5.1. Требования к турбинам

В связи с тем, что степень совершенства ГТ в значительной мере определяет экономичность, массу и надежность ГТД в целом, к ним предъявляется ряд требований, основными из которых являются:

1. Высокий КПД на расчетных режимах.

2. Минимальная масса и габариты.

3. Простота и технологичность конструкции.

4. Высокая эксплуатационная надёжность.

Для получения высокого значения КПД необходимо на этапах проектирования и производства обеспечить:

оптимальное количество ступеней и форму проточной части;

оптимальное распределение теплоперепада по ступеням и зна­чения рабочих параметров в элементах проточной части;

рациональное профилирование сопловых и рабочих лопаток, уменьшающих радиальное перетекание газа в осевых зазорах ступе­ней, а также закрутку потока газа за турбиной;

уменьшение перетекания газа в радиальном зазоре по концам рабочих лопаток за счет снижения до минимума величины зазора, применения охлаждения статора, различных периферийных уплот­нений, а также бандажирования рабочих лопаток;

тщательную отделку поверхностей лопаток и других поверхно­стей проточной части для уменьшения потерь на трение; плавное изменение трактовых поверхностей статора и ротора, исключающее внезапное изменение площади проходного сечения;

снижение аэродинамического сопротивления различных стоек и рёбер, находящихся в проточной части.

Минимальная масса и габариты достигаются;

уменьшением числа ступеней за счёт увеличения теплоперепада, срабатываемого в одной ступени;

увеличения окружных скоростей (до 450 м/с и более, на среднем радиусе), ограниченных, в свою очередь, прочностью рабочих лопа­ток и дисков; увеличением температуры газа перед турбиной, что также огра­ничено прочностью рабочих лопаток и дисков и требует введения охлаждения элементов турбины;

проектированием проточной части с большими осевыми скоро­стями (до 500 м/с на выходе);

выбором оптимальной формы проточной части;

правильным выбором силовой схемы турбины;

применением жаропрочных, жаростойких и лёгких конструкци­онных материалов с повышенными механическими свойствами;

снижением, до допустимого уровня, запасов прочности элемен­тов конструкции;

строгим учётом действующих факторов и достоверностью и точностью расчётов на прочность и колебания;

рациональным конструированием отдельных деталей и узлов (равнопрочных дисков, лопаток с удлиненной ножкой, самоконтря­щихся болтовых соединений, сварных роторов и статоров, "гибких" роторов, лопаток больших удлинений, минимальных осевых зазоров между ротором и статором, размещением опор внутри ротора, вве­дением демпферов опасных колебаний).

Требования простоты и технологичности конструкции являются наиболее труднореализуемыми на практике.

Конструкция современных газовых турбин является достаточно сложной, что обусловлено:

высокой температурой газа в проточной части и, как следствие, введением охлаждения элементов турбины;

числом ступеней и каскадов в турбине;

числом и расположением опор;

необходимостью обеспечения минимальных радиальных зазоров в проточной части и их стабильности в течение ресурса при недос­таточной жесткости корпусных и роторных элементов в условиях больших перепадов температур на различных режимах работы;

сложностью подвода и отвода смазки к опорам, особенно межвальным, а также необходимостью теплоизоляции и суфлирования масляных полостей;

сложной системой уплотнений и требованием их высокой на­дежности;

тяжелыми условиями работы практически всех элементов кон­струкции, большими механическими (статическими и динамически­ми) нагрузками при наличии высоких температур, резких теплосмен, многократной повторностью нагружения, газовой коррозией и дру­гими неблагоприятными факторами.

Производственную технологичность конструкции наиболее пол­но определяет её стоимость, отражающая как трудоёмкость по всему комплексу производственного процесса, так и все расходы на мате­риалы, испытания и доводку. По этому показателю технологичность турбин значительно ниже, чем любого другого узла ГТД. Причина­ми этого являются:

высокая стоимость жаропрочных сплавов (стоимость материа­лов составляет 40...50 % стоимости двигателя);

низкая обрабатываемость и плохая свариваемость жаропрочных сплавов;

большое количество лопаток и других деталей сложной формы с высокими требованиями по точности и качеству поверхностей;

значительное число специальных, весьма непроизводительных, технологических операций (упрочняющие виды обработки, много­компонентные термобарьерные покрытия, пайка износостойких пластин, сборка бандажированных рабочих колёс, сопловых аппаратов и др.), а также контрольных операций (составляющих 20...30 % трудоёмкости изготовления).

Новые технологические приёмы (бесприпусковая отливка лопаток, горячий раскат крупногабаритных корпусных деталей, высоко скоростная штамповка, электрохимические и электроэрозионные методы обработки отверстий и деталей сложной формы, электронно-лучевая сварка и др.), высокопроизводительное оборудование, разработка и совершенствование научного конструирования способствуют непрерывному снижению трудоёмкости изготовления турбин.

Эксплуатационная технологичность турбин определяется:

контролепригодностью, т.е. наличием достаточного количества датчиков, обеспечивающих надежное обнаружение отказов (отклонение параметров, критических ситуаций); наличием точек отбора информации об отказах (штуцеров, сливных краников и др.); удобством и возможностью осмотра и др.;

ремонтопригодностью, заключающейся в возможности предупреждения и обнаружения причин отказов и устранения их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания (возможность замены отдельных узлов и деталей без снятия двигателя; взаимозаменяемость без подгонок; исключение возможности неправильной сборки; простой и удобный инструмент; удобство обслуживания и доступность осмотра);

эргономическими показателями (соответствием инструмента, приспособлений и отдельных узлов по весу и усилиям возможностям человека; наличием указателей, сборочных меток, опознавательной окраски, номеров узлов и т.д., обеспечивающих качество обслуживания и ремонта).

Высокая эксплуатационная надёжность закладывается при конс-труировании, обеспечивается в производстве и поддерживается в эксплуатации. Кроме ремонто и контролепригодности надёжность определяется:

безотказностью, т.е. свойством непрерывно сохранять работоспособность в течение ресурса;

долговечностью, т.е. способностью сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе техобслуживания;

сохраняемостью, т.е. способностью непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течении, и после хранения;

прочностными показателями (запасы, связанные со статической и динамической прочностью, с повторной статикой, термостойко­стью, ползучестью, жаростойкостью; максимально допустимые пла­стические и упругие деформации, вибрационные перегрузки; уровни затяжки различных резьбовых соединений; меры по демпфированию колебаний; конструктивные и технологические меры упрочнения деталей и др.).

В свою очередь все эти показатели обеспечиваются высоким ка­чеством конструирования турбин; правильным выбором конструк­тивной и силовой схемы, наиболее полным учётом работы её эле­ментов; правильным выбором материалов, покрытий, термообра­ботки и назначением специальных технологических операций; дос­товерностью статических и динамических расчётов на прочность и колебания; специальными конструктивными мерами (охлаждением и теплоизоляцией отдельных элементов турбины; демпфированием изгибных колебаний роторов; бандажированием рабочих лопаток; надежной системой уплотнений и т.д.).

В процессе эксплуатации надёжность поддерживается строгим соблюдением всех действующих инструкций по эксплуатации, тех­обслуживанию и ремонту. Особое место в повышении надёжности двигателя занимает точный учет всех без исключения происходящих дефектов и отказов. Это позволяет оперативно принимать необхо­димые меры (конструктивные, технологические и др.) и в короткие сроки повысить показатели надёжности.