10

Тема № 11. ТУРБИНЫ ГТД. РЕДУКТОРЫ И ПРИВОДЫ.

Занятие № 1. Газовая турбина двигателя рд-33-2с.

Время: 2 часа.

Цель: Изучить принцип действия, конструкцию, охлаждение и правила эксплуатации газовой турбины двигателя.

Учебные вопросы:

1. Принцип работы газовой турбины. Особенности работы двухвальной турбины.

2. Конструкция турбины высокого давления.

3. Конструкция турбины низкого давления.

ВВЕДЕНИЕ

Тяговооруженность самолетов ВВС постоянно возрастает. Чтобы удовлетворить эту потребность, необходимо увеличить расход воздуха через двигатель, его КПД или же двигатель должен работать при более высокой температуре газа перед турбиной.

При увеличении расхода воздуха через двигатель растет его диаметр, а следовательно, и создаваемое им сопротивление. Кроме того, возрастает масса двигателя. Коэффициенты полезного действия элементов двигателя увеличиваются постоянно, но на современном этапе это направление улучшения ГТД сопряжено с преодолением больших трудностей, поскольку элементы современных двигателей довольно совершенны. Более привлекательно и в настоящее время широко реализуется повышение температуры газа перед турбиной. Естественно, и этот путь не прост.

Уже в настоящее время температура газа перед турбиной достигла величины порядка 1800 К. Кроме того, на детали турбины действуют значительные инерционные и газовые нагрузки. Окружные скорости вращения на концах рабочих лопаток достигли 500 м/с . Давление газа на входе в турбину достигло 30 х 10 в пятой степени Па, а степень понижения давления на ступени составляет примерно 3.

В следующем поколении авиационных двигателей температура газа перед турбиной может быть повышена до 2000 К. В дальнейшем ожидается применение двигателей со стехиометрическим горением в основной камере сгорания с температурой газа перед турбиной 2200...2400 К.

Воздействие высокотемпературного и агрессивного газа на детали турбины усугубляется переходными процессами, которые особенно характерны для двигателей самолетов фронтовой авиации.

Высокие температуры и нагрузки усложняют задачу обеспечения надежной работы турбины. Решение этой задачи обеспечивается выбором конструктивной схемы турбины, рациональным профилированием лопаток, совершенствованием систем охлаждения, выбором конструктивных материалов и технологий изготовления деталей, обеспечением требуемых запасов прочности, предусмотрением возможности контроля состояния турбины в эксплуатации.

1. Принцип работы газовой турбины. Особенности работы двухвальной турбины.

1.1 Принцип работы газовой турбины.

Газовой турбиной называется лопаточная машина, которая преобразует энергию газового потока в механическую работу. Она предназначена для привода компрессора и вспомогательных агрегатов, установленных на двигателе.

Каждая ступень турбины представляет совокупность ряда неподвижных лопаток СА+РК. Первую ступень называют турбиной высокого давления /ТВД/. Мощность этой ступени расходуется на привод ротора КВД и большинства агрегатов, установленных на двигателе.

Вторую ступень называют турбиной низкого давления /ТНД/. Мощность этой ступени расходуется на привод ротора КНД и некоторых агрегатов.

Ступень, в которой расширение газа происходит только в сопловом аппарате, называется активной, а ступень, в которой газ расширяется как в сопловом аппарате, так и в рабочем колесе, называется реактивной.

Принцип работы газовой турбины может быть рассмотрен на примере одной ступени.

Газ, подводимый к турбине, после камеры сгорания обладает значительной потенциальной энергией, за счет предварительного сжатия его в компрессоре (а в полете и во входном устройстве) и нагрева в камере сгорания.

Перед входом в СА турбины газ имеет абсолютную скорость C₁, направленную параллельно оси турбины. В суживающихся межлопаточных каналах СА поток разгоняется и поворачивается в сторону вращения РК, имея на выходе из СА скорость С₂. В СА абсолютная скорость увеличивается, а давление и температура газа уменьшаются, т. е. часть потенциальной энергии, преобразуется в кинетическую.

Изобразим развертку цилиндрического сечения ступени турбины. На ней лопатки СА и РК будут представлены в виде двух рядов профилей, образующих суживающиеся межлопаточные каналы

Под действием газа, вытекающего из СА, РК турбины вращается. Поэтому относительно лопаток РК, газ движется с относительной скоростью W₂, получаемой вычитанием из вектора абсолютной скорости С₁, вектора окружной скорости U лопаток РК на данном радиусе. Входные кромки лопаток РК должны быть ориентированы по направлению W₂, что предотвратит срыв потока с лопаток и уменьшит гидравлические потери.

В суживающихся межлопаточных каналах РК давление и температура газа уменьшаются, а относительная скорость увеличивается /W₃ > W₂/, но при этом падает абсолютная скорость, /С₃ <С₂/. /Величину и направление абсолютной скорости потока газа за РК С₃ получают сложением векторов W₃ и U/.

При обтекании газом лопаток РК вследствие поворота потока на вогнутой поверхности лопаток имеет место повышение давления, а на выпуклой - понижение. Равнодействующая R всех газовых сил действующих на каждую лопатку, может быть разложена на окружную составляющую Ru, приводящую колесо во вращение, и осевую составляющую Ra, которая должна восприниматься упорным подшипником ротора.

Следовательно, в РК часть кинетической энергии преобразуется в механическую работу на валу /уменьшение С/, а часть потенциальной энергии преобразуется в кинетическую /рост W/.

Работа турбины характеризуется рядом параметров:

1.Степень понижения полного давления газа в турбине Пт*

π_т^* = Р_г^*/ Р_т^*, для двухступенчатой турбины π_т^* = π^*_твд π^*_тнд

2. Коэффициент полезного действия турбины Т|*т, определяющий газодинамическое совершенство турбины.

3. Работа турбины L_t, определяющая какую полезную работу можно получить в турбине при расходе 1 кг газа в секунду.

L_t = К_г R_г T_г^* (1- 1 )η_т^*

К_г-1 π_т^* К_г-1

К_г