán)）和工作葉輪兩個相鄰葉片間的通道都是收斂形的。 渦輪是多級的，其級數(shù)取決于：

4、需要從燃?xì)庵形盏哪芰浚?發(fā)出該功率時渦輪的轉(zhuǎn)速； 所允許的渦輪直徑。,10,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),導(dǎo)向器（渦輪噴嘴環(huán)）： 燃?xì)庠跍u輪噴嘴環(huán)內(nèi)氣流速度增加, 壓力下降, 溫度下降，并改變流動方向, 來滿足工作葉輪進口處對氣流方向的要求, 將壓力位能和熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽? 總壓下降，總溫不變。 工作葉輪：工作葉片間的通道是收斂形的, 燃?xì)饬鬟^工作葉輪葉片通道時, 相對速度增大,方向改變, 壓力降低, 溫度降低, 推動工作葉輪高速旋轉(zhuǎn), 向外輸出功, 使絕對速度減小。將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α？倝海倻囟枷陆怠?11,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),導(dǎo)向器葉片和工作葉片都是扭轉(zhuǎn)的,即在葉片葉尖處的傾斜度大,而安裝角小,在葉根

5、處傾斜度小,而安裝角大。 葉片的安裝角是葉片的弦線與額線方向之間的夾角。 扭轉(zhuǎn)的原因是使燃?xì)庠谘厝~片長度的所有部位有相同的作功量并且保證進入排氣系統(tǒng)的氣流具有均勻的軸向速度。 對導(dǎo)向器葉片的最主要要求是“耐熱”，雖然采取了冷卻措施，但仍使用鎳合金來制造。,12,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪葉片 渦輪的工作葉片由葉身和榫頭兩部分組成。 渦輪葉片的葉身分為帶冠和不帶冠兩種。 帶冠渦輪葉片可以減小葉片尖部由葉盆向葉背的漏氣,降低二次損失,提高渦輪的效率; 相鄰葉片的葉冠抵緊后可以減小葉片的扭曲變形和彎曲變形,增強葉片的剛度, 提高葉片的振動頻率; 當(dāng)葉 片產(chǎn)生振動時, 相鄰葉冠間產(chǎn)生摩 擦, 可以吸收振

6、動能量, 起到減 振作用; 帶冠渦輪葉片可以采用對氣動有 利的薄葉型。且有利于葉片與機 匣之間的間隙的控制, 減少軸向 漏氣,更有效地提高渦輪效率。 渦輪的工作葉片采用鎳基合金。,13,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),樅樹型榫頭： 優(yōu)點: 重量輕: 由于葉片榫頭呈楔形, 所以材料利用合理, 接近等強度, 因而這種榫頭的重量輕。 強度大, 能承受大的載荷; 在高溫下工作對應(yīng)力集中不敏感: 這種榫頭有間隙地插入榫槽內(nèi), 允許受熱后自由膨脹, 因而, 減小了葉片和輪緣聯(lián)接處的應(yīng)力, 同時可以利用榫頭的裝配間隙, 通入冷卻空氣, 對榫頭和輪緣進行冷卻。裝拆及更換葉片方便。 發(fā)動機工作時，由于溫度高及很大的離心力使

7、 根部變成剛性連接。 缺點: 加功精度要求高。容易出現(xiàn)裂紋。,14,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪葉片的冷卻： 提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣呷細(xì)鉁u輪發(fā)動機性能的有效措施。然而提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁艿綔u輪部件結(jié)構(gòu)強度的限制, 為了解決這個問題, 必需對渦輪葉片采取冷卻。 渦輪葉片的冷卻一般只有第一 級渦輪葉片或第一、第二級渦 輪葉片需要冷卻。 冷卻渦輪葉片的冷空氣是從壓 氣機出口處通過管道引來, 冷 卻后的空氣隨燃?xì)庖黄鹆鬟^渦 輪。 需要進行冷卻的葉片是空心的。 在這里冷卻的方法有: 導(dǎo)熱, 沖擊, 對流換熱, 氣膜冷卻等。 為了限制從渦輪工作葉片向輪盤的 熱傳導(dǎo)的影響，每一級輪盤的兩面 都通一股冷卻空氣。

8、,15,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),盤軸連接： 在多級渦輪中, 多采用鼓盤式 的結(jié)構(gòu)。 盤軸連接分為可拆卸式和不可 拆卸式兩種。 用短螺栓或長螺栓連接。 在每級輪盤的前后端加工 有若干個凸臺, 凸臺中間 加工有拉緊螺栓的通孔, 拉緊螺栓通過這些通孔, 將各級輪盤連接在一起, 短螺栓連接軸和第一、二 級盤, 而長螺栓連接渦輪 軸和三級盤。 長、短螺栓均用螺帽固緊, 每級盤都有一個中心孔, 作為定位基準(zhǔn)。 影響渦輪盤壽命的主要因素是其抗疲勞裂紋的能力。,16,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪葉片的封嚴(yán) 封嚴(yán)齒：為了加強封嚴(yán)效果, 減少葉片間隙處的軸向漏氣, 更有效地提高渦輪效率, 很多發(fā)動機在葉冠上還作有封嚴(yán)齒,

9、 與渦輪機匣上的易磨環(huán)相配合, 可取得很好的封嚴(yán)效果。 噴鍍耐磨金屬：當(dāng)葉片較短時, 可采用展弦比較小而不帶冠的葉片, 此時為了減小渦輪葉片的徑向間隙, 可在葉尖處噴鍍耐磨金屬, 與機匣上的易磨涂層相配。工作時, 葉尖在機匣內(nèi)壁磨出一道溝槽,使軸向漏氣量減少。,17,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪間隙： 渦輪機匣與工作葉片葉尖之間的距離叫渦輪徑向間隙。 渦輪間隙對渦輪效率有很大的影響, 據(jù)估算, 渦輪間隙若增加1 毫米, 渦輪效率下降2.5,這將使發(fā)動機耗油率增加2.5。 為了減少損失、提高效率、應(yīng)盡可能減小徑向間隙。 控制渦輪間隙的方法是控制渦輪機匣的膨脹量，使渦輪間隙保持為最佳值。 發(fā)動機停后，

10、要有一段冷轉(zhuǎn)，其目的是使渦輪機匣冷卻下來之前，使工作葉輪先冷卻下來。,18,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪間隙： 渦輪間隙是隨所用材料和發(fā)動機的工作狀態(tài)及飛行條件的不同而變化的。 假設(shè)在冷狀態(tài)時裝配間隙為1, 1= 2 起動時, 機匣受熱溫度升高比輪盤快, 膨脹也快, 所以機匣間隙增大為2, 2= 7 隨著轉(zhuǎn)速的增高, 工作葉片和盤都得到加熱, 并因離心力的影響, 使徑向間隙減小為3, 3= 5 當(dāng)發(fā)動機停車時, 機匣冷卻比較快, 因此徑向間隙減小為4最小。 4= 0,19,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),渦輪間隙： 發(fā)動機加速時，瞬間轉(zhuǎn)速加大，離心負(fù)荷使葉片和盤徑向伸長量迅速加大，這時徑向間隙最小。隨著渦輪機

11、匣迅速受熱膨脹，它的徑向膨脹量超過葉片和轉(zhuǎn)子的徑向變形量，徑向間隙加大。 當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，渦輪葉片等的溫度逐漸升高，轉(zhuǎn)子徑向伸長量加大，徑向間隙又逐漸減小。,20,5.2.2 渦輪的結(jié)構(gòu)-渦輪間隙控制,渦輪間隙變化 無冷卻式機匣 裝配間隙為2mm 起動間隙為7mm 高轉(zhuǎn)速間隙5mm 停車時為0mm 冷卻機匣 裝配間隙為2mm 起動間隙為3.2mm 高轉(zhuǎn)速間隙1.2mm 停車時為0mm,21,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),冷卻式機匣可采用兩種方式: 被動冷卻式 主動冷卻式 或： 外部冷卻式 內(nèi)部冷卻式 外部冷卻式機匣： 渦輪外環(huán)的外面裝有薄鋼鈑制成的外套, 或稱環(huán)形空氣收集器 利用飛行中外界大氣的速度

12、頭通過進口流入空氣收集器內(nèi), 并經(jīng)過內(nèi)壁上沿周向均勻分布的許多孔去冷卻渦輪外環(huán) 然后再冷卻尾噴管并排入大氣。 這種冷卻方法構(gòu)造簡單,加工方便, 重量較輕, 但冷卻效果較差。,22,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),內(nèi)部冷卻式機匣 渦輪機匣內(nèi)表面上裝有塊狀的底座, 用以保護外環(huán), 這底座可與導(dǎo)向器葉片作成一體, 成為葉片的外冠, 外冠用螺釘固定在機匣上,外葉冠與機匣之間有間隙, 形成雙層壁。 將燃燒室的二股氣流引入此間 隙中進行冷卻和隔熱, 使機匣 內(nèi)表面不與高溫燃?xì)饨佑|。 這種渦輪機匣在發(fā)動機工作過 程中膨脹較少, 渦輪徑向間隙 比較穩(wěn)定, 并且熱應(yīng)力較小, 不致出現(xiàn)收縮變形, 翹曲及裂 紋等故障。,23,

13、6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),主動間隙控制 根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)，人為控制機匣的膨脹量，以保證渦輪徑向間隙為最佳。 通常是在渦輪機匣外面加上數(shù)圈冷氣管。 按預(yù)定調(diào)節(jié)規(guī)律改變冷卻空氣的供應(yīng)量和溫度。 例如,CFM56-3發(fā)動機： 它的高壓渦輪機匣外面罩一個集氣環(huán)形成集氣室。 在不同的工作狀態(tài)下，引入不同溫度的冷卻空氣。 在慢車和起飛時,引高壓9級后空氣； 爬高時引高壓9級和5級的混合后的空氣； 巡航時,引高壓5級的空氣。 采用主動控制間隙增加了冷卻空氣的消耗量,造成發(fā)動機推力下降, 同時還會使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,重量增加。,24,6.2 渦輪的結(jié)構(gòu),25,6.3 基元級速度三角形,決定渦輪基元級速度三角形的

14、因素共有五個, 它們是:Cu, a, u, C,u, CaCa。,26,6.3 基元級速度三角形,渦輪的輪緣功： 從能量方程可以得到渦輪的輪緣功為： 輪緣功的大小取決于燃?xì)饨^對動能和相對動能的變化。 沖擊式渦輪和反力式渦輪 反力度：相對動能的變化 與渦輪輪緣功的比值叫反 力度 在葉輪中, 相對動能的變化一般占輪緣功的25到40, 有的甚至不變化。稱相對動能不變化的渦輪為“沖擊式渦輪”, 而稱相對動能有變化的為“反力式渦輪”。 反力度從葉根到葉尖是變化的，葉根處最小，葉尖處最大，平均直徑處為50。,27,6.3 基元級速度三角形,渦輪的輪緣功： 在亞音速壓氣機中, 壓氣機功約在40kj/kg以內(nèi)

15、, 而渦輪的輪緣功則在200300kj/kg之間。 兩者相差如此懸殊, 主要是由于氣體在壓氣機中的流動是減速擴壓, 存在著正的壓力梯度, 在正壓力梯度的作用下, 附面層中一部分氣體微團的運動不足以反抗高的反壓而容易發(fā)生分離, 因而在一級壓氣機中不允許靜壓提高得太多, 氣流轉(zhuǎn)折角不能太大。至于渦輪, 則由于通道是收斂的, 燃?xì)庠谄渲惺羌铀俳祲? 存在負(fù)壓力梯度, 所以附面層中的氣體微團就不容易分離, 氣流的轉(zhuǎn)折角可以較大, 也就是說渦輪葉片比壓氣機葉片彎曲的程度要大, 燃?xì)馀蛎浀某潭却? 輸出的輪緣功就大。 其次是由于渦輪中燃?xì)獾臏囟缺葔簹鈾C中空氣的溫度高得多, 這自然對于增加燃?xì)庾鞴苡欣?。?/p>

16、前流量大的一級渦輪可以輸出一兩萬千瓦的功率, 這些功率被壓氣機吸收, 可以帶動57級或更多級壓氣機, 因此, 在同一臺發(fā)動機中, 渦輪的級數(shù)要比軸流式壓氣機的級數(shù)少得多。,28,6.3 基元級速度三角形,渦輪葉片的特點： 1.渦輪葉片比壓氣機葉片要厚。 其原因有兩個: 一個是渦輪葉片受熱嚴(yán)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。 另一個原因是渦輪葉片需要冷卻, 所以渦輪葉片是空心的, 以便通冷卻空氣。 2.渦輪葉片比壓氣機葉片彎曲的程度要大。,29,6.4 渦輪的性能參數(shù),渦輪落壓比： 渦輪落壓比是渦輪進口處的總壓 與渦輪出口處的總壓 之比, 即 渦

17、輪落壓比也可以用靜壓來定義， 即渦輪進口處的靜壓 與渦輪出口處的靜壓 之比,30,6.4 渦輪的性能參數(shù),渦輪落壓比隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律 1.當(dāng)渦輪導(dǎo)向器最小截面和噴管處處于臨界或超臨界狀態(tài)時，渦輪的落壓比為常數(shù)； 2.當(dāng)渦輪導(dǎo)向器最小截面處處于臨界或超臨界狀態(tài), 而噴管處于亞臨界狀態(tài)時,隨著轉(zhuǎn)速下降, 渦輪的落壓比下降; 這時渦輪落壓比的變化是由最后一級渦輪落壓比的變化造成的, 而其它各級渦輪的落壓比不隨轉(zhuǎn)速而變化。 3.當(dāng)渦輪和噴管均處于亞臨界狀態(tài)時,隨著轉(zhuǎn)速減小, 渦輪的落壓比減小。各級落壓比都減小, 而且越靠后的級落壓比減小得越多。,31,6.4 渦輪的性能參數(shù),渦輪落壓比隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

18、 依據(jù)是通過渦輪導(dǎo)向器最小截面處的燃?xì)饬髁康扔诹鬟^噴管最小截面處的流量, 即 , 根據(jù)流量公式有 導(dǎo)向器和噴管內(nèi)為絕能流, 上式變?yōu)? 將渦輪內(nèi)的膨賬過程看做是絕熱的多變過程, 其多變指數(shù)為n, 則有:,32,6.4 渦輪的性能參數(shù),當(dāng)渦輪導(dǎo)向器最小截面和噴管處于臨界或超臨界狀態(tài)時, 渦輪的落壓比為常數(shù), 即隨轉(zhuǎn)速的變化而保持不變。各級落壓比都保持不變。 當(dāng)渦輪導(dǎo)向器最小截面處于臨界或超臨界狀態(tài)，噴管處于亞臨界狀態(tài)時, 隨著轉(zhuǎn)速增加, 渦輪的落壓比增大; 同樣隨著轉(zhuǎn)速減小, 渦輪的落壓比減小。 只有最后一級落壓比減小, 其它各級落壓比保持不變。,33,6.4 渦輪的性能參數(shù),當(dāng)渦輪導(dǎo)向器最小截

19、面和噴管處于亞臨界狀態(tài)時 隨著轉(zhuǎn)速增加, 渦輪落壓比增大; 同樣隨著轉(zhuǎn)速減小, 渦輪的落壓比減小。 轉(zhuǎn)速減小時, 各級落壓比都減小, 而且越靠后的級渦落壓比減小得越多。 由此可以看出，對于多轉(zhuǎn)子發(fā)動機的高壓渦輪，只要第一級導(dǎo)向器處于臨界或超臨界狀態(tài)，則高壓渦輪落壓比就保持不變。,34,6.4 渦輪的性能參數(shù),渦輪功 理想渦輪功: 1kg燃?xì)馔ㄟ^理想的過程從 膨脹到 所輸出的功稱為理想渦輪功。,35,6.4 渦輪的性能參數(shù),絕熱渦輪功: 1kg燃?xì)馔ㄟ^絕熱的過程從 膨脹到 所輸出的功稱為絕熱渦輪功。 流動損失:包括“葉型損失”和“二次損失”。 葉型損失有: 附面層內(nèi)的摩擦損失；尾跡損失；尾跡和主流的摻混損失；附面層中的分離損失；波阻損失。 二次損失有: 發(fā)生在葉尖