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:
Во время руления можно поддерживать низкие обороты винта для снижения шумового загрязнения и износа тормозов;
Ниже потребный пусковой крутящий момент;
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:
Активные, как водяное колесо;
Реактивные, которые вращаются на основе реакции на создаваемую ими подъемную силу;
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