2. Условия работы турбины и применяемые материалы.

Лопатки соплового аппарата турбины, а также рабочего колеса и диски работают при очень высоких температурах = 1100-1550К. Причем лопатки соплового аппарата и рабочего колеса подвергаются интенсивному воздействию химической коррозии и газовой эрозии при высоких температурах. На лопатки соплового аппарата не действует какие-либо интенсивные механические нагрузки, лопатки же рабочего колеса подвергаются воздействию значительных разрывающих усилий, обусловленных действием центробежных сил при вращении колеса. В некоторых случаях эти силы достигают 10 т на одну лопатку.

Диски турбины подвергаются воздействию разрывающих усилий от центробежных сил при вращении ротора турбины с частотой вращения 7000-14000 об/мин.

На вал турбины действует крутящий момент, а также незначительные изгибающие нагрузки.

Кроме того, на все элементы турбины действуют вибрационные нагрузки.

С целью улучшения условий работы элементы турбины охлаждаются с помощью воздуха, отбираемого из полости, расположенной за компрессором или за одной из его ступеней.

В сопловом аппарате и рабочем колесе чаще всего используются лопатки, которые выполняются пустотелыми с вставным дефлектором. Охлаждающий воздух подается в него и вытекает через большое число мелких отверстий. Между дефлектором и стенкой остается узкий щелевой канал, в котором воздух движется с большой скоростью, обеспечивая эффективное охлаждение. Воздух из передней полости лопатки выходит через ряд отверстий в передней кромке лопатки. Этот воздух служит не только для непосредственного охлаждения передней кромки, но и для заградительного (пленочного) охлаждения передней части профиля в целом. Выпуск воздуха из задней полости лопатки происходит через узкие щелевые отверстия внутри задней кромки, интенсивно отводя от него тепло.

Для охлаждения лопаток рабочего колеса и соплового аппарата используются также специальные воздушные каналы.

Исходя из условий работы, в элементах турбины используются наиболее качественные материалы. Для лопаток рабочего колеса и соплового аппарата применяются наиболее жаропрочные сплавы на никелевой основе ЭИ-867 ЖС-6К, ЖС6 КП и некоторые другие.

Теоретически небольшая эффективность охлаждение достигается при пористом охлаждении.

Для защиты лопаток соплового аппарата и рабочего колеса от коррозии и тепловых потоков применяют жаростойкие покрытия.

Диски турбин изготавливают из жаропрочной стали типа ЭИ-481, ЭИ-698 и др. Корпуса турбины изготавливают из жаропрочной стали типа 12X18Н9Т, ЭИ-961 и др. Для валов турбины применяют легированные стали марок 40X112МА и др.

3. Конструкция элементов выходных устройств. Сужающееся сопло.

Нерегулируемое сужающееся сопло обычно имеет форму конического насадка, который крепится к выпускному каналу или удлинительной трубе на фланце. Обычно сопло охлаждается снаружи воздухом, который в полете поступает под действием скоростного напора, а на земле – эжектируется струей газов, вытекающих из сопла работающего двигателя.

Регулируемое сужающееся сопло имеет намного более сложное устройство, возможные схемы которого показаны на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Схемы регулируемых сужающихся сопел:

А - сопло с подвижным центральным телом;

Б - двухстворчатое сопло; В - многостворчатое сопло;

а - положение регулируемого элемента, соответствующее минимальному выходному сечению; б - положение регулируемого элемента, соответствующее максимальному выходному сечению

На схеме А изображено сопло с подвижным центральным телом-иглой. Игла спрофилирована таким образом, что при ее выдвижении из сопла площадь выхода из сопла уменьшается. Для перемещения иглы применяется специальный, расположенный во внутреннем конусе, механизм с электрическим или гидравлическим приводом. Такая конструкция получается относительно тяжелой и трудно охлаждаемой; уязвимым ее местом является механизм передвижения иглы из-за возможности его перегрева. Вместе с тем, она герметична и позволяет реализовать любую требуемую программу регулирования выходного сечения при сохранении плавной формы канала сопла, т. е. при минимальных потерях в сопле.

На схеме Б показано устройство двухстворчатого сопла. В таком сопле его выходное сечение регулируется с помощью двух наружных створок, поворачивающихся на шарнире. В зависимости от формы створок минимальное выходное сечение сопла может быть овальным, как показано на схеме, или щелевым. Неправильная форма сопла при прикрытом положении створок и повышенные утечки в стыках между ними снижают эффективность таких конструкций. Увеличению утечек способствует и коробление створок из-за неравномерного их нагрева. К достоинствам подобной схемы относится то, что конструкции сопла и механизм управления получаются достаточно простыми. Обычно такое сопло является двухпозиционным.

Схема В относится к многостворчатому соплу (рис. 5.6), у которого выходная часть образована большим числом створок (от 8 до 100), чем достигается сохранение примерно круглого проходного сечения при всех их положениях. Уменьшенные размеры створок позволяют сделать их более жесткими и менее склонными к короблению. Поэтому, несмотря на большое число стыков, они могут быть выполнены достаточно герметичными. Недостатком такой схемы является более сложная конструкция сопла и механизма управления, который должен обеспечить одновременное и одинаковое перемещение всех створок. Несмотря на это, многостворчатые сопла в силу их достоинств получили наибольшее распространение.

Билет 8