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1、对涡轮盘材料的需求及展望1对涡轮盘材料的需求及展望江和甫(中国燃气涡轮研究院,成都610500)摘要:在航空燃气涡轮发动机中,涡轮部件的工作条件最为苛刻,特别是涡轮转子,要在高温、高压、高转速和高气流速度下工作。涡轮转子的工作能力直接影响发动机的基本性能和可靠性。分析了发动机设计对涡轮盘材料的需求,展望了涡轮盘材料的发展趋势。关键词:燃气涡轮发动机;涡轮盘;材料需求;展望中图分类号:V252文献标识码:ARequirementsandForecastofTurbineDiskMaterialsJIANGHe-fu(ChinaGasTurbineEstablishment,Chengdu6
2、10500)Abstract:Ingasturbineengine,theoperationalconditionsaremostcriticalforturbine,especiallyforturbinerotorwhichmustoperateatsignificantlyhightemperature,pressure,speedandflowvelocity.Theoperationalcapabilityofturbinerotorhasadirecteffectonengineperformanceandstability.Thispaperanalyzesrequire-
3、mentsforturbinediskmaterialsfromenginedesignandforecastsitsdevelopment.Keywords:gasturbineengine;turbinedisk;materialrequirement;forecast1航空燃气涡轮发动机的发展趋势军用航空燃气涡轮发动机,通常可以用其推重比(推力P重量)综合地评定发动机的水平。推重比的发展趋势见图1。提高推重比的主要(与本文内容相关的)技术途径见图2。图2提高推重比的主要技术途径图1推重比的发展趋势图3涡轮前温度逐年增加趋势收稿日期:2002-07-16;修回日期:2002-09-0
4、92燃气涡轮试验与研究2002年第15卷第4期涡轮前燃气涡温度对发动机推重比有最直接、突出的判别依据之一。从表1可以很清楚地看出这最显著的影响。军用航空燃气涡轮发动机的涡轮前一点。温度不断提高(见图3),并已成为发动机划/代0时最表1各/代0发动机的涡轮工作条件/代0别ÒÓÔÕ推重比5~67~89~1015~20涡轮前温度(K)1250~14001600~17501850~19502250~2350压气机出口总温650~700800~900850~950950~1200*(K)涡轮盘工作温度600650700780~950(e)双性能粉末冶金粉末冶金纤维增强超合金变形高温合金材料高温合金
5、纤维增强超合金O相TiAl粉末冶金变形高温合金陶瓷(耐1093~1371e)*表中为典型军用发动机数据,民用发动机的压气机出口温度更高由于涡轮前温度已超出当时叶片、轮盘材料的计划中,新材料的研究占有重要地位。关于该计划承受能力,对涡轮部件,特别是高压涡轮,一般都要的情况,国内已有较多介绍,本文不再赘述。该计划采取冷却措施。冷却空气取自压气机出口。涡轮盘中有关涡轮盘材料的研究方向将在下面介绍。在采取隔热和冷却措施后,其工作温度一般等于或略低于压气机出口温度。在设计时除了选用较高的2对涡轮盘材料的基本要求涡轮前温度之外,为了获得高的单位推力和低的耗涡轮盘在高温工作环境下承受高的轮缘载荷油率,
6、需要提高增压比,为此引起压气机出口空气温(由涡轮叶片的离心负荷引起),且本身在高转速下度相应提高。这对于追求低耗油率的民用发动机更旋转,工作条件十分苛刻。提高涡轮转速可以减少为突出。冷却空气温度过高时,有些发动机先将引涡轮的级数,或提高涡轮效率,涡轮转速主要受涡轮自压气机出口的空气冷却降温后再用来冷却涡轮部叶片和涡轮盘材料的强度水平限制。涡轮盘的轮缘件,以求在同样的材料承温能力下选取较高的涡轮2载荷大小可以用表征涡轮叶片根部应力的An值来前燃气温度。在对涡轮部件冷却过程中,伴随着能衡量,其中A为涡轮转子通道面积m2,n为涡轮转量损失,使发动机推力减小、耗油率增大,随着涡轮2速rPmin。
7、推重比8以下的发动机通常An不超过前温度的提高,冷却空气用量也随之增加,能量损失225,推重比10发动机中,An已高达30以上。这意更大。因此,发动机设计人员总是希望有承受温度味着涡轮盘轮缘负荷将增大20%以上。更高的材料可供选用,以节省冷却空气用量,提高发航空发动机的研制成本和生产成本都很高。因动机的循环效率。冷却技术的改进可以缓解对材料此,既要求零件的材料和制造成本尽量低,同时,为的高要求,但又往往需要有更高的制造技术的支持。了
