1.1透平叶片的作用

燃气轮机包括航空发动机、航改型燃气轮机和工业发电用燃气轮机等。最早利用燃气轮机提供动力原理的是中国的走马灯。走马灯的上方有一个叶轮，与燃气轮机透平类似。当下方的灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。而燃气轮机是靠燃烧产生的高温高压气体推动燃气透平叶轮旋转，带动前缘的压气机转子一同旋转。走马灯和燃气透平叶轮旋转原理如下图所示。

透平叶片作为单独部件与轮盘或轮毂、气缸组合构成燃气轮机透平。透平从燃烧器排放的高温高压气体中抽取能量，其主要作用是膨胀减压，即将高温燃气减压、降温，使燃气部分能量转化为透平转子的动能，再通过主轴带动压气机做功发电。

1.透平叶片的工作环境

燃气轮机透平工作环境十分严苛，叶片长期处于高温、高压及潜在的高振动环境中。这三个影响因素协同作用，容易造成叶片失效，导致燃气轮机停机或故障。因此，透平叶片需要特殊外形及内部冷却设计、特殊合金材料及制备工艺。随着燃气轮机效率的不断提高，燃气从燃烧器进入透平的入口温度也在不断上升。下图为E级、F级、H级和J级燃气轮机的透平进口温度的概况。

下图是燃气轮机理想简单开式循环（恒压、连续燃烧）的热力系统示意图以及对应的压容图和温熵图，其理想循环模型遵循布雷顿循环。理想布雷顿循环是由两个等压过程和两个等熵过程组成。

1-是气体在压气机中被等熵压缩；

-3是气体在燃烧室中被等压加热；

3-4是气体在透平中等熵膨胀做功；

4-1是气体在排出至大气候等压冷却。

其中总输出功Wcyc为3-4段的透平做功与1-3段的压气机做功的差值。而注入系统的总输入热Q-3为-3段燃烧室中燃料和工质化学燃烧放出的热量。

于是燃气轮机的总循环效率为ηcyc=Wcyc/Q-3。

假设空气的质量流率远大于燃气的质量流率；空气的恒压热容和恒容热容都是常数，即比热比（γ）为常数；压气机和透平的压比（rp）相同；燃机所有组件的效率都为%。则对于操作在环境温度和点火温度之间的理想布雷顿循环，其理想循环效率是压比的函数，表达式如下：

由上式可知，效率随压比的增大而增大。

由于假设压气机与透平的压比相同，则采用压气机压比可以得到下式：

采用透平压比可以得到下式：

通过以上对效率的粗略分析，说明要提高燃气轮机总的循环效率，增大压气机压比或提高透平进口温度是两个主要途径。这也是为什么现役燃气轮机透平进口温度越来越高的原因。

现役H级燃气轮机，其透平入口温度大约在℃左右。这个温度已经超过了镍基高温合金材料的熔点。因此，需要对叶片进行冷却设计和涂层制备。另外，透平叶片叶尖在正常工作时保持高速旋转，叶尖线速度往往超过公里每小时，这将产生较高的离心力，使叶片承受超过其自身重量1万倍的负荷，相当于每片如此小的叶片要承受10吨以上的卡车的重量。

通常，透平叶片是燃气轮机中的寿命瓶颈部件。为了使叶片在高温、高压以及潜在的高振动严苛环境中长期服役，往往采用特殊材料，例如高温合金；并设计许多不同的降温方法，例如内部蛇形通道、气膜冷却和热障涂层等来制备叶片。如下图所示。

1.透平叶片的分类及结构

透平叶片分为涡轮转子叶片和涡轮导向器叶片两类。

叶片一般由叶身、榫头、叶冠/缘板、伸根、内腔、轴颈和阻尼台及其他部件。

1..1叶身

叶身型面是由基元叶型按一定的积叠规律积叠而成的空间曲面。叶身设计及制造质量直接关系到整个燃气轮机的性能。

根据气动计算后确定的流道和各设计截面的气动参数，结合强度要求和工艺要求，就可以按照一定的造型方法获得各个剖面的叶型。叶身的叠加方法通常有两种：一是用一段或数段直线将各对应剖面坐标点连接起来形成叶身，简称直线光顺；二是用光滑曲线将各对应剖面坐标点连接起来形成叶身，简称曲线光顺。通过叶型上几个典型剖面的弦线角可以检查叶身的积叠程度。

1..榫头

榫头是转子叶片与透平盘联接和承力的重要部位。按榫头横向剖面形状分为燕尾形、销钉型、枞树型等。按榫头工作面是直形还是弧形分为直齿形和弧齿形。

1..3叶冠/缘板

叶冠/缘板一般用于透平转子叶片的叶尖部位。燃气轮机的效率损失大部分来自叶尖的泄漏损失，因此叶冠的作用主要是减少高温气流损失，提高效率，同时起到抑制叶片振动的作用。

1..4轴颈和阻尼台

导向叶片的轴颈分为两种，即圆柱轴颈和螺纹轴颈。阻尼台能有效的减缓叶片的振动，尤其对长叶片。由于透平端温度较高，所以透平叶片一般不存在此两种结构。

1..5伸根

伸根段主要作用是连接榫头和叶身/缘板，以及在保持叶身气动设计最优化的前提下改善叶片整体的振动特性。

1..6内腔

叶片内腔十分复杂，与冷却设计息息相关。随着透平进口温度的不断提高，叶片冷却的研究工作在总工作中的权重越来越高，目前已经可以和其他的结构设计的总和相媲美。

1..7其他

包括冲击衬套，盖板等降低铸造工艺难度的联接件。

未完待续：之二：燃机透平叶片的设计预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/213.html