Газовые турбины: конструктивные параметры и компоновки.

Газовые турбины предназначены для преобразования потенциаль­ной энергии газового потока в механическую, необходимую для при­вода компрессора, агрегатов двигательных и самолетных систем и воздушного винта (в ТВД).

Основными требованиями, предъявляемыми к газовым турбинам, является:

- высокая надежность работа на всех возможных эксплуатационных режимах и большой ресурс;

- малая масса и габариты;

- высокий КПД;

- технологичность конструкции, обеспечивающая низкую стои­мость производства, ремонта и обслуживания.

Компоновка

В конструкциях современных и перспективных ГТД преимущественное применение получила осевая газовая турбина, в большинстве случаев многоступенчатая, позволяющая про­пускать большие расходы высокотемпературного газа при прием­лемых габаритных размерах и массе. Радиальные центростреми­тельные турбины в ГТД используются лишь для малоразмерных двигателей вследствие их больших габаритных размеров, а сле­довательно, и большей массы. В одновальных ТРД, ТРДФ, ТВД при сравнительно невысо­ких значениях π_к число ступеней турбины, как правило, не пре­вышает трех при консольном или межопорном расположении дисков. В ТРДД и ТРДДФ при числе роторов 2... 3 число сту­пеней возрастает до 4... 8.

В настоящее время для трехвальных ГТД сложилась следу­ющая классификация турбин: турбины высокого давления, сред­него давления и низкого давления.

Турбина, обеспечивающая вращение вала ВИШ (винта изме­няемого шага) в ТВД или выходного вала в турбовальном двига­теле, мощность которой используется для привода отдельного агрегата, называется свободной турбиной.

Наибольшие трудности вызывает создание охлаждаемых тур­бин высокого давления, в которых стремятся ограничиться числом ступеней z = 1... 2. При этом должна быть обеспечена требуемая прочность рабочих лопаток и дисков несмотря на значительные температуры газа

Конструктивные параметры

Одним из важнейших, конструктивных параметров ступени является относительная длина лопаток рабочего колеса и связанное с этим параметром втулочное отношение d_t.

Оба параметра однозначно связаны с величиной потерь в проточной части, организацией охлаждения лопаток и, главное, их прочностью:

или

 

 

Для турбин ТРД, ТРДФ, ТВД характерны значения Dср\ l = 6... 11

Для первых ступеней ТРДД с боль­шой степенью двухконтурности лопатки относительно короткие: Dср\ l = 14... 20

Для последних ступеней современных ТРД и ТВД эта величина составляет Dср\ l = 4... 8

Не менее важным конструктивным параметром ступени яв­ляется удлинение лопаток l^{c черточкой}=l/b т. е. отношение длины лопатки l в выходном сечении к величине хорды b на среднем радиусе.

Относительная длина лопатки рабочего колеса в значительной степени определяет ее прочность. Так, если оценивать в первом приближении прочность по корневому сечению, то видно, что с увеличением длины лопаток l при заданном среднем диаметре Dсррезко возрастает напряжение растяжения и для сохранения необходимого запаса прочности необходимо либо снижение

окружной скорости на среднем диаметре u_ср, либо увеличение среднего диаметра с одно­временным снижением частоты вращения ротора n_T (сохраняя u_ср).

Конструктивное совершенство турбины характеризуется вели­чиной ее удельной массы m_T=M_T/N_T, где — масса турбины,N_T— развиваемая ею мощность. Величина m_T по статистическим данным составляет 0,01 … 0,03 кг/кВт.

В то же время характерным параметром является относительная удельная масса m_T^{c чертой}=M_T/M_дв, т. е. масса турбины, отнесенная к массе этого двигателя

При выборе числа лопаток учитывают ряд факторов, таких как оптимальная густота решетки и ее изменение по длине ло­патки, условие размещения лопаток на диске, наличие либо отсутствие охлаждения и принимаемое конструктивно-технологи­ческое решение схемы охлаждения, требуемая прочность и вибро­прочность, экономическое обоснование.

Уменьшение числа лопаток, например, может диктоваться стремлением снизить потребность в дорогостоящих материалах.

ВОЗДУШНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ.

На КПД компрессора существенным образом влияет перетекание воздуха между ступенями из области с более высоким давлением в область с меньшим давлением и из-за последней ступени. Для уменьшения влияния этого явления на характери­стики компрессора применяют лабиринтные уплотнения. Работа лабиринтного уплотнения основана на создании большого ги­дравлического сопротивления на пути перетекающего воздуха — многократного дросселирования воздуха при течении его через каналы с резко меняющимися проходными сечениями (рис. 3.57). Однако полностью изолировать области с разными давлениями с помощью лабиринтного уплотнения невозможно. Оно лишь уменьшает расход воздуха при перетекании из области с высоким давлением в область с низким давлением до допустимых значений.

Рис. 3.57. Схемы лабиринтных уплотнений.

Эффективность лабиринтного уплотнения зависит от формы и наклона гребешков, их числа z, перепада давлений, уплотняемых полостей, величины зазора δ (см. рис. 3.57) и определяется рас­ходом перетекающего воздуха

С уменьшением зазора δ и увеличением числа гребешков эффективность лабиринтного уплотнения возрастает. Для сниже­ния количества перетекающего между ступенями воздуха до приемлемой величины достаточно 3... 5 гребешков. При больших перепадах (за последней ступенью компрессора) их число должно быть существенно увеличено. Но чтобы не увеличивать длину уплотнения, лабиринты можно устанавливать в два и три яруса. Эффективность уплотнения существенно повышается при использовании гребешков с наклоном. Самым эффективным является уплотнение с гребешками переменной высоты и соответственно ступенчатой втулки (см. рис. 3.57, № 4). Однако это уплотнение требует разъема неподвижной втулки для обеспечения сборки. На величину расхода воздуха через уплот­нение существенно влияет форма кромок гребешков. Поскольку даже небольшое скругление вызывает заметное снижение эффек­тивности уплотнения, то их притупление недопустимо, что и должно указываться в рабочих чертежах.

Для повышения эффективности уплотнения зазор δ должен иметь минимально возможную величину. Задевание гребешков о неподвижное кольцо вызывает их большой износ, нагрев и по­вреждение. Для обеспечения работоспособности уплотнения при минимальном и даже нулевом зазорах гладкое кольцо должно иметь специальное мягкое, легко прирабатываемое покрытие — графоталькированное или графитоалюминиевое. При мягком по­крытии гребешки при касании могут прорезать в нем канавки, не приводя к стопорению ротора.

40 Соединения дисков и валов.

Конструкция соединения обеспечивает: 1) надежную передачу в стыках деталей ротора всех действующих нагрузок; 2) обеспечить достаточную жесткость соединения без раскрытия стыков; 3) надежную взаимную соосность стыкуемых деталей; 4) фиксацию от смещений для сохранения допустимого значения дисбаланса как в работе, так и при переборках; 5) минимальную передачу тепла от нагретых деталей к подшипникам и др.

Все типы используемых соединений делятся на 2 группы: разборные соединения и неразборные соединения, что в основном определяется требованиями сборки и разборки узла турбины при ее конкретной компоновочной схеме.

К числу разъемных соединений относятся широко распространенные фланцевые соединения с использованием торцевых шлиц (рис. 4.43, а), призонных болтов (рис. 4.43, в), призонных втулок (рис. 4.43, г) при стягивании деталей болтами и фланцевых соединений с прилежными штифтами (рис 4.43, б) и соединений по эвольвентным шлицам (рис. 4.43, в).

Рис. 4.42. Конструктивные варианты соединения элементов ротора по цилиндрическому пояску с использованием радиальных штифтов: а — по одной посадочной поверхности; б — вильчатый вариант; в — разборный вариант; г — соединение из трех деталей в одном узле с отклонением оси штифта от радиального.

К числу неразъемных соединений относится: 1) соединение с ис­пользованием радиально расположенных штифтов (рис. 4.42). 2) неразъемные роторы, в которых уменьшается количество деталей, снижается стоимость изготовления и масса ротора в результате использования современных видов сварки, проставочных колец, валов и цапф, обеспечивающих высокое сопротивление усталости исходного материала в зоне соединения. Это достигается при таких видах сварки, как вакуумная, инерционная (сварка трением), электронно-лучевая и другие виды, обеспечивающие малую зону расправления в месте стыка сварки. Такой ротор имеет повышенную изгибную жесткость и лучше сохраняет допустимый дисбаланс из-за отсутствия сдвигов и смятия, возможных при болтовых соединениях.

При проектировании любого из рассмотренных типов соединений необходимо знать значения сил и моментов, действующих в месте стыка, а именно:

— крутящий момент М_кр, даН·см;

— осевое газодинамическое усилие Р_a, даН;

— изгибающие моменты М _и (Р_j) и М _и (М _г), даН·см, от инерционных сил Р_j и гироскопических моментов М _г (даН·см) при криволинейном полете либо плоском штопоре;

— величину термической силы Р_t (даН), возникающей в резуль­тате различных температур нагрева и различия коэффициентов линейного расширения стыкуемых деталей.