Турбина

· Объяснение задач турбины в одно- и многовальных ТРД, ТРДД и ТВД.

· Название основных компонентов ступени турбины и их функций.

· Описание изменений газовых параметров (p, t, v) в ступени турбины.

· Описание принципа работы активной, реактивной и активно-реактивной осевой турбины.

· Объяснение расширения газового потока в кольцевом канале турбины.

· Описание конвекционного, отражательного и пленочного способов охлаждения турбины.

· Объяснение причин высоких механически и температурных нагрузок на лопатки турбины.

· Указание, что температура выхлопных газов, измеренная за ТВД или за ТНД, используется для мониторинга нагрузок на турбину.

· Описание влияния ускорения и замедления на EGT.

5.1. ЗАДАЧА ТУРБИНЫ

Турбина извлекает энергию из проходящих через нее горячих газов и преобразует ее в механическую энергию, которая используется на привод компрессора и коробки приводов. Турбина может использоваться для привода вспомогательных агрегатов, а у двигателей, преимущественно не использующих реактивную тягу, для питания винтов или роторов.

Доступная энергия проходящих через турбину газов имеет форму тепловой энергии, энергии давления (потенциальной), и кинетической (скорости) энергии. Преобразование всех этих видов энергии в механическую означает, что их величины при прохождении через турбину уменьшатся. Однако скорость газов в камере сгорания ниже скорости газов в выхлопном устройстве.

5.2. НАГРУЗКИ В ТУРБИНЕ

Во время нормальной работы двигателя угловая скорость вращения роторов турбины может быть такой, что линейная скорость перемещения законцовок лопаток может превышать 1500 футов в секунду. В то же время температура газов в турбине современных двигателей достигает 1700 °C. Относительная скорость этих газов составляет 2 500 футов с секунду, что приближается к скорости звука при данных температурах.

Эти величины говорят о том, что маленькие лопатки турбины весом всего 2 унции в неподвижном состоянии, могут создавать нагрузку в две тонны, работая на максимальной скорости. Такая растягивающая нагрузка вместе с огромными температурами вызывают феномен, называемый текучестью – удлинение материала лопатки без возможности вернуться к первоначальной длине.

Какие бы материалы не использовались для изготовления турбины, и как бы точно не соблюдались ограничения по температуре и оборотам, текучесть будет вызывать удлинение лопатки в течение определенного периода времени и рабочих циклов двигателя. Лопатка имеет ограниченный срок службы до наступления отказа.

5.3. МАТЕРИАЛЫ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ

Лопатки турбины ранних двигателей изготавливались из жаропрочной стали. Такой материал накладывал определенные ограничения на величину температуры в задней части двигателя, а, т.к. ГТД является тепловым двигателем. Выходная мощность ранних двигателей также была ограничена.

Следующим шагом в совершенствовании технологии изготовления турбины стали сплавы на основе никеля и хрома («нихром»), которые потом были заменены на ещё более жаропрочные сплавы. Они являются сложными сплавами из многих компонентов: хрома, кобальта, никеля, титана, вольфрама, углерода и т.д. Современные жаропрочные сплавы имеют максимальный температурный лимит приблизительно 1100 °C, а с внутренним охлаждением 1425 °C.

Более современной является практика порошковой металлургии, где из порошковых суперсплавов методом горячего прессования получаются твердые материалы. Но самой передовой на данный момент технологией изготовления прочных материалов является выращивание монокристаллов.

В процессе традиционного изготовления металла в материале создается кристаллическая решетка или зерна. Пограничные слои кристаллов ослабляют структуру и чаще всего являются очагом возникновения любого повреждения. Материалы на монокристалле имеют в форме только одно зерно, что исключает коррозию и создает чрезвычайно высокую устойчивость лопатки к текучести материала.

В изготовлении лопаток турбины также применяются керамические материалы. Первоначально керамика наносилась плазменным напылением, создавая коррозионно стойкое покрытие, которую вызывают реакции базовых металлов в лопатке, натрий в воздухе и сера в топливе.

5.4. СТУПЕНЬ ТУРБИНЫ

В Главе 3 было показано, что компрессор сообщает воздуху энергию, повышая его давление. В турбине эта энергия извлекается с помощью понижения давления проходящих через нее газов. Понижение давления происходит как во время преобразования его в скорость на сопловых лопатках, так и во время преобразования давления в механическую энергию на рабочих лопатках турбины, см. рис. 1.5.

Ступень турбины состоит из двух элементов: ряда неподвижных сопловых лопаток и ряда вращающихся лопаток. Турбина в сборке состоит из одной или более ступеней на одном валу, который, в случае соединения с компрессором образует каскад.

На рис. 5.1 показана одновальная трехступенчатая турбина, аналогичная установленной наТВД ДRolls-RoyceDart.

Рис. 5.1. Трехступенчатая турбина, установленная на одном валу (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

На данном рисунке существует несколько особенностей, заслуживающих отдельного внимания.

В расширяющемся кольцевом газовом канале по направлению спереди назад длина лопаток увеличивается, обеспечивая контроль скорости при расширении газов на большей площади.

Лопатки имеют бандажные полки для минимизации потерь из-за перетекания через законцовки рабочих лопаток и снижения вибрации.

Зазор между законцовками лопаток и корпусом турбины меняется из-за различных скоростей расширения и взаимодействия материалов. В зоне корпуса для уменьшения утечки газа через зазор используется истираемая накладка. Но более эффективным является активное управление зазорами, как у современных компрессоров. Этот метод позволяет поддерживать минимальный кромочный зазор на протяжении всего цикла полета. На рис. 5.2 показано применение данного метода на американском двигателе.

Рис. 5.2. Активное управление зазорами, применяемое для охлаждения корпуса турбины

5.5. СВОБОДНАЯ (СИЛОВАЯ) ТУРБИНА

Когда турбина соединена с компрессором в каскад, частота ее вращения должна удовлетворять ограничительным требованиям компрессора. Частота вращения компрессора устанавливается с точки зрения наилучшего сжатия.

Свободная турбина – это турбина, которая не соединена с компрессором, она соединена только с винтом или понижающим редуктором. Это позволяет турбине развивать собственную оптимальную расчетную частоту вращения. У свободной турбины существует ряд преимуществ, некоторые из них перечислены ниже:

a) Во время руления можно поддерживать низкие обороты винта для снижения шумового загрязнения и износа тормозов;

b) Ниже потребный пусковой крутящий момент;

c) Для устранения опасности повреждения винта при вращении в ветреную погоду на земле можно установить стояночный тормоз ротора.

5.6. МНОГОКАСКАДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Выходную мощность турбины можно повысить с помощью увеличения ее диаметра, но при этом увеличится сопротивление из-за увеличения размера двигателя и нагрузки от возрастания центробежных сил. Более простым методом повышения выходной мощности с уменьшением диаметра турбины является увеличение количества ступеней, рис. 5.1.

Фактически при увеличении частоты вращения лопаток турбины повышается их эффективность (потери снижаются пропорционально квадрату средней частоты вращения лопатки).

К сожалению, пропорционально квадрату средней частоты вращения лопатки возрастают и нагрузки на нее. Оказывается, конструктор двигателя заключен в порочный круг, где любое стремление повысить эффективность двигателя при помощи увеличения частоты вращения турбины требует упрочнения лопаток, что делает их тяжелее, приводит к увеличению нагрузок и т.д.

Появление двигателей с высокой степенью двухконтурности с повышенным тяговым КПД означает, что для данной величины тяги они могут иметь турбину меньшего размера, что в определенной степени обходит проблему описанного выше порочного круга.

Двигатели данного типа содержат три каскада, рис. 5.3. Турбина высокого давления (ТВД) вращает компрессор высокого давления (КВД) с относительно высокими частотами. Далее стоит промежуточная турбина, которая вращает промежуточный компрессор с помощью вала внутри ТВД. Самая задняя турбина низкого давления (ТНД), на иллюстрации показана с двумя ступенями, вращает компрессор низкого давления (КНД). Она вращается с самой низкой скоростью из всех.

Мощность, развиваемая данной турбиной, производит практически всю тягу двигателя через реакцию потока воздуха второго контура, который имеет высокий массовый расход воздуха и перемещается с относительно низкой скоростью, по сравнению с одноконтурным ТРД. Вал, который соединяет ТНД с КНД, вращается внутри валов, соединяющих промежуточную турбину и ТВД с промежуточным компрессором и КВД соответственно.

Рис. 5.3. Турбина трехкаскадного двигателя в сборке (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

5.7. ФОРМА ЛОПАТКИ

Лопатки соплового аппарата имеют аэродинамическую форму и образуют сужающиеся межлопаточные каналы, в которых часть потенциальной энергии (давления) газового потока преобразуется в кинетическую энергию (скорость).

Лопатки турбины различают по следующим типам:

a) Активные, как водяное колесо;

b) Реактивные, которые вращаются на основе реакции на создаваемую ими подъемную силу;

c) Смешанные, активно-реактивные.

Лопатка третьего типа изображена на рис. 5.4.

На рис. 5.5 на срезе показано как изменяется форма активно-реактивной лопатки от основания к законцовке. Форма лопатки меняется вместе с увеличением угла от основания к законцовке. Это создает крутку, которая обеспечивает одинаковую работу газа по длине лопатки и способствует прохождению газа в выхлопную систему с равномерной осевой скоростью.

Рис. 5.4. Комбинированная активно-реактивная лопатка

Обычно в ГТД не используются в чистом виде активные или реактивные лопатки. Степень использования того или иного типа лопаток зависит от требований к конструкции двигателя. Чаще всего применяются комбинированные активно-реактивные лопатки. Лопатки турбины активного типа используются в моторах стартеров.

Рис. 5.5. Как с помощью крутки лопатки профиль изменяется из активного в реактивный

Очень редко можно встретить использование чистых реактивных лопаток. Если это так, лопатки соплового аппарата разработаны, чтобы изменять направление газового потока без изменения давления газа.

5.8. ФИКСАЦИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ

Значительные нагрузки на лопатки и диск турбины во время вращения двигателя на рабочей частоте делают крайне важным способ крепления лопатки к диску.

В современных двигателях чаще всего применяется замок типа «елочка». Мелкие зубчики в форме елочки проходят тщательную механическую обработку для обеспечения равного распределения между ними высокой нагрузки от центробежных сил.

Когда двигатель не вращается, лопатка находится в замке с зазором, а во время вращения центробежные силы создают ее жесткую фиксацию. На рис. 5.6. показан способ крепления елочка и бандаж лопатки, который рассматривался ранее в параграфе 5.4.

Рис. 5.6. Соединение лопаток турбины с диском замками «елочого» типа

5.9. ПОТЕРИ В ТУРБИНЕ

Турбина является очень эффективным механическим устройством, хотя и подвержена потерям в процессе работы. Они составляют примерно 8%. Это включает приблизительно 3,5% аэродинамических потерь на лопатках турбины и 1,5% аэродинамических потерь на сопловых лопатках, остаток примерно в равной пропорции делится на перетекание через законцовки и потери в выхлопной системе.

5.10. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Тяга или доступная мощность двигателя ограничиваются по максимальной температуре, которую способна выдерживать турбина. Превышение максимальной температуры приводит к невосстанавливаемому повреждению двигателя, поэтому крайне важен мониторинг температуры турбины.

Температура измеряется с помощью термопар, расположенных в газовом тракте турбины: обычно за ТВД или ТНД. Эта температура называется температурой выхлопных газов (EGT).

У более старых двигателей вы можете встретить и другие наименования температур: температура на входе турбины (TIT), температура газов в турбине (TGT), температура газов на выходе турбины (JPT). Эти названия связаны с позициями термопар.

У современных двигателей датчики термопар устанавливаются внутри выбранной сопловой лопатки для обеспечения замера температуры без воздействия на датчик высокой скорости газового потока. При разгоне двигателя для выработки большей тяги (или мощности на валу) EGT будет увеличиваться пропорционально приросту расхода топлива и наоборот.

ГЛАВА 6 – ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА

Дата добавления: 2015-08-17