涡轮结构设计.ppt

第三讲 涡轮结构设计v轴轴流式流式涡轮涡轮v向心式向心式涡轮涡轮2006年3月281-第三讲 涡轮结构设计第一第一节节 概概 述述第二第二节节 涡轮转涡轮转子子第三第三节节 涡轮涡轮静子静子第四第四节节 涡轮涡轮部件的冷却部件的冷却2006年3月282-燃气涡轮工作原理v冲冲击击式式涡轮涡轮v反作用力反作用力涡轮涡轮2006年3月283-第一节 概 述1.1 涡轮涡轮部件的特性部件的特性v温度：温度高、温度不均、工温度：温度高、温度不均、工况况变变化；化；v转转速：速：转转速高速高-离心离心负负荷大、平荷大、平衡困衡困难难；v功率：叶片平均功率大、功率：叶片平均功率大、级级数数少。少。2006年3月284-第一节 概 述1.2 技技术术要求要求v高效率高效率v尺寸小，尺寸小，结结构构紧紧凑凑v足足够够的高温的高温强强度度v热热定心好，定心好，热应热应力小力小v良好的冷却系良好的冷却系统统 v适当适当选择选择材料材料2006年3月285-第一节 概 述1.3 组组成成v静子静子导导向向器及机匣器及机匣v转转子及其支子及其支承系承系统统 v冷却系冷却系统统2006年3月286-第二节 涡轮转子组组成成:v涡轮盘涡轮盘v涡轮轴涡轮轴v工作叶片工作叶片2006年3月287-2.1 工作叶片1.叶身特点叶身特点:v叶片厚且横截面弯曲大；叶片厚且横截面弯曲大；v截面沿高度截面沿高度变变化大；化大；v叶叶栅栅通道通道为为收收敛敛形；形；v叶片作功量大；叶片作功量大；v通道形式多通道形式多为为等内径或等中径。等内径或等中径。2006年3月288-2.1 工作叶片2.叶片叶片结结构构设计设计：v带带冠冠增加叶片增加叶片间刚间刚度和阻尼度和阻尼v带带箍箍增加增加刚刚度和阻尼减振度和阻尼减振v切角切角调频调频防止叶片振防止叶片振动动v叶尖叶尖喷喷涂涂耐耐磨涂磨涂层层可减小可减小间间隙隙v机匣涂机匣涂易易磨涂磨涂层层 减小叶片磨减小叶片磨损损2006年3月289-RR公司公司带带冠高冠高压压叶片叶片2006年3月2810-带箍-WP7发动机涡轮v箍箍环环2006年3月2811-2.1 工作叶片3.榫榫头头v1.工作条件：工作条件：v轮缘轮缘温度温度为为 500-650v2.要求：要求：v自由膨自由膨胀胀、减少、减少热应热应力、力、热传导热传导性好、性好、强强度好度好v3 结结构特点构特点:v 多多齿齿承承载载、倒、倒锥锥型型、间间隙装入。隙装入。2006年3月2812-2.1 工作叶片3.榫榫头头v大大圆圆弧少弧少齿齿v具有小的具有小的应应力集中力集中v对对工况的工况的变变化有了化有了好的适好的适应应力力v加工相加工相对简单对简单v结结构阻尼性能好构阻尼性能好2006年3月2813-2.1 工作叶片3.榫榫头头v小小齿齿多多齿结齿结构构v应应力分布均匀力分布均匀v较较好的温度分布好的温度分布v加工加工难难度度较较大大2006年3月2814-2.1 工作叶片3.榫榫头头v双叶片双叶片2006年3月2815-2.1 工作叶片4.中中间间叶根叶根(伸根伸根)v作用作用:v降低叶片降低叶片对盘对盘的的传传热热 v冷却空气冷却空气导导入入v减小减小应应力集中力集中v伸根伸根处处可安装阻尼可安装阻尼材料材料2006年3月2816-2.1 工作叶片5.锁紧锁紧方式方式v锁锁片，片，挡挡板板2006年3月2817-2.1 工作叶片v高寿命，高可靠性高寿命，高可靠性锁紧结锁紧结构构2006年3月2818-2.1 工作叶片5.锁紧锁紧方式方式v涡轮涡轮叶片无叶片无螺栓槽向螺栓槽向锁锁紧紧2006年3月2819-2.1 工作叶片v涡轮叶片的无螺栓锁紧2006年3月2820-2.1 工作叶片6.冷却叶片冷却叶片v对对流冷却流冷却v气膜冷却气膜冷却v带导带导流板流板v复合冷却复合冷却2006年3月2821-2.1 工作叶片6.冷却叶片冷却叶片v对对流流换热换热v冲冲击击冷却冷却v气膜冷却气膜冷却2006年3月2822-高压涡轮叶片2006年3月2823-高压涡轮叶片2006年3月2824-2006年3月2825-2.1 工作叶片7.叶片材料叶片材料v涡轮涡轮部件部件对对材料的要求：材料的要求：v高温下高的持久高温下高的持久强强度，度，v蠕蠕变变强强度，疲度，疲劳劳强强度，度，v热稳热稳定性，好的物理性定性，好的物理性质质和工和工艺艺性。性。v材料工材料工艺艺的的选择选择演演变变vA)锻锻造造(60年代年代)B)精精铸铸 (70年代年代)vC)定向定向结结晶晶(80年代年代)D)单单向向结结晶晶(80年代年代)2006年3月2826-2.1 工作叶片v定向定向结结晶晶v 单单向向结结晶晶2006年3月2827-2.1 工作叶片7.叶片材料叶片材料v防防护护涂涂层层v铝铝化物涂化物涂层层抗氧化腐抗氧化腐蚀蚀；vCr抗硫化物腐抗硫化物腐蚀蚀。v高温涂高温涂层层2006年3月2828-2.2 涡轮盘1)工作条件：工作条件：v高高转转速速，温度沿半径方向分布不均匀温度沿半径方向分布不均匀2)剖面形状：剖面形状：v一般一般为对为对称，称，开孔开孔-边缘边缘加厚加厚3)加工方法：加工方法：v锻锻件、粉沫冶金件、粉沫冶金热热等静等静压压制造；制造；v非定位面非定位面喷喷丸可减少加工丸可减少加工应应力和表面力和表面裂裂纹纹。（。（喷喷砂？）砂？）2006年3月2829-涡轮转子2006年3月2830-V2500 轮盘轮盘2006年3月2831-涡轮转子2006年3月2832-2.3 转子结构1.盘盘-轴连轴连接接v径向径向销钉连销钉连接接2006年3月2833-2.3 转子结构1.盘盘-轴连轴连接接v焊焊接接转转子子2006年3月2834-2.3 转子结构1.盘盘-轴连轴连接接v短螺栓短螺栓连连接接2006年3月2835-2.3 转子结构1.盘盘-轴连轴连接接v圆圆弧端弧端齿齿(RB199)2006年3月2836-2.3 转子结构1.盘盘-轴连轴连接接v盘带盘带短短轴轴通通过过花花键键与与轴连轴连接接v多根多根长长螺栓螺栓连连接接2006年3月2837-2.3 转子结构2 盘盘-盘连盘连接接v径向径向销钉销钉v焊焊接接v短螺栓短螺栓连连接接v盘盘上直接开孔螺栓上直接开孔螺栓连连接接v多根多根长长螺栓螺栓连连接接2006年3月2838-2 盘-盘连接短螺栓短螺栓连连接接2006年3月2839-2 盘-盘连接盘盘上开孔螺栓上开孔螺栓连连接接2006年3月2840-2 盘-盘连接盘盘上开孔螺栓上开孔螺栓连连接接2006年3月2841-2 盘-盘连接长长螺栓螺栓连连接接2006年3月2842-第三节 静 子组组成：成：v机匣和机匣和导导向器向器导导向器包括：向器包括：v外外环环、叶片、内、叶片、内环环2006年3月2843-3.1 机匣设计设计要求：要求：v装配装配问题问题：连连接接时时要保要保证证工作定心及周工作定心及周向位置。向位置。v定位：径向定位、周向定位。定位：径向定位、周向定位。v安装安装边边：外冷内：外冷内热热存在存在热应热应力。力。v加工方法：加工方法：铸铸造、造、锻锻件、板料件、板料焊焊接。接。2006年3月2844-3.1 机匣v机匣的定心机匣的定心v机匣防机匣防热应热应力力2006年3月2845-3.1 机匣v机匣的机匣的销钉销钉定心定心2006年3月2846-3.2 叶尖间隙控制1.影响叶片与机匣影响叶片与机匣间间隙的因素：隙的因素：v机匣和叶片的蠕机匣和叶片的蠕变变；v转转子与机匣偏心、机匣子与机匣偏心、机匣变变形；形；v通道形式与支点的分布；通道形式与支点的分布；2.设计设计要求：要求：v机匣机匣刚刚度好保持度好保持圆圆度度v材料的耐高温性能好材料的耐高温性能好v保持机匣与保持机匣与转转子同心子同心2006年3月2847-涡轮叶片与机匣径向间隙变化2006年3月2848-设计采取措施带冠2006年3月2849-F404高压涡轮v调调整装配整装配间间隙隙 v内内环环加易磨材料加易磨材料v双双层层或三或三层层机匣机匣2006年3月2850-主动间隙控制 被动间隙控制2006年3月2851-JT9D发动机涡轮主动间隙控制2006年3月2852-3.3 导向器2006年3月2853-3.3 导向器1 工作条件：工作条件：v温度最高且不均匀、易温度最高且不均匀、易产产生生热应热应力、力、烧蚀烧蚀；v直接与燃气接触易腐直接与燃气接触易腐蚀蚀、氧化；、氧化；v冷冷热热疲疲劳劳易易产产生疲生疲劳劳裂裂纹纹；v不不转动转动。2.设计设计中要解决的中要解决的问题问题：v高温下可靠工作；高温下可靠工作；v允允许许自膨自膨胀胀-三个方向；三个方向；v能能调节调节出口面出口面积积；2006年3月2854-3.3 导向器3.分分类类v传传力的力的导导向器向器 不不传传力的力的导导向器向器2006年3月2855-3.3 导向器4.结结构构设计设计要求：要求：v出口面出口面积调节积调节v安装：挂安装：挂钩钩式式连连接接v斜置斜置导导向叶片向叶片挂挂钩钩式式涡轮涡轮导导向器叶片向器叶片2006年3月2856-2006年3月2857-v正交叶片正交叶片2006年3月2858-第四节 低压转子断轴安全装置4.1 断断轴轴可能性：可能性：v低低压转压转子子轴细轴细而功率大，而功率大，v风风扇扇进进口大易受外来物打口大易受外来物打伤伤卡死引起卡死引起转转子扭断。子扭断。4.2 危害性：危害性：v超超转转，飞转飞转危危险险极大。极大。v例如：例如：CAAC 1988年年5月月30日日TY154(D30KY-154)4.3 设设施：施：vJT15D，SPEAY利用利用轴轴的移切断油路的移切断油路v利用利用转转子叶片与静子相碰而刹子叶片与静子相碰而刹车车2006年3月2859-JT9D2006年3月2860-第五节 冷却系统5.1 冷却目的冷却目的v提高提高涡轮涡轮前温度前温度v温度温度场场均匀减小均匀减小热应热应力力v减低零件的温度减低零件的温度v使燃气与零件分使燃气与零件分开开v设计设计的基本原的基本原则则：v冷却效果好冷却效果好 v冷却后温度冷却后温度场场均均匀匀v减小漏气量减小漏气量v气源气源v损损失小、可行失小、可行2006年3月2861-第五节 冷却系统5.2 冷却方法冷却方法v1)对对流冷却流冷却 可使温度降低可使温度降低200-250v2)冲冲击击冷却冷却v3)气膜冷却气膜冷却 可使温度降低可使温度降低400-600v4)发发散冷却散冷却 可使温度降低可使温度降低200-250v普遍使用前三种的混合普遍使用前三种的混合5.3典型冷却系典型冷却系统统2006年3月2862-2006年3月2863-2006年3月2864-