2.2 Газовая турбин, назначение, классификация по принципам работы. Основные узлы. Режимы работы. Газовая динамика турбины Газовая турбина

Турбина – важнейший узел двигателя, определяющий его ресурс, надежность и стоимость. Затраты только на изготовление рабочих и сопловых лопаток газовой турбины составляют до 20 % стоимости всей газотурбинной установки.

Газовая турбина представляет собой лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками. Турбина – это зеркальное отражение компрессора.

Ступень турбины – зеркальное отражение ступени компрессора: сначала установлены неподвижные лопатки соплового аппарата, а затем вращающийся диск с рабочими лопатками.

Межлопаточные каналы и сопловых рабочих лопаток – сужающиеся.

Расширение газов связано с меньшими потерями, чем их сжатие. В связи с этим в одной ступени турбины преобразуется большая энергия, чем в одной ступени компрессора, поэтому число ступеней турбины намного меньше числа ступеней компрессора. Степень расширения в одной ступени турбины составляет 1, 9-2, 2.

В сопловом аппарате происходит разгон потока газа, при котором температура и давление газа уменьшается, а кинетическая энергия (скорость) увеличивается. Этот скоростной напор газа раскручивает рабочее колесо турбины, при этом происходит дальнейшее уменьшение давления и температуры газового потока, что свидетельствует об уменьшении кинетической энергии газа, превратившейся в механическую работу на валу турбины.

Состав турбины:

– статор (корпусы сопловых аппаратов, сопловые лопатки, корпусы опор, а также дефлекторы и кожухи, обеспечивающие подвод воздуха на охлаждение узлов турбины);

– ротор (вал, диск, рабочие лопатки);

– опоры ротора.

Крепление сопловых лопаток может быть как разборным, так и неразборным (сваркой). Крепление рабочих лопаток осуществляется замками «елочного» типа.

Наиболее опасный режим для рабочих лопаток – остановка двигателя без предварительного охлаждения.

Охлаждение деталей турбины

Нагрев деталей сопровождается ухудшением механических свойств материала. Допустимая температура газов перед турбиной ограничивается прочностью сопловых и рабочих лопаток турбины. Для поддержания необходимой надежности узлов газовой турбины при работе в высокотемпературном газовом потоке предусмотрено охлаждение турбины.

Цели охлаждения:

– поддержание температуры деталей в пределах, обеспечивающих их длительную механическую прочность, то есть повышение ресурса двигателя;

– выравнивание температуры деталей по объему для уменьшения термических напряжений;

– возможность применения менее жаропрочных, а значит более дешевых материалов;

– уменьшение радиальных зазоров (рис. 21) между рабочими лопатками и корпусом турбины, что приводит к повышению эффективности рабочего процесса.

Охлаждаемые узлы турбины:

– сопловые лопатки;

– замки рабочих лопаток;

– диски турбин;

– корпуса опор ротора.

Охлаждение осуществляется внешним обдувом деталей турбины вторичным потоком воздуха из рубашки охлаждения камеры сгорания (температура этого воздуха примерно 500 ⁰С).

Рис. 21. Изменение радиального зазора на рабочих лопатках турбины

Помимо внешнего охлаждения (обдува) используется и внутреннее охлаждение, то есть циркуляция охлаждающего воздуха внутри пустотелых сопловых и рабочих лопаток. Технология изготовления таких лопаток намного сложнее поэтому их стоимость соответственно выше.