Газовые турбины.

Турбина расположена между камерой сгорания и реактивным соплом или форсажной камерой. Турбины разделяются на одноступенчатые и многоступенчатые. Многоступенчатые турбины различаются по числу валов. В ТРД двухвальная турбина применяется при двухроторных осевых компрессорах. В ТВД двухвальная турбина приводит отдельно компрессор и винт. В авиационном двигателе в основном используются осевые турбины. Радиальные турбины применяются в основном на вспомогательных силовых установках. По конструкционным признакам газовые турбины можно разделить:

1. По способу охлаждения сопловых и рабочих лопаток:

   1. турбины с неохлаждаемыми сопловыми и рабочими лопатками. Детали этих турбин изготавливаются из высококачественного материала, механические свойства которых сохраняются при рабочих температурах нагрева лопаток. Эти лопатки охлаждаются вследствие теплопроводности материала;

   2. турбины с воздушным охлаждением сопловых и рабочих лопаток. Для охлаждения в лопатках выполняются каналы, по которым движется воздух. Пройдя лопатки нагретый воздух выходит газовый тракт и смешивается с газами;

   3. турбины с водяным или топливным охлаждением. Недостатком такой системы является ее сложность, а также надежная работа уплотнительных устройств и при такой системе охлаждения увеличивается масса двигателя;

2. По конструкции ротора:

   1. турбины с неразъемным ротором;

   2. турбины с разъемным ротором.

3. По расположению дисков:

   1. турбина с консольным расположением дисков;

   2. турбина с расположением дисков между опорами.

Газовая турбина состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора турбины. Ротор турбины состоит из вала и дисков с рабочими лопатками. Опорами вала турбины обычно являются цапфы компрессора и роликовый подшипник, расположенный вблизи дисков. Для уменьшения массы турбин применяется консольное расположение дисков с подшипником перед турбиной. Для уменьшения изгибных напряжений на валу диски могут располагаться между опорами. При соединении диска турбины с валом, необходимо иметь ввиду ряд особенностей, относящихся к валу и всему узлу газовой турбины:

1. большой передаваемый крутящий момент;

2. повышенная температура места соединения вследствие передачи тепла от диска;

3. возможность появления вибрационных нагрузок из-за неуравновешенности ротора, пульсации газа на лопатках турбины;

4. возможность появления дополнительных напряжений из-за недостаточной жесткости опор;

5. появление значительных изгибных нагрузок при маневрах самолета;

6. необходимость сохранения центровки деталей во всем интервале рабочих температур во избежание нагружения балансировки.

Ротора турбины, в зависимости от конструкции двигателя могут выполняться неразъемными и разъемными. Неразъемный ротор не допускает разъединения и соединения рабочих колес при монтаже на двигателя. Рабочие колеса разъемных роторов можно последовательно монтировать в двигателе, чередуя их соответствующими сопловыми аппаратами. При этом должны быть обеспечены соосность опорных поверхностей роторов , центрирование элементов ротора относительно статера, а также должно быть предотвращено увеличение остаточного дисбаланса, достигнытого после балансировки. Неразъемные роторы соединяются при помощи сварки, радиальных штифтов, напрессовки дисков на шлицевой вал и сопряжения фланцев диска и вала на эвольвентных шлицах с затяжкой болтами. К разъемным роторам относятся ротора с различными соединениями, посредством болтов, в том числе при иомощи призонных болтов, торцевых шлицев с центральным стяжным болтом или несколькими болтами, расположенными по окружности фланца. Широкое распространение имеют неразъемные роторы, соенинение при помощи радиальных штифтов и разъемные роторы, соединенные призонными болтами.

Неразъемный ротор турбины:

1-хвостовик вала;

2-шлицевая втулка;

3-вал;

4-внутреннее кольцо шарикоподшипника;

5-втулка вала;

6-втулка масляного лабиринта;

7, 8, 14-штифт;

9,16-диски I и II ступеней;

15-силовое кольцо;

17-балансировочный винт;

18-дистанционное кольцо;

19-кольцо замка;

20-контровочное кольцо;

21-гайка;

22-центрирующий буртик.

Разъемное соединение ротора турбины:

1-вал;

2-болт;

3-стопорное кольцо;

4, 5-диски II и III ступеней;

6-контровочная шайба;

7-гайка;

8-лыска;

9-конус.

Диск первой ступени с натягом напрессовываются на фланец вала 3 и на бурт кольца 15. диск второй ступени напрессовывается с натягом на силовое кольцо 15. при напрессовке диски нагреваются до температуры 425 К. отверстия для штифтов развертываются после напрессовки и в них с натягом запрессовываются радиальные фтифты, которые фиксируются в осевом направлении обжимом наружных кромок отвнрстий. Для предотвращения задиров при запрессовке штифты азотируются. Все элементы соединений расиолпженны на относительно малых радиусах. Это обеспечивает их устойчивую работу в условиях более низких температур. Соединительные элементы дисков являются охватывающими по отношению к валу и силовому кольцу. Это предотвращает нагружение вала и кольца растягивающими напряжениями. В случае высокой температуры дисков с другой стороны силовое кольцо под действием центробежной силы растягивается больше дисков, что обеспечивает стабильность посадки. Тем не менее в роторе предусмотрено дополнительное центрирование буртиками 22, в котором вал является охватывающим элементом диска. Центрирующие элементы расположены с гарантированным зазором в холодном состоянии, но могут находиться в контакте при быстром выходе двигателя на режим, однако, опыт эксплуатации показывает, что штифты также является надежными центрирующими элементами.

Изобразим вильчатое штифтовое соединение:

1. элементы вилки одного из дисков

2. соединительный элемент сопряженного диска или вала

3. штифт

4. упорный торец

5, 6 центрирующая поверхность.

На вильчатом штифтовом соединении имеются двухопорные штифты. Это делает соединение более прочным и жестким, т.к. в штифте на срез работают два сечения. В зависимости от принятого способа центрирования элементы 1 и 2 могут сопрягаться по поверхностям 5 или 6. способ центрирования выбирается в зависимости от напряжений под действем центробежных сил, материалов сопрягаемых деталей и их температурного состояния. Число и диаметр штифтов выбирается в зависимости от действующих нагрузок. В применяемых соединениях диаметры штифтов выбираются в пределах 4-10 мм, длина штифтов 7,5-18 мм, расстояние от торца 4 до оси штифтов от 5 до 12 мм.

При разъемных соединениях ротора турбины, рабочие колеса 4 и 5 вторых и третьих ступеней центрируются и крепятся при помощи призонных болтов по обоим сторонам фланца вала ротора. Конические пояски болтов с натягом входят в аналогичные отверстия дисков. Посадка на конические пояски обеспечивает надежное центрирование дисков относительно вала, а мыски на болтах допускают не значительное перемещение дисков в радиальном направлении в результате теплового расширения и сжатия. Имеющиеся стопорные кольца предотвращают выпадение болтов при постановке рабочего колеса третьей ступени. Призонные болты воспринимают все нагрузки на диски и валы.