涡轮的冷却与平衡空气的优化

涡轮的冷却和平衡空气，主要来自燃烧室分配的次级空气流，约占压气机输送的空气流量总量的75%～80%，这部分空气流中的大部分在燃气涡轮导向器前面与燃气流混合，降低了燃气流的温度，也增加了气流的质量流量，对燃气涡轮做功。这部分空气流的小部分参与冷却和平衡，如图5.11所示，对涡轮中的某些需要冷却部件进行空气冷却，并以此平衡燃气涡轮转子的正向推力。也就是说，并非所有输送到燃烧室外机匣内的次级空气流都流向燃烧室的火焰筒内部。在燃烧室火焰筒与燃烧室外机匣之间所形成的环形通道中，有一小部分空气继续向前流动，被输送到燃气涡轮支架，在这里根据需要对冷却空气和平衡空气进行计量和定向。

图5.11　涡轮冷却和平衡空气流程

第1级涡轮喷口和1级涡轮喷口隔板护罩各有鞍座，鞍座装配在一起，在燃气涡轮支架的5个径向支柱周围形成环形通道。冷却空气通过这些环形通道并沿着发动机中轴线，进入由第1级涡轮口隔板护罩、第1级涡轮喷口、燃气涡轮支架集油壳和燃气涡轮支架中心轮毂部分形成的腔体。1点钟、3点钟和9点钟方向的径向支柱在前缘上有额外的槽口，引导冷却空气通过空心支柱进入该空腔。此举降低了支柱的温度和涡轮支架热膨胀的几何尺寸变化。第1级涡轮喷口的隔膜部分有一个孔，用于测量输送到第1级涡轮盘背面的冷却空气的流出量。大部分冷却空气流向第1级涡轮叶片的底部，然后在那里与主排气流汇合。其中一部分冷却空气流向发动机中轴线，经过第1级涡轮盘的后表面，流向8号轴承迷宫封严。空气流通过该密封件移动至8轴承，并与润滑油一起从燃气涡轮支架的集油壳中排出。通过8号轴承迷宫式封严的合成压差使空气流通过封严流向轴承，防止滑油从集油壳泄漏。

穿过第2级涡轮喷口8个导向叶片的芯核通道，通过第2级涡轮喷口内环带后侧的孔，将冷却空气从环形室输送到第1级涡轮盘的下游侧。

冷却空气与来自上游来流气流一部分的进气流进行混合。混合气的一部分空气流，穿过迷宫式封严，流到过第1级涡轮盘的前表面，然后流过第2级涡轮盘的背面进入主排气流。迷宫式封严由第2级涡轮喷口形成，该喷口有1个隔膜，覆盖着第1级和第2级涡轮盘上的迷宫式封严刀片。(www.xing528.com)

燃气涡轮转子平衡空气来自燃气涡轮支架区域。燃气涡轮支架包括一个空气环，位于第2级喷嘴外环带的外侧，该空气环将平衡空气输送到动力涡轮支架的两个槽口流道中。动力涡轮支架有5个空心径向支柱。其中2个支柱将平衡空气送入由动力涡轮支架和第2级涡轮盘形成的推力平衡室。动力涡轮支架和第2级盘形成3个迷宫式封严。第2级涡轮盘的前表面有3组迷宫式封严刀片，该封严刀片由动力涡轮支架覆盖防护。从推力平衡室泄漏的空气流，可通过其中2个迷宫式封严，将泄漏量降到最低。空气流通过其中2个封严的流向第2级涡轮盘叶片的根部，并在此与主排气流进行汇合。通过另2个封严件的空气流，提供用于迷宫封严压力的空气。推力平衡室中的空气压力作用于第2级涡轮盘的正面，与燃气涡轮盘的正向推力进行反向抵触。因此，平衡空气减少了8号轴承的轴向负荷。

动力涡轮支架集油壳盖遮盖着两主旋转迷宫封严刀，其旋转部分是动力涡轮转子总成的一部分。来自推力平衡室的空气通过动力涡轮支架中的通道输送至集油壳盖。集油壳盖有4个槽口流道，将平衡室空气引入封严腔体，从而减少封严件周围的涡轮炙热气体流量。封严腔中的少量空气可沿两个方向流动：一个是流向第3级涡轮盘，另一个是流向集油壳盖。

用于建立迷宫式封严压力的大部分空气是由推力平衡室提供的，这个平衡室是由动力涡轮支架和第2级涡轮盘之间形成的迷宫式封严构成的。通过两个利用迷宫封严压力的迷宫式封严件，将滑油保留在动力涡轮支架的集油壳中。其中，一个是由动力涡轮支架和第2级涡轮转轴上的小直径刀片封严形成的，另一个是由集油壳盖和动力涡轮转子的旋转迷宫封严件组成。迷宫封严压力略高于动力涡轮支架滑油集油壳内的压力。由于这个气压差存在，空气通过两个迷宫式封严进入集油壳，从而防止滑油从集油壳中泄漏。集油壳内的滑油通过涡轮的外部环形通道排放至压气机联轴器，再排放到附件齿轮箱的内部。

第3级和第4级涡轮级中的气体温度足够低，因此不需要向第3级涡轮盘或第4级涡轮盘的正面提供冷却空气。但是，有必要在第4级涡轮喷口与动力涡轮转子之间安装迷宫式封严，以尽量减少通过第3级涡轮盘前表面和第4级涡轮盘背面的排气流量。这种迷宫式封严由第3级涡轮盘上的旋转刀片和第4级涡轮喷口的隔膜部分组成。

第3级和第4级涡轮叶片有带旋转刀片的护罩，由第4级涡轮喷口隔板覆盖。这些迷宫式封严将流经第3级和第4级涡轮叶片叶尖区域的排气泄漏降至最低，从而提高了涡轮效率。

第3级和第4级涡轮盘之间安装有一个金属环形封严件，该封严件通过花键与涡轮盘连接在一起，防止热气泄漏到动力涡轮转子的流道孔中。