1.2　潿洲終端燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組

1.2.1　燃?xì)廨啓C(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)

1.2.1.1　基本原理

圖1-1說明了燃?xì)廨啓C(jī)工作的基本原理。如圖1-1（a）所示，在氣球內(nèi)的壓縮空氣將力作用于氣球的邊緣上。按照定義，具有重量并占有空間的空氣具有質(zhì)量。空氣的質(zhì)量和它的密度成正比，密度與壓力、溫度成比例。如Boyle定律和Charles定律（PV/T＝K）所述，隨著溫度升高和壓力降低，空氣中的分子進(jìn)一步分開，隨著溫度降低和壓力升高，空氣中的分子更接近。

如圖1-1（b）所示，被限制在氣球內(nèi)的空氣，當(dāng)它被釋放時(shí)，它會(huì)加速離開氣球，產(chǎn)生力。如同牛頓第二定律（F＝MA）中所說的那樣，這個(gè)力會(huì)隨著質(zhì)量加速度的增加而增加。由氣球內(nèi)空氣質(zhì)量加速度產(chǎn)生的力導(dǎo)致一個(gè)大小相等而方向相反的力，該力使氣球向相反方向推動(dòng)。

代替氣球內(nèi)的空氣，如圖1-1（c）所示，不能持續(xù)維持所需的作用力；如圖1-1（d）所示，允許一個(gè)負(fù)荷被加速穿過并驅(qū)動(dòng)一個(gè)“渦輪”的空氣質(zhì)量的力驅(qū)動(dòng)。

圖1-1（e）說明了維持一個(gè)加速的空氣質(zhì)量的力被用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)荷的更實(shí)用的方法。該機(jī)殼包含固定體積的空氣，空氣被由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)壓縮，被壓縮的空氣加速離開機(jī)殼，驅(qū)動(dòng)被連接到負(fù)荷的一個(gè)“渦輪”。

如圖1-1（f）所示，空氣被噴入壓氣機(jī)和渦輪之間，以便進(jìn)一步加速空氣質(zhì)量，從而增加被用來驅(qū)動(dòng)負(fù)荷的力。圖中指出，由于負(fù)荷增加，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的原動(dòng)機(jī)也更大，并且必須更費(fèi)力地工作。

如圖1-1（g）所示，原動(dòng)機(jī)被拆除并且壓氣機(jī)由部分燃?xì)怛?qū)動(dòng)，因此只要提供燃料，就能使發(fā)動(dòng)機(jī)自給自足。

圖1-1（h）代表典型的燃?xì)廨啓C(jī)工作原理，進(jìn)氣被壓縮，與燃料混合并被點(diǎn)火，高溫燃?xì)馀蛎浲ㄟ^渦輪，提供機(jī)械功來驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，并且剩余的一些功率用來驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，之后高溫燃?xì)獗慌诺酱髿庵小?/p>

1.2.1.2　發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)設(shè)計(jì)

燃?xì)廨啓C(jī)的工作循環(huán)類似于四沖程活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)。但在燃?xì)廨啓C(jī)中，燃燒是在恒定的壓力下產(chǎn)生的；而在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，燃燒是在恒定的體積下進(jìn)行的。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)都表明，每種情況下都存在吸入（空氣或空氣燃料）、壓縮、燃燒和排氣。在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，這些過程是間歇的，而在燃?xì)廨啓C(jī)中是連續(xù)的。在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，生產(chǎn)功率中只使用一個(gè)沖程，其他沖程被包含在工作流體吸入、壓縮和排出中。比較起來，燃?xì)廨啓C(jī)消除了三個(gè)“無功”的沖程，因此使得更多的燃料能在更短的時(shí)間內(nèi)燃燒。

燃?xì)廨啓C(jī)工作循環(huán)最簡(jiǎn)單的表現(xiàn)形式是壓力-體積圖，如圖1-2所示，這個(gè)過程被稱為布雷頓循環(huán)，在所有的燃?xì)廨啓C(jī)中都發(fā)生這個(gè)過程。

布雷頓循環(huán)各階段工作過程說明如下：

① 點(diǎn)A表示在大氣壓力下的空氣，它沿AB線被壓縮。壓縮發(fā)生在壓氣機(jī)進(jìn)口與出口之間。在此過程中，空氣的壓力和溫度增加。

② 從B到C，通過引入燃料并在等壓下燃燒燃料，把熱量加給空氣，從而顯著增大了空氣的體積。燃燒在燃燒室內(nèi)發(fā)生，在燃燒室內(nèi)，燃料和空氣被混合到易爆炸的比例并點(diǎn)火。

③ 當(dāng)高溫燃?xì)怆x開燃燒室加速時(shí)發(fā)生膨脹，燃燒室內(nèi)的壓力損失由B與C之間的壓力降顯示，這些燃?xì)庖院愣ǖ膲毫M(jìn)入渦輪并通過它膨脹。

④ 從C到D，高溫燃?xì)馔ㄟ^渦輪膨脹并排到大氣中，在循環(huán)的這一部分，超過88%的氣流能量由渦輪轉(zhuǎn)變成機(jī)械功，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管處出現(xiàn)排氣，體積增加，壓力恒定。

1.2.1.3　單軸與雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的比較

圖1-3是傳統(tǒng)的單軸與雙軸裝置示意圖。軸流COMP（壓氣機(jī)）、CT（壓氣機(jī)渦輪）和PT（動(dòng)力渦輪）全是機(jī)械連接的。如果把發(fā)電機(jī)和齒輪箱加到這個(gè)軸上，就會(huì)有一個(gè)具有高慣性矩的軸系，并且這對(duì)于發(fā)電機(jī)是有利的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诖蟮呢?fù)荷波動(dòng)時(shí)，它可以提供電流附加的速度（頻率）穩(wěn)定性。

對(duì)工業(yè)雙軸結(jié)構(gòu)而言，只是壓氣機(jī)和壓氣機(jī)渦輪被連接在一起，并且它們與動(dòng)力渦輪和輸出軸無關(guān)（指在機(jī)械上不連接），以便獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于變速驅(qū)動(dòng)成套裝置，如泵和壓縮機(jī)都是有利的，因?yàn)槿細(xì)獍l(fā)生器可以針對(duì)給定的負(fù)荷以其最佳的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。這種雙軸仍然可用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，但在任何情況下它的負(fù)荷接受能力通常被限制為全輸出功率的1/3。

圖1-4表示一種更復(fù)雜的航改型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)。這基本上仍是一種雙軸結(jié)構(gòu)，但是燃?xì)獍l(fā)生器的核心（原來的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)）被設(shè)計(jì)成具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)低壓軸和一個(gè)高壓軸。

航改型燃?xì)廨啓C(jī)既在機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置中得到了廣泛的應(yīng)用，也在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)前的市場(chǎng)中最著名的發(fā)動(dòng)機(jī)是GE（美國通用電氣公司）生產(chǎn)的LM系列燃?xì)廨啓C(jī)。

1.2.1.4　多級(jí)軸流式壓氣機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理

（1）基本結(jié)構(gòu)

軸流式壓氣機(jī)的通流部分分為三種基本的型式：等內(nèi)徑、等外徑、等平均直徑。等內(nèi)徑的優(yōu)點(diǎn)是每級(jí)平均直徑小而使葉片高，可獲得較高的效率，還易于把通流部分分成幾個(gè)級(jí)組，每個(gè)級(jí)組設(shè)計(jì)成同一葉型以便于加工。等外徑的優(yōu)點(diǎn)是平均直徑逐級(jí)增大，即圓周速度逐級(jí)增大，故每級(jí)的平均做功量大于等內(nèi)徑的而使級(jí)數(shù)較少，其次是氣缸平直且易于加工。等平均直徑的級(jí)數(shù)及效率介于兩者之間。在使用中，有將上述兩種或三種型式混合應(yīng)用的方案，以及用內(nèi)、外徑和平均直徑都在變的型式。在工業(yè)燃?xì)廨喼校瑝簹鈾C(jī)多數(shù)采用等內(nèi)徑的型式。

① 進(jìn)氣機(jī)匣　進(jìn)氣機(jī)匣（氣缸也叫機(jī)匣）中收斂器流道截面不斷縮小，應(yīng)滿足氣流在其中均勻加速的要求，同時(shí)使氣流較為均勻地流入進(jìn)口導(dǎo)葉，以保證壓氣機(jī)達(dá)到良好的性能。進(jìn)氣機(jī)匣一般是鑄造的，應(yīng)注意收斂器流道及筋板表面的清潔處理及打光，而收斂器出口通道則需經(jīng)機(jī)加工來獲得所要求的尺寸。

壓氣機(jī)出口擴(kuò)壓器性能的好壞對(duì)壓氣機(jī)效率有直接影響。在擴(kuò)壓角2γ為10°～12°時(shí)擴(kuò)壓效率較高，這時(shí)軸向尺寸較長(zhǎng)。在機(jī)組的軸向尺寸允許時(shí)，采用直線擴(kuò)壓器較好。但有不少機(jī)組為使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速符合要求，需盡量壓縮機(jī)組軸向長(zhǎng)度來增大轉(zhuǎn)子的剛性，這時(shí)將采用彎曲流道的擴(kuò)壓器。

② 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子　壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)的部件，它把從透平傳來的扭矩傳給動(dòng)葉以壓縮空氣，這一特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子對(duì)強(qiáng)度有較高的要求。剛度問題主要反映在臨界轉(zhuǎn)速上，機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開臨界轉(zhuǎn)速，最大工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速的稱為剛軸，它要求臨界轉(zhuǎn)速高于最大工作轉(zhuǎn)速20%～25%。工作轉(zhuǎn)速高于一階或二階臨界轉(zhuǎn)速的稱為柔軸。對(duì)于工作轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)子，為使在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避開臨界轉(zhuǎn)速，常常希望設(shè)計(jì)成剛軸。應(yīng)指出，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速除與自身的剛性有關(guān)外，還與軸承處的支承剛性密切有關(guān)。對(duì)于用在車、船等運(yùn)輸機(jī)械上的燃?xì)廨啓C(jī)，在工作時(shí)還要承受慣性力、陀螺力矩及沖擊力等，它對(duì)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度和剛度提出更高的要求，使在這些力的作用下不僅強(qiáng)度足夠且變形很小。此外，轉(zhuǎn)子上各零件的連接應(yīng)結(jié)實(shí)可靠，并準(zhǔn)確地相互對(duì)中，以確保安全運(yùn)行。

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式可分為鼓筒式、盤式、盤鼓混合式三種。盤鼓混合式按其連接方式的不同，又可分為焊接轉(zhuǎn)子、徑向銷釘轉(zhuǎn)子、拉桿轉(zhuǎn)子等。另一種分類是把轉(zhuǎn)子分為不可拆卸與可拆卸兩類。在軸向裝配式的機(jī)組中，若裝拆壓氣機(jī)時(shí)要求轉(zhuǎn)子解體的，就必須采用可拆卸轉(zhuǎn)子，而且要求裝拆方便，只有拉桿轉(zhuǎn)子才有可能滿足這些條件。

③ 壓縮機(jī)動(dòng)葉　壓縮機(jī)動(dòng)葉是高速旋轉(zhuǎn)的葉片，又稱為工作葉片，它把透平的機(jī)械功傳給空氣，是壓縮空氣的關(guān)鍵零件。動(dòng)葉和靜葉的好壞對(duì)整臺(tái)機(jī)組有很大的影響，同時(shí)和機(jī)組的安全工作、尺寸、重量等均有很大關(guān)系。動(dòng)葉使用的主要要求有：良好的氣動(dòng)性能、能高效率地壓縮空氣、有較高的機(jī)械強(qiáng)度、能承受巨大的離心力及其他引起的應(yīng)力、在工作中能避免共振或有良好的振動(dòng)阻尼、加工方便、便于裝拆等。

a. 葉身　葉身即葉片的型線部分。目前的葉型都是經(jīng)過大量試驗(yàn)得到的，雖然具體的型線有多種，但都有著共同的特點(diǎn)，即葉型較薄、折轉(zhuǎn)角θ較小（與透平葉型相比），這是由擴(kuò)壓流動(dòng)的特點(diǎn)決定的。亞聲速葉型進(jìn)氣邊頭部因角半徑大些，最大厚度約在靠近進(jìn)氣邊沿弦長(zhǎng)的1/3處，出氣邊則較薄。而跨聲速級(jí)的特點(diǎn)是進(jìn)出氣邊均較尖，目前用得較多的雙圓弧葉型，葉型左右對(duì)稱，進(jìn)出氣邊端部圓角很小。為符合氣動(dòng)要求，動(dòng)葉沿葉高均設(shè)計(jì)成扭轉(zhuǎn)葉片，以獲得高的效率。為改善葉頂處的流動(dòng)狀況，有的還采用頂部中弧過彎結(jié)構(gòu)，這時(shí)葉頂處內(nèi)弧部分削去一部分材料，剩下的是很薄的葉尖，其折轉(zhuǎn)角要比原來的葉型大。因此，葉尖部分的加功量增大，提高了壁面氣流的能級(jí)，增大“唧送”作用，使壁面附面層延遲分離，擴(kuò)大了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，有利于提高壓比及效率。削薄葉頂還允許采用較小的徑向間隙來減少漏氣損失。為降低葉型根部截面處的應(yīng)力以及使沿葉高的應(yīng)力分布差別縮小，動(dòng)葉都設(shè)計(jì)成沿葉高逐漸減薄的結(jié)構(gòu)，有的還適當(dāng)減小葉片弦長(zhǎng)。沿葉高各截面的重心應(yīng)在一條直線上，且希望該線與轉(zhuǎn)子的輻射線不重合而有一夾角，它應(yīng)偏向于背弧一側(cè)，使工作時(shí)產(chǎn)生一離心力彎矩來同氣動(dòng)彎矩相抵消，這也可減小葉根截面處的應(yīng)力。

由于葉片進(jìn)口氣流總是不均勻的，因而葉片要受到周期性變化的力的作用，此即激振力，它將使葉片振動(dòng)。當(dāng)激振力的頻率和葉片的自振頻率相重合時(shí)，葉片就要共振。在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的事故中，葉片因振動(dòng)發(fā)生裂紋甚至斷裂的事故相當(dāng)多，故設(shè)計(jì)時(shí)必須充分注意，應(yīng)使葉片自振頻率避開激振頻率。對(duì)一些長(zhǎng)的壓氣機(jī)葉片來說，由于葉片長(zhǎng)而薄，振動(dòng)應(yīng)力大，在無法避免振動(dòng)時(shí)應(yīng)采取阻尼措施。在葉片上加裝阻尼凸臺(tái)是目前普遍采用的措施。當(dāng)葉片裝在輪盤上后，各葉片上的阻尼凸臺(tái)相互靠著而形成一環(huán)狀箍帶，在葉片振動(dòng)時(shí)，凸臺(tái)接觸面處發(fā)生高頻摩擦而起減振作用。此外，阻尼凸臺(tái)還同時(shí)作為葉片的輔助支點(diǎn)，以降低根部截面的彎曲應(yīng)力。阻尼凸臺(tái)的位置一般在葉高的一半以上，不少機(jī)組在2/3葉高左右。凸臺(tái)的接觸面應(yīng)噴涂硬質(zhì)合金以抗磨損，例如等離子噴涂碳化鎢與純鈷。

某些壓氣機(jī)長(zhǎng)葉片在工作時(shí)還會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，它是葉片在高速氣流中產(chǎn)生的自激振動(dòng)，對(duì)葉片的危害和強(qiáng)迫振動(dòng)是一樣的。但是，顫動(dòng)不可能像發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)那樣通過葉片調(diào)頻或改變激振力的頻率來避開，而主要依據(jù)氣動(dòng)特性改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究來設(shè)法消除。

目前，由于葉片精密成型工藝進(jìn)展迅速，各種復(fù)雜形狀的葉片均可得到且保證質(zhì)量，故設(shè)計(jì)葉片型面主要是考慮和滿足氣動(dòng)及強(qiáng)度的要求，以獲得良好的性能。但是，為了降低加工成本，工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)往往把相鄰幾級(jí)葉片設(shè)計(jì)成同樣的型面，用頂截的辦法來獲得不同的動(dòng)葉高度。于是，壓氣機(jī)就分成了幾個(gè)級(jí)組，每個(gè)級(jí)組為同一種葉型，使整臺(tái)壓氣機(jī)中只有幾種葉型，減少了工藝裝備，降低了制造成本。葉身的加工精度要求高，型面的偏差一般為0.05～0.15mm。葉片表面要拋光，以獲得光滑的流道和提高葉片表面的疲勞強(qiáng)度。

b.葉根　葉根是動(dòng)葉與輪盤連接緊固之處，對(duì)它的要求是：保證連接處有足夠的強(qiáng)度、應(yīng)力集中小、對(duì)輪盤強(qiáng)度的削弱少；連接可靠、保證安裝位置準(zhǔn)確；便于加工、拆裝方便；對(duì)航空機(jī)組來說，還要求葉根重量輕、尺寸小。壓氣機(jī)動(dòng)葉的葉根，按其裝配方式來說，有周向裝入、軸向裝入及插入式等幾種。葉片裝在輪盤的圓周向根槽中，常用于鼓筒式轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子。

葉根的型式包括T形葉根、齒形葉根等。T形葉根的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，加工較方便，但其承截面積較小，主要用于不太長(zhǎng)的葉片。為使葉片能裝入轉(zhuǎn)子上的根槽中，必須在根槽上開專門的槽口。把兩相鄰根槽之間銑出一燕尾形槽口，這兩級(jí)葉片即可從該處裝入轉(zhuǎn)子的根槽中，然后把葉片推至需要的位置。在裝入最后幾片葉片之前，應(yīng)先把鎖緊塊放入槽口內(nèi)，在裝入最后一片葉片后，將鎖緊塊推向兩側(cè)，中間打入楔塊，再用騎縫螺釘把楔塊固定在轉(zhuǎn)子上。這種葉根結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是葉片裝拆不方便。齒形葉根的優(yōu)點(diǎn)是承截面積比T形葉根大，缺點(diǎn)是加工難度要大些。在兩動(dòng)葉之間采用隔葉塊的結(jié)構(gòu)，用隔葉塊使葉片裝配簡(jiǎn)化。原因是葉根及隔葉塊的平行四邊形，其短的一條對(duì)角線與根槽邊的夾角α大于90°，把葉片放入根槽后再按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，葉根就可和根槽相配合，之后再將葉片與已裝好的相鄰隔葉塊推緊。隔葉塊的裝配也一樣。當(dāng)裝至最后的隔葉塊時(shí)，把隔葉塊分為三塊，先裝入兩旁的那兩塊，再打入中間楔塊并沖鉚之，有時(shí)甚至焊住以確保可靠。當(dāng)一個(gè)隔葉塊的位置空著但還不夠裝入一片葉片時(shí)，需要將最后兩個(gè)隔葉塊都做成相同的鎖緊結(jié)構(gòu)，使多空一個(gè)隔葉塊的位置來裝末葉，在末葉裝入后再裝該兩鎖緊隔葉塊。因此，齒形葉根結(jié)構(gòu)不僅葉片裝拆方便，且轉(zhuǎn)子上不需開裝葉片的槽口。但是，當(dāng)葉根平行四邊形的夾角α≤90°時(shí)，就無法將葉根旋轉(zhuǎn)至和根槽相配合的位置，這時(shí)仍需開槽口，裝配方法同T形葉根。

④ 氣封　氣封是減少漏氣的裝置，是壓氣機(jī)氣流通道中不可缺少的部件。透平中亦然，并廣泛用它來控制轉(zhuǎn)子的冷卻空氣流量。氣封的功能是減少漏氣量。但在不同的應(yīng)用部位，它的作用不同。

在壓氣機(jī)的進(jìn)氣端的空氣是被吸入的，即在進(jìn)口導(dǎo)葉處的靜壓低于大氣壓力，因而該處轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙有空氣被吸入。通常該處緊靠著軸承座，運(yùn)行時(shí)將有油霧自軸承座中漏出，正好隨空氣被吸入壓氣機(jī)而粘在葉片表面，形成污垢使效率降低。因此，在該處應(yīng)采取措施，不讓有油霧的空氣被吸入，常用的是氣封封氣裝置，如圖1-5所示。

它從壓氣機(jī)中間某級(jí)引來一股比大氣壓力高的壓力空氣，在氣封中氣流分為兩股，一股流入大氣，另一股流至壓氣機(jī)進(jìn)口回到通流部分中，這時(shí)含有油霧的空氣就不會(huì)被吸入了，該封氣裝置中的氣封起著減少消耗引來的壓力空氣的作用。另有一種是把壓力空氣引到空腔中，然后一部分經(jīng)軸端氣封漏至大氣，另一部分流回通流部分。這時(shí)在進(jìn)口導(dǎo)葉底部與轉(zhuǎn)子之間亦需裝氣封，以減少向通流部分的漏氣。該種引氣方式使A腔中的壓力升高，變?yōu)橐齺砜諝獾膲毫Γ瑫r(shí)起著平衡轉(zhuǎn)子軸向推力的作用。當(dāng)然，也有一些機(jī)組只是采用氣封來減少被吸入的空氣量，而不是用來平衡軸向推力。但是，這時(shí)軸承座處的密封應(yīng)采取措施，以防油霧漏出。

在壓氣機(jī)出口處是高壓空氣，需用氣封來減少漏氣。整體式結(jié)構(gòu)的單軸燃?xì)廨啓C(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子采用兩端支承時(shí)，該氣封正好在壓氣機(jī)出口和透平進(jìn)口之間，作用是控制流到透平中的冷卻空氣量。

有靜葉內(nèi)環(huán)的壓氣機(jī)，由于靜葉出口側(cè)的壓力高于進(jìn)口側(cè)，故出口側(cè)的空氣要從內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子之間的間隙漏至進(jìn)口側(cè)。因此在靜葉內(nèi)環(huán)上要加氣封，以減少漏氣來提高效率。

（2）壓氣機(jī)喘振機(jī)理

① 發(fā)生喘振現(xiàn)象的原因　如果流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量減小到一定程度，那么空氣流量會(huì)忽大忽小，壓力會(huì)時(shí)高時(shí)低，甚至?xí)霈F(xiàn)氣流由壓氣機(jī)倒流到外界大氣中的現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)發(fā)生巨大的聲響，使機(jī)組伴隨強(qiáng)烈的振動(dòng)，這種現(xiàn)象通稱為喘振現(xiàn)象。在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，決不能允許壓氣機(jī)在喘振工況下工作。

那么，喘振現(xiàn)象究竟是怎樣產(chǎn)生的呢？通常認(rèn)為：喘振現(xiàn)象的發(fā)生總是與壓氣機(jī)通流部分中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象有密切關(guān)系。

當(dāng)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，氣流進(jìn)入工作葉柵時(shí)的沖角接近于零。但是當(dāng)空氣體積流量增大時(shí)，氣流的軸向速度就要加大。假如壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速n恒定不變，將會(huì)產(chǎn)生負(fù)沖角（i<0）。當(dāng)空氣體積流量繼續(xù)增大，而使負(fù)沖角加大到一定程度，在葉片的內(nèi)弧面上就會(huì)發(fā)生氣流邊界層的局部脫離現(xiàn)象。但是，這個(gè)脫離區(qū)不會(huì)繼續(xù)發(fā)展。這是由于當(dāng)氣流沿著葉片的內(nèi)弧側(cè)流動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，氣體的脫離區(qū)會(huì)朝著葉片的內(nèi)弧面方向聚攏和靠近，因而可以防止脫離區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。此外，在負(fù)沖角的工況下，壓氣機(jī)的級(jí)壓比有所減小，即使產(chǎn)生了氣流的局部脫離區(qū)，也不至于發(fā)展成氣流的倒流現(xiàn)象。

可是，當(dāng)流經(jīng)工作葉柵的空氣體積流量減小時(shí)，情況將完全相反。那時(shí)，氣流的β₁和α₂角都會(huì)減小。然而，當(dāng)β₁和α₂角減小到一定程度后，就會(huì)在葉片的背弧側(cè)產(chǎn)生氣流邊界層的脫離現(xiàn)象。只要這種脫離現(xiàn)象一出現(xiàn)，脫離區(qū)就有不斷發(fā)展擴(kuò)大的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)氣流沿著葉片的背弧面流動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，存在著一種使氣流離開葉片的背弧面而分離出去的自然傾向。此外，在正沖角的工況下，壓氣機(jī)的級(jí)壓比會(huì)增高，因而當(dāng)氣流發(fā)生較大的脫離時(shí)，氣流就會(huì)朝著葉柵的進(jìn)氣方向倒流，這就為發(fā)生喘振現(xiàn)象提供了前提。

試驗(yàn)表明：在葉片較長(zhǎng)的壓氣機(jī)級(jí)中，氣流的脫離現(xiàn)象多半發(fā)生在葉高方向的局部范圍內(nèi)（例如葉片的頂部）。但是在葉片較短的級(jí)中，氣流的脫離現(xiàn)象卻有可能在整個(gè)葉片的高度上同時(shí)發(fā)生。研究表明：在環(huán)形葉柵的整圈流道內(nèi)，可以同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)比較大的脫離區(qū)，而這些脫離區(qū)的寬度只不過涉及一個(gè)或幾個(gè)葉片的通道。而且，這些脫離區(qū)并不是固定不動(dòng)的，它們將圍繞壓氣機(jī)工作葉輪的軸線，沿著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，以低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。因而，這種脫離現(xiàn)象又稱為旋轉(zhuǎn)脫離（旋轉(zhuǎn)失速）。當(dāng)壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。它最嚴(yán)重的后果是會(huì)使葉片損壞，從而有可能使整臺(tái)壓氣機(jī)破壞。

通過以上分析可以看清：氣流脫離現(xiàn)象（失速）是壓氣機(jī)工作過程中有可能出現(xiàn)的一種特殊的內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)空氣體積流量減少到一定程度后，氣流的正沖角就會(huì)加大到某個(gè)臨界值，以致在壓氣機(jī)葉柵中，迫使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)失速流動(dòng)。那么，在壓氣機(jī)中發(fā)生的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)失速為什么會(huì)進(jìn)一步發(fā)展成為喘振現(xiàn)象呢？

下面用圖1-6來簡(jiǎn)單地說明一下喘振現(xiàn)象的發(fā)生過程。假如壓氣機(jī)1后面的工作系統(tǒng)2可以用一個(gè)容積為V的容器來表示。流經(jīng)壓氣機(jī)的流量可以通過裝在容器出口處的閥門3來調(diào)節(jié)。那么，當(dāng)壓氣機(jī)的工作情況正常時(shí)，隨著空氣體積流量的減少，容器中的壓力就會(huì)增高。但是，當(dāng)體積流量減少到一定程度時(shí)，在壓氣機(jī)的通流部分中將開始產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。假如空氣的體積流量繼續(xù)減小，旋轉(zhuǎn)失速就會(huì)強(qiáng)化和發(fā)展。當(dāng)它發(fā)展到某種程度后，由于氣流的強(qiáng)烈脈動(dòng)，就會(huì)使壓氣機(jī)的出口壓力突然下降。那時(shí)，容器中的空氣壓力要比壓氣機(jī)出口的壓力高，這將導(dǎo)致氣流從容器側(cè)倒流到壓氣機(jī)中去；而另一部分空氣則仍然會(huì)繼續(xù)通過閥門流到容器外面去。由于這兩個(gè)因素的同時(shí)作用，容器的壓力就會(huì)立即降低下來。假如當(dāng)時(shí)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，那么隨著容器壓力的下降，流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣體積流量就會(huì)自動(dòng)地增加上去；與此同時(shí)，在葉柵中發(fā)生的氣流失速現(xiàn)象逐漸消失，壓氣機(jī)的工作情況將恢復(fù)正常。當(dāng)這種情況繼續(xù)一個(gè)很短的時(shí)間后，容器的壓力會(huì)再次增高，流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量又會(huì)重新減少下來，在壓氣機(jī)通流部分中發(fā)生的氣流失速現(xiàn)象又會(huì)再現(xiàn)。上述過程就會(huì)周而復(fù)始地進(jìn)行下去。這種在壓氣機(jī)和容器之間發(fā)生的空氣流量和壓力參數(shù)的時(shí)大時(shí)小的周期性振蕩，就是壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象。

總之，在壓氣機(jī)中出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象是一種比較復(fù)雜的流動(dòng)過程，它的發(fā)生是以壓氣機(jī)通流部分中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象為前提的，但也與壓氣機(jī)后面的工作系統(tǒng)有關(guān)。試驗(yàn)表明：工作系統(tǒng)的體積越大，喘振時(shí)空氣流量和壓力的振蕩周期就越長(zhǎng)，而且對(duì)于同一臺(tái)壓氣機(jī)來說，如果與它配合進(jìn)行工作的系統(tǒng)不同，那么在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生的喘振現(xiàn)象也就不完全一樣。

喘振對(duì)壓氣機(jī)有極大的破壞性，出現(xiàn)喘振時(shí)，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率都不穩(wěn)定，整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，并伴有突發(fā)的、低沉的氣流轟鳴聲，有時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車。倘若喘振狀態(tài)下的工作時(shí)間過長(zhǎng)，壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪葉片以及燃燒室的部件都有可能因振動(dòng)和高溫而損壞，所以在燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程中決不允許出現(xiàn)壓氣機(jī)的喘振工況。最后應(yīng)該指出：喘振和旋轉(zhuǎn)失速是兩種完全不同的氣流脈動(dòng)現(xiàn)象。喘振時(shí)通過壓氣機(jī)的流量會(huì)出現(xiàn)較大幅度的脈動(dòng)。而旋轉(zhuǎn)失速會(huì)造成壓氣機(jī)軸旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流量降低，但通過壓氣機(jī)的平均流量是不變的。

研究表明：當(dāng)壓氣機(jī)在低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的情況下工作時(shí)，在壓氣機(jī)的前幾級(jí)中將會(huì)出現(xiàn)較大的正沖角，而后幾級(jí)中卻會(huì)形成負(fù)沖角。因而當(dāng)空氣流量降低到某個(gè)極限時(shí)，在壓氣機(jī)中容易發(fā)生因前幾級(jí)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速而導(dǎo)致的喘振現(xiàn)象。反之，當(dāng)壓氣機(jī)在高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速情況下工作時(shí)，壓氣機(jī)的后幾級(jí)中則會(huì)發(fā)生正沖角，那時(shí)喘振現(xiàn)象多半是由于發(fā)生在后幾級(jí)中的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象引起的。

最后，對(duì)壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點(diǎn)看法：

a.級(jí)壓比越高的壓氣機(jī)或者是總壓縮比越高和級(jí)數(shù)越多的壓氣機(jī)，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是在這種壓氣機(jī)的葉柵中，氣流的擴(kuò)壓程度比較大，因而也就容易使氣流產(chǎn)生脫離（失速）現(xiàn)象。

b.多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線，而往往可能是一條折線。據(jù)分析認(rèn)為：其原因可能是在不同的轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)入喘振工況的級(jí)并不相同。

c.在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中，因最后幾級(jí)氣流的旋轉(zhuǎn)失速而引起的喘振現(xiàn)象會(huì)更加危險(xiǎn)，因?yàn)槟菚r(shí)機(jī)組的負(fù)荷很高，而這些級(jí)的葉片又比較短，氣流的失速現(xiàn)象很可能在整個(gè)葉高范圍內(nèi)發(fā)生，再加上當(dāng)?shù)氐膲毫τ指撸瑝毫Φ牟▌?dòng)比較厲害，因而氣流的大幅度脈動(dòng)就會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。

d.進(jìn)排氣口的氣流流動(dòng)越不均勻的壓氣機(jī)就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。

② 防止喘振的措施　概括起來說，防止發(fā)生喘振現(xiàn)象的措施有以下五個(gè)方面：

a.在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時(shí)應(yīng)合理選擇各級(jí)之間的流量系數(shù)，力求擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。

b.在軸流式壓氣機(jī)的第一級(jí)或者前面若干級(jí)中裝設(shè)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉，當(dāng)流進(jìn)壓氣機(jī)的空氣流量發(fā)生變化時(shí)，可以關(guān)小或開大可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角γ_p來減小或消除氣流進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)的正沖角，從而達(dá)到防喘的目的。由于在低轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機(jī)的前幾級(jí)最容易進(jìn)入喘振工況，因而通常把壓氣機(jī)的第一級(jí)入口導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成可以旋轉(zhuǎn)的。采用可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的措施不僅可以防止壓氣機(jī)的第一級(jí)進(jìn)入喘振工況，而且還能使其后各級(jí)的流動(dòng)情況得到改善。因?yàn)楫?dāng)壓氣機(jī)動(dòng)葉中氣流的正沖角減小時(shí)，級(jí)的外加功量就會(huì)下降，也就是說，在壓氣機(jī)第一級(jí)出口處空氣的壓力比較低，這樣就可以增大流到其后各級(jí)中的空氣體積流量，使這些級(jí)的氣流沖角適當(dāng)減小，因而有利于改善這些級(jí)的穩(wěn)定工作特性。

c.在壓氣機(jī)通流部分的某一個(gè)或若干個(gè)截面上安裝防喘放氣閥。

鑒于機(jī)組在啟動(dòng)工況和低轉(zhuǎn)速工況下，流經(jīng)壓氣機(jī)前幾級(jí)的空氣流量過少，以致發(fā)生較大的正沖角，而使壓氣機(jī)進(jìn)入喘振工況，于是人們就設(shè)想出在容易進(jìn)入喘振工況的某些級(jí)的后面開啟一個(gè)或幾個(gè)旁通放氣閥，迫使大量空氣流過放氣閥之前的那些級(jí)，那么就有可能避免在這些級(jí)中產(chǎn)生過大的正沖角，從而達(dá)到防喘的目的。

d.合理地選擇壓氣機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)，使機(jī)組在滿負(fù)荷工況下的運(yùn)行點(diǎn)離壓氣機(jī)喘振邊界線有一定的安全裕量。

e.把一臺(tái)高壓比的壓氣機(jī)分解成兩個(gè)壓縮比較低的高、低壓壓氣機(jī)，依次串聯(lián)工作，并分別采用兩個(gè)轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立變化的渦輪來帶動(dòng)的雙軸（轉(zhuǎn)子）燃?xì)廨啓C(jī)方案，可以擴(kuò)大高壓比壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。

總之，通過以上五個(gè)措施，可以防止在壓氣機(jī)中發(fā)生具有破壞性的喘振現(xiàn)象，有利于擴(kuò)大整臺(tái)機(jī)組穩(wěn)定工作的范圍。

1.2.1.5　燃燒室基本結(jié)構(gòu)及原理

燃燒室是組成燃?xì)廨啓C(jī)的又一個(gè)主要部件，燃燒室的功能是保證壓氣機(jī)提供的高壓氣流與外部燃料系統(tǒng)注入的燃料充分混合燃燒。燃燒室結(jié)構(gòu)通常由下列部件組成：外殼、火焰管、火焰穩(wěn)定器、燃料噴嘴、點(diǎn)火設(shè)備和觀察孔等。燃燒室的型式按布置方式可劃分為分管型、環(huán)型、環(huán)管型、管頭環(huán)型、雙環(huán)腔型和圓筒型等。按氣流通過燃燒室的流程來劃分，又可分成直流式、回流式、角流式和旋風(fēng)式等。

對(duì)于典型的“管式”燃燒室，火焰穩(wěn)定的流譜如圖1-7所示，大多數(shù)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)以圓周方向排列不同數(shù)目的火焰筒（管）的型式使用這種型式的燃燒室，航改型燃?xì)廨啓C(jī)已從這種設(shè)計(jì)演變到一種單環(huán)燃燒室，多個(gè)燃料噴嘴沿圓周方向均勻分布，全部等壓燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室均依據(jù)同樣的原理工作。

為了使系統(tǒng)能有效地工作，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室必須滿足以下三個(gè)主要的功能：

① 保護(hù)燃燒室外機(jī)匣免受對(duì)流和輻射的傳熱，這是因?yàn)樵摍C(jī)匣是一個(gè)壓力容器。

② 減小空氣速度到能使火焰穩(wěn)定的量級(jí)。

③ 在熱燃?xì)鉀_擊到渦輪靜止的和旋轉(zhuǎn)的組件的部件上以前，把燃燒產(chǎn)物溫度降到可接受的范圍。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正以滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在火焰的頂部（末端）接近1760℃，在燃燒室結(jié)構(gòu)內(nèi)的金屬材質(zhì)無法承受這一范圍內(nèi)的溫度。所以，在燃燒室內(nèi)壁和外壁之間設(shè)計(jì)空氣流通通道，用于冷卻和火焰成形，流入內(nèi)室的空氣通過小孔被引導(dǎo)，使火焰在燃燒室內(nèi)成形，防止它與燃燒室（火焰筒）壁接觸，進(jìn)入燃燒室的82%空氣流用于冷卻和火焰成形，僅僅18%被用作燃料燃燒。

在設(shè)計(jì)條件下，燃燒室內(nèi)火焰的穩(wěn)定性是極為重要的，當(dāng)火焰鋒面以高的頻率前進(jìn)和后退時(shí)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的火焰。這引起一個(gè)壓力波系，該波系將加速渦輪熱部分的機(jī)械疲勞破壞。按照?qǐng)D1-8所示，通過設(shè)計(jì)可以避免出現(xiàn)這種情況，從圖說明中可以看到，如果燃燒室被限定在穩(wěn)定性回路內(nèi)的質(zhì)量流量和空氣/燃料比的整個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)行，則火焰將穩(wěn)定運(yùn)行。該回路的邊界同時(shí)指示了出現(xiàn)不穩(wěn)定性的條件。

1.2.1.6　透平葉片基本結(jié)構(gòu)及原理

透平葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的又一主要部件，它的功能是將高溫高壓燃?xì)庵械哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其中約3/5～2/3的能量用以帶動(dòng)空氣壓氣機(jī)壓縮空氣，其余的能量則作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率以帶動(dòng)負(fù)載。

透平葉片分成向心式、軸流式等。由于向心式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且單級(jí)功率有限又難以串接多級(jí)，所以實(shí)際使用的機(jī)組主要采用軸流式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。其特點(diǎn)是功率大、流量大、效率高。向心式透平是一種徑流透平，主要在一些小功率燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用。相對(duì)于壓氣機(jī)來說，透平的一個(gè)顯著不同是工作氣體溫度高。目前，工業(yè)用燃?xì)馔钙綑C(jī)透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟葹?00～1100℃，而航機(jī)還要高，最高已在1400℃以上。另一個(gè)不同是透平級(jí)中能量轉(zhuǎn)換大，如部分透平焓降高達(dá)75kcal/kg（1kcal＝4186.8J），因而透平級(jí)的氣動(dòng)負(fù)荷大，整個(gè)透平的級(jí)數(shù)少。一些小功率燃?xì)廨啓C(jī)的透平只有一級(jí)，而大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)的透平則為2～4級(jí)，多的達(dá)5～7級(jí)，我們所使用的為4級(jí)透平。多數(shù)透平的通流部分，通常用的是等內(nèi)徑或等平均直徑流道，或與該兩者相近的流道，等外徑的則應(yīng)用較少。

與壓氣機(jī)相類似，氣流在透平中流動(dòng)的通道也是由靜葉片和動(dòng)葉片交替排列而成的。雖然壓氣機(jī)和透平都是由動(dòng)、靜葉片組成，但二者本質(zhì)上是不同的，壓氣機(jī)的動(dòng)、靜葉片組成一個(gè)沿軸向逐漸收縮的通道，使空氣由外界吸入后逐級(jí)被壓縮，而透平的動(dòng)、靜葉片組成一個(gè)沿軸向逐漸擴(kuò)張的通道，使高壓、高溫燃?xì)庠谶@個(gè)通道中逐級(jí)膨脹做功。由于透平的工作溫度相比壓氣機(jī)的工作溫度要高得多，所以透平的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在考慮冷卻、熱膨脹等問題上要做出特殊處理。一般來說，透平進(jìn)口的幾級(jí)靜葉采用一定的冷卻，尤其是與燃燒室出口相連的首級(jí)燃?xì)鉁u輪靜葉。一般都在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在壓氣機(jī)的某一級(jí)出口處引出部分壓縮空氣到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為冷卻空氣，用于冷卻透平葉片、葉片輪盤等熱部件。

（1）透平靜葉

透平靜葉又稱噴嘴，在航機(jī)中叫作導(dǎo)向葉片，它的作用是使高溫燃?xì)庠谄渲信蛎浖铀伲讶細(xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，然后推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功。

工作時(shí)，透平靜子所處的條件是很惡劣的，最主要的是被高溫燃?xì)馑鼑貏e是第1級(jí)靜葉，它所接觸的是溫度最高且溫度差別最大的氣體。在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，它又是受到熱沖擊最為厲害的零部位。因此，要求靜葉必須滿足耐高溫、耐熱腐蝕、耐熱沖擊、耐熱應(yīng)力、具有足夠的剛度和強(qiáng)度等要求。

耐高溫和耐熱沖擊首先是靠材料的性能來保證。目前，工作溫度在800℃以上的高溫的靜葉，國外廣泛采用鑄造鈷基合金，它不僅有好的高溫機(jī)械性能和好的抗熱腐蝕性能，還有好的抗熱疲勞性能，而且鑄造工藝性能好。透平靜葉廣泛采用精鑄葉片，在它的葉身兩端整體鑄有外緣板和內(nèi)緣板，在它們上面還有安裝邊。內(nèi)外緣板和安裝邊的作用是安裝固定靜葉，以及把燃?xì)馀c安裝它的零部件隔開。為減少葉身的熱應(yīng)力，對(duì)處于高溫部件的靜葉，通常采用空心鑄造葉片。空心葉片的葉身材料顯著減薄，厚度趨于均勻，使葉身的熱應(yīng)力降低，并且還提高了抗熱沖擊的能力。靜葉由于工作溫度高和溫度場(chǎng)的不均勻，在葉片剛度不夠時(shí)較易發(fā)生扭曲和彎曲變形，單片靜葉的剛性較差，在運(yùn)行時(shí)易發(fā)生故障，當(dāng)采用葉片時(shí)，則靜葉的剛性明顯增強(qiáng)，從而可有效地避免故障。

目前，靜葉的固定方式主要是直接固定方式，雖然這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻存在著重大缺陷，即透平氣缸直接與燃?xì)庀嘟佑|，因而氣缸工作溫度高。隨著燃?xì)獬鯗氐牟粩嗵岣撸鲜鋈秉c(diǎn)越來越嚴(yán)重，因而被淘汰了。所以透平靜葉的固定方式最常采用持環(huán)結(jié)構(gòu)。持環(huán)又稱隔板套，是專門安裝固定靜葉的零件，靜葉安裝在持環(huán)上，持環(huán)再固定在氣缸上。

（2）透平動(dòng)葉

透平動(dòng)葉是把高溫燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機(jī)械功的關(guān)鍵部件之一，工作時(shí)，動(dòng)葉不僅被高溫燃?xì)馑鼑矣捎诟咚傩D(zhuǎn)而產(chǎn)生巨大的離心力，同時(shí)還承受著氣流的氣動(dòng)力，以及較多作用力可能引起的振動(dòng)等，當(dāng)燃?xì)鉁囟妊刂車痪鶆驎r(shí)，將使動(dòng)葉承受周期性的溫度變化，這在第一級(jí)動(dòng)葉中較明顯。此外，動(dòng)葉還要承受高溫燃?xì)庖鸬母g和侵蝕，因而透平動(dòng)葉的工作條件是很惡劣的，它是決定機(jī)組壽命的主要零件之一。

透平動(dòng)葉是用耐熱材料的鍛造毛坯經(jīng)過機(jī)加工得來。近來，由于鑄冶鑄造工藝的進(jìn)展以及耐高溫的鎳基鑄造合金的發(fā)展，透平現(xiàn)已大多數(shù)采用精鑄動(dòng)葉，用空氣內(nèi)部冷卻的動(dòng)葉。精鑄葉片不僅比鍛造擠壓葉片的工藝簡(jiǎn)便，且能獲得復(fù)雜的內(nèi)部冷卻空氣流道的形狀，增強(qiáng)冷卻效果，因而優(yōu)點(diǎn)甚為顯著。通常，用無裕量精鑄得到的葉片葉身只需拋光即可，葉根由于精度要求高還需經(jīng)加工得到。動(dòng)葉的基本結(jié)構(gòu)為葉身扭轉(zhuǎn)，頂部帶冠，根部是帶工字形長(zhǎng)柄的樅樹形葉根，在葉根兩側(cè)和葉冠上有氣封齒。由于透平中能量轉(zhuǎn)換大，即氣流速度高且轉(zhuǎn)彎折轉(zhuǎn)大，故相對(duì)于壓氣機(jī)葉型來說，透平葉型厚且折轉(zhuǎn)角大，就透平自身的葉型來說，由于級(jí)中反動(dòng)度的不同，分為沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)，沖動(dòng)級(jí)的焓降要比反動(dòng)級(jí)的大，故沖動(dòng)級(jí)的葉片更為厚實(shí)，折轉(zhuǎn)角更大。透平動(dòng)葉的葉冠全部拼合起來就會(huì)在葉頂處形成一個(gè)環(huán)帶，將燃?xì)庀拗圃谌~片流道內(nèi)流動(dòng)，有利于提高透平的效率，還可以對(duì)透平振動(dòng)起阻尼作用。

（3）透平冷卻系統(tǒng)

從燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理知，燃?xì)獬鯗貙?duì)機(jī)組效率有很大影響，燃?xì)獬鯗馗邥r(shí)效率高。故人們總希望用高的燃?xì)獬鯗亍Ｄ壳埃藗儚膬蓚€(gè)方面努力來不斷提高燃?xì)獬鯗兀阂环矫媸遣粩嘌兄菩碌哪透邷氐暮辖鸩牧希涣硪环矫媸遣捎美鋮s葉片并不斷地提高其冷卻效果。

冷卻葉片的方法有兩類：一類是以冷卻空氣吹向葉片外表進(jìn)行冷卻；另一類是把冷卻空氣通入葉片內(nèi)部的專門流道進(jìn)行冷卻。前面的葉根間隙吹風(fēng)冷卻就是外表冷卻，它對(duì)葉根的冷卻很有效，而葉身則是通過葉片本身的熱傳導(dǎo)把熱量傳至葉根而被冷卻，故只有在靠近葉根處的葉身能得到一定冷卻，其余部分葉身的冷卻效果很差。這種冷卻一般可使葉身的根部截面溫度比該處的燃?xì)鉁囟鹊?0～100℃左右。

把空氣引入葉片內(nèi)部的冷卻方式，則能使葉片沿整個(gè)葉高都得到冷卻，且可獲得降溫100℃以上乃至數(shù)百攝氏度的冷卻效果。因而葉片內(nèi)部冷卻能有效地提高燃?xì)獬鯗亍?/p>

圖1-9為GE公司MS9001燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻系統(tǒng)圖，該機(jī)組的燃?xì)獬鯗卦诨矩?fù)荷時(shí)為1004℃，尖峰負(fù)荷時(shí)可達(dá)1065℃，其一級(jí)靜葉和動(dòng)葉為冷卻葉片。該透平上裝有一個(gè)持環(huán)和三列分段護(hù)環(huán)，第一級(jí)靜葉裝在持環(huán)上，另兩級(jí)靜葉則裝在護(hù)環(huán)上，氣缸與燃?xì)馔耆艚^。轉(zhuǎn)子是外圍拉桿結(jié)構(gòu)，在三級(jí)輪盤之間的兩個(gè)小輪盤外緣加工有氣封槽，其一端側(cè)面加工有多條均布槽道以通過冷卻空氣。各級(jí)動(dòng)葉均用工字形截面的長(zhǎng)柄樅樹形葉根。

該機(jī)組的壓氣機(jī)共十七級(jí)，按照透平冷卻部位所需壓力的高低，冷卻空氣自壓氣機(jī)的不同處引來，氣缸及靜葉的分兩股，轉(zhuǎn)子的分三股。靜子冷卻的第一股空氣自壓氣機(jī)出口，經(jīng)燃燒室的燃?xì)鈱?dǎo)管周圍空腔引來。其中一部分流入持環(huán)，再流入一級(jí)靜葉內(nèi)部冷卻后，自靜葉出氣邊的小孔排至主燃?xì)饬髦小Ａ硪徊糠纸?jīng)一級(jí)動(dòng)葉的護(hù)環(huán)流入二級(jí)靜葉頂部空腔，再經(jīng)二級(jí)靜葉內(nèi)的孔道流至靜葉內(nèi)環(huán)，對(duì)一級(jí)輪盤出氣側(cè)和二級(jí)輪盤進(jìn)氣側(cè)進(jìn)行冷卻。第二股冷卻空氣自壓氣機(jī)第十級(jí)后引來，通過氣缸上均布的一圈孔道對(duì)氣缸進(jìn)行冷卻。

轉(zhuǎn)子的冷卻空氣，分別引至其進(jìn)氣側(cè)、轉(zhuǎn)子內(nèi)部、排氣側(cè)。進(jìn)氣側(cè)處空氣自壓氣機(jī)出口引來，用軸向間隙中的氣封來控制其流量。出氣側(cè)面引來的是一股低壓冷卻空氣。轉(zhuǎn)子內(nèi)部的冷卻空氣自壓氣機(jī)第十六級(jí)后引來，經(jīng)轉(zhuǎn)子上的孔流入轉(zhuǎn)子中間，大部分經(jīng)第一個(gè)小輪盤的流道流至一級(jí)動(dòng)葉根部，進(jìn)入動(dòng)葉內(nèi)部冷卻后自葉頂排至主燃?xì)饬髦小Ａ硪徊糠纸?jīng)第二個(gè)小輪盤的流道去冷卻二級(jí)輪盤的出氣側(cè)及三級(jí)輪盤的進(jìn)氣側(cè)。

從上述看出，該透平的氣缸不僅與燃?xì)飧艚^，且得到了良好的冷卻。靜子的其他部件，如持環(huán)和前兩列護(hù)環(huán)也得到了冷卻。而轉(zhuǎn)子，由于各級(jí)輪盤的所有表面全部被冷卻空氣所包圍，與燃?xì)飧艚^，也得到了良好的冷卻。