第四章燃氣渦輪4.1概述4.2渦輪轉子4.3渦輪靜子4.4渦輪部件的冷卻4.5渦輪主要零件的常用材料4.1概述功用：將氣體熱能、壓力能轉化氣體動能，并對渦輪做功，驅動壓氣機和附件主要指標：落壓比、效率、可靠性、維修性外廓尺寸和重量等。基本類型：軸流式、徑向式單級渦輪、多級渦輪單轉子、雙轉子、三轉子渦輪

單轉子渦輪一種雙轉子渦輪和軸的布置一種三轉子渦輪和軸的布置4.1概述工作特點：高溫：1800K高速：10000rpm（大發）

30000～50000rpm（小發）

>200000rpm（微發）高負荷：大發渦輪總功率100000馬力（74570KW)

一片渦輪葉片發出186KW功率（約等于8缸載重汽車發動機功率）

4.1概述突出問題：“熱”——熱變形、熱定心熱應力、熱疲勞、熱腐蝕措施：1.材料：高溫耐熱合金、高溫陶瓷

2.冷卻技術：高效冷卻系統設計典型渦輪結構：WP6WP7JT3DJ69J85WP7乙

SpeyMK202CFM56PW4000RB199

透默IIIC自由渦輪對轉渦輪

轉子聯接結構A、基本要求：足夠的剛度、強度良好的定心、定位傳力、傳扭可靠結構簡單、易制造（工藝好）裝拆方便、易維護B、特殊要求：熱定心可靠，熱應力小減少向軸的傳熱、改善軸承條件（尤其是第一級）機匣為（分段）整體式，注意裝配單級—盤式多級—鼓盤混合式4.2渦輪轉子4.2.1盤軸連接1、不可拆卸的盤軸連接聯接方案：徑向銷釘，焊接，鍛制成整體WP7—典型徑向銷釘連接

徑向銷釘方案結構簡單輕巧，加工方便，強度、剛性均較滿意，同時具有一定的熱節流作用。4.2渦輪轉子4.2.1盤軸連接1、不可拆卸的盤軸連接4.2渦輪轉子4.2.1盤軸連接1、不可拆卸的盤軸連接4.2渦輪轉子4.2.1盤軸連接2、可拆卸式的盤軸聯接連接件：長螺栓，短螺栓，套齒4.2渦輪轉子4.2.1盤軸連接2、可拆卸式的盤軸聯接4.2渦輪轉子軸向套齒和大螺帽4.2.2盤與盤的聯接1、不可拆卸的盤與盤聯接適用于級數較少的渦輪轉子。4.2渦輪轉子4.2.2盤與盤的聯接2、可拆卸式盤與盤聯接WJ6：定心：5長5短圓精密錐螺栓，緊度0.01~0.02mm

定位：端面傳力、傳扭：摩擦＋緊密螺栓4.2渦輪轉子4.2.2盤與盤的聯接2、可拆卸式盤與盤聯接JT9D低壓：定心：圓柱面定位：端面傳力：長短螺栓傳扭：摩擦＋螺栓圓柱面4.2渦輪轉子4.2.2盤與盤的聯接2、可拆卸式盤與盤聯接級數大于3的渦輪盤盤聯接廣泛采用短螺栓。JT9D低壓（改型）：傳力：短螺栓傳扭：摩擦＋螺栓圓柱面（自鎖螺帽）4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接葉片特點：負荷大－離心、氣動、熱及振動壽命－熱疲勞、熱腐蝕制造：早期－鍛造＋機加現代－精密鑄造（定向結晶、單晶）措施：改進材料－高溫合金、陶瓷材料改進冷卻技術結構組成：葉身、中間葉根、榫頭4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接1、葉身（1）葉尖“切角”(WP7一級轉子)或葉尖帶凸臺

目的：修頻（改變葉片自振頻率）4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接1、葉身（2）葉頂帶冠

目的：利用相鄰葉冠之間的摩擦來吸收震動能量，從而減震；相鄰葉冠合璧成環形，限制氣流流動，提高渦輪效率。

型式：平行四邊形鋸齒行優缺點4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接1、葉身（3）環形互圈WP7渦輪二級轉子葉片

目的：把所有葉片聯接起來，使其相互牽制，而且可自由膨脹

摩擦阻尼力吸收葉片組的震動，但是環形護圈置于燃氣中，影響渦輪效率，又嚴重影響葉片與互圈的強度。4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接1、葉身（3）變功量、可控渦設計葉片JT9D-7R4

提高渦輪效率，減少渦輪級數（4）正交葉片改變氣流流動的角度4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接2、葉片榫頭與輪盤的聯接（1）榫頭及其槽向固定榫頭：樅樹型優點：承載能力大，材料利用合理，近似等強度設計，結構輕軸向尺寸小，安裝葉片數多，可提高渦輪功率能夠自由膨脹，熱應力小存在裝配間隙，可起到一定阻尼作用，減少葉片振動存在裝配間隙，有利于冷卻輪緣，降低輪盤溫度裝拆方便缺點：應力集中，易產生疲勞裂紋、斷裂加工精度要求高，需要專用加工機床結構形式：小圓角與大圓角，雙榫頭其它形式：銷釘式（早期，使用很少）4.2渦輪轉子

槽向固定的方式凸肩＋鎖片鎖片封嚴圈＋鎖片鉚釘鎖板無螺栓擋板4.2渦輪轉子4.2.3轉子葉片及其與盤的聯接2、葉片榫頭與輪盤的聯接（2）中間葉根目的：吹風冷卻，降低輪緣溫度降低渦輪轉子總重量改善榫頭應力分布裝入阻尼塊，提高抗振性能4.2渦輪轉子4.3渦輪靜子組成：渦輪機匣，導向器，渦輪的支承與傳力構件特殊要求：機匣剛性均勻，熱變形小，熱定心減少渦輪徑向間隙，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4.3渦輪靜子4.3.1渦輪機匣1、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、內冷卻、內外冷卻式2、材料：耐熱合金鋼制造：焊接后再機械加工，軋壓4.3渦輪靜子4.3.1渦輪機匣3、要求（1）渦輪的徑向間隙沿周向均勻方案整環形WP6，WP7整體式的錐形機匣JT3D,斯貝注：要求轉子可拆，否則無法裝配縱向剖分機匣J79

機匣沿周向剛性不均勻，受熱與受力后容易出現橢圓度超差和翹曲變形，因此設計是要注意周向剛性的合理分布，并希望采用對徑向間隙不太敏感的封嚴結構（蜂窩結構）4.3渦輪靜子4.3.1渦輪機匣3、要求（1）渦輪的徑向間隙沿周向均勻方案機匣與轉子工作時要保證良好同心度WP6采用圓柱形凸邊定心裝配時，葉片附著磨削材料，同時機匣內壁附著易磨結構雙層機匣：避免載荷變形，發動機性能衰退機匣安裝邊設計4.3渦輪靜子（1）渦輪的徑向間隙沿周向均勻4.3渦輪靜子4.3.1渦輪機匣3、要求（2）盡量減小渦輪的徑向間隙

葉尖間隙的影響因素

輪盤與葉片的蠕變伸長，機匣的收縮變形，轉子的振動和偏擺，機匣與轉子的熱慣性不同。4.3渦輪靜子4.3.1渦輪機匣3、要求（2）盡量減小渦輪的徑向間隙方案盡量減小機匣在各種狀態下的變形量——冷卻式機匣在機匣內表面采用易磨的封嚴材料與結構采用主動間隙控制技術氣動類機械類

有無冷卻機匣比較

冷卻式機匣

外部冷卻冷卻式機匣內部冷卻在機匣內表面采用易磨的封嚴材料與結構21

機匣中嵌入柔軟封嚴塊

蜂窩型封嚴裝置4.3渦輪靜子4.3.2渦輪導向器組成：內、外環，一組導向葉片組成的環形靜止葉柵功用：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。要求：足夠的剛度、強度，工作可靠減少熱應力，允許熱膨脹導向器不作傳力件，傳力件與高溫隔離導向器易于分解，便于維修和更換4.3渦輪靜子4.3.2渦輪導向器1、第一級導向器工作條件惡劣：溫度高、分布不均，易燒傷氧化、腐蝕嚴重，熱應力大，熱疲勞嚴重氣動負荷、振動負荷大結構與矛盾：雙支點結構，自由膨脹與傳力矛盾排氣面積調整基本特征：導向葉片不作承力構件，并保證自由的熱脹冷縮具體結構雙支點與機匣相連兩端自由支承一端自由，一端固定葉片組4.3渦輪靜子4.3.2渦輪導向器1、第一級導向器具體結構第一級導向器不做傳力構件Wp6為了傳荷，葉片內腔穿過拉桿、襯筒將內外機匣聯成一體。拉桿收拉承力，襯筒受壓定距。Wp7用實心承力幅條代替拉桿和襯筒葉片的排氣面積可以改變WP6交換不同弦長的葉片Wp7通過改變葉片的排氣角度4.3渦輪靜子4.3.2渦輪導向器2、第2級及其以后的各級導向器特殊問題：葉片負荷只能由外緣經機匣傳遞剛性問題突出，加裝內環，要可自由膨脹（打孔后）封嚴問題裝配關系結構：WP6二導WP7二導JT3D-3B掛鉤式導向器(JT3D)掛鉤式導向器-----JT3D發動機2，3，4級導向器4.4渦輪部件的冷卻4.4.1典型零件的溫度分布與熱應力1、轉子葉片的溫度分布穩態情況下未冷卻時：沿大部分葉高溫度不變，至1/3葉根處開始，溫度才向葉根方向按立方規律下降冷卻設計后：兩端溫度低，最大值在葉片中間非穩態起動，加載時，葉片的溫度隨燃氣溫度不斷升高，表面溫度高于中心溫度，中心受拉，表面受壓的熱應力。加載完畢后，表面與中心溫度趨于一致減載和停車時，表面溫度低于中心溫度。解決：發動機在起動后和停車前，要在較低功率穩定運行幾分鐘，使部件溫度趨于均勻。4.4渦輪部件的冷卻

轉子葉片的溫度分布4.4渦輪部件的冷卻4.4.1典型零件的溫度分布與熱應力2、渦輪盤及葉片榫頭的溫度分布特點：輪盤邊緣溫度高，中心溫度較低樅樹型榫頭在徑向吹風冷卻的情況下，榫頭中的溫降約為150~200°C。4.4渦輪部件的冷卻4.4.2渦輪部件的冷卻目的：4.4渦輪部件的冷卻4.4.2渦輪部件的冷卻1、渦輪部件的空氣冷卻系統除了軸承部分采用滑油冷卻，其余都采用空氣作為冷卻介質。冷卻空氣有效性避免引起額外的氣動損失結構簡單可靠可調節轉子軸向力CFM566路空氣

WP6WP7WP7乙JT3DSpeyP294.4渦輪部件的冷卻4.4.2渦輪部件的冷卻2、渦輪盤的冷卻：側面徑向吹風冷卻榫頭吹風冷卻3、