38 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/bт. 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 Dср резко 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.