Особенности кинематических схем и рабочих процессов газовых турбин ГТД

В современной авиационной и промышленной теплоэнергетике турбинный узел многовального газотурбинного двигателя (ГТД) представляет собой критически важный агрегат, состоящий из последовательности осевых турбин высокого и низкого давления. Каждый из указанных модулей функционирует на собственном валу. В практике двигателестроения турбинные агрегаты современных авиационных силовых установок выполняются по двухвальным или трехвальным кинематическим схемам.

1. Конструктивные особенности полноразмерных газовых турбин. Конструкция турбины ГТД описывается индивидуальной кинематической схемой, в рамках которой ключевую роль играет число ступеней zт. Наряду с этим конфигурация определяется геометрией статора и ротора (неподвижных и вращающихся элементов конструкции соответственно), развитыми системами охлаждения, решениями по стабилизации и минимизации радиальных зазоров, а также уровнем механической нагруженности элементов.

Кинематические схемы турбинных узлов весьма разнообразны и обусловливаются типом, размерами и функциональным назначением двигателя. В описании многовальных агрегатов традиционно указывают число рабочих колес (РК) на каждом валу:

- Маневренная боевая авиация: применяются схемы 1 + 1, 2 + 2, а также промежуточные конфигурации 1 + 2 и 2 + 1. Схема 2 + 2 демонстрирует более высокий газодинамический КПД. Однако использование одноступенчатых турбин высокого и низкого давления (1 + 1) часто оказывается более обоснованным благодаря сниженной массе, компактным габаритам и меньшей трудоемкости производства.

- Дальняя и транспортная авиация (высокая степень двухконтурности): турбины изготавливают по двухвальным схемам (1…2) + (3…5) и трехвальным схемам 1 + 1 + (3…5). Турбины газогенераторов в данном классе силовых установок из-за высоких значений суммарной степени повышения давления в компрессоре π*кΣ часто выполняются двухступенчатыми двухвальными или одновальными.

- Гражданская пассажирская авиация: широкое применение получили обе схемы. В перспективных турбореактивных двигателях (ТРДД) рассматриваются редукторные варианты со схемой 2 + (3…4) и безредукторные схемы 2 + (3…8).

Рабочий процесс и термогазодинамика ступени турбины. 1. Преобразование энергии в проточной части

Преобразование энергии потока газа в ступени турбины осуществляется в неподвижном сопловом аппарате (СА) 1 и вращающемся рабочем колесе (РК) 2 (см. Рис. 2.5.1).
- Активные ступенями называют такие конструкции, где потенциальная энергия газа трансформируется в кинетическую преимущественно в сопловом аппарате.
- Реактивные ступени распределяют процесс расширения газа и падения давления в равной степени между сопловым аппаратом и рабочим колесом.

Сопловой аппарат помимо ускорения газового потока осуществляет его закрутку, формируя необходимый момент количества движения на входе в рабочее колесо.

Рис. 2.5.1. Схема проточной части ступени (а) и треугольники скоростей (б) осевой турбины: 1 — сопловой аппарат; 2 — рабочее колесо

2. Векторный анализ скоростей. Течение газа во вращающемся РК состоит из относительного движения со скоростью w и переносного движения с окружной скоростью u. Абсолютная скорость c (скорость относительно неподвижных деталей) определяется векторной суммой:

c = w + u

Параметры потока на входе и выходе из венцов ступени иллюстрируются кинематическими диаграммами (треугольниками скоростей).

Специфика турбин малоразмерных ГТД (МГТД). Турбины малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) имеют ряд специфических особенностей, существенно влияющих на их газодинамику:

1. Малая относительная и абсолютная высота проточной части (особенно в первой ступени турбины компрессора).

2. Относительно большие радиальные зазоры над торцами рабочих лопаток.

3. Утолщенные профили и выходные кромки охлаждаемых лопаток.

4. Пониженные значения чисел Рейнольдса (Re).

5. Повышенная относительная шероховатость поверхностей проточной части.

6. Неблагоприятное соотношение площадей поверхностей, омываемых горячим газом и охлаждающим воздухом.

7. Переразмеренность конструктивных элементов системы охлаждения (отверстий, щелей, штырей) из-за технологических ограничений, что вызывает перерасход охлаждающего воздуха (в отдельных случаях до 30%).

Структура кинематических схем МГТД по мощности:
- Мощность до 300 кВт: обычно схема 1 + 1 (одноступенчатая турбина компрессора и одноступенчатая свободная турбина). Конструкция характеризуется умеренными параметрами и исполняется неохлаждаемой.
- Мощность до 600 кВт и выше: требуется охлаждение сопловых лопаток при неохлаждаемых рабочих лопатках. Поворот потока в решетке РК достигает ~120°.
- Мощность до 1000…1200 кВт: применяется схема 2 + 2 (двухступенчатая турбина компрессора и двухступенчатая свободная турбина). При температуре газа T*г = 1450…1500 К охлаждаются сопловые лопатки обеих ступеней и рабочие лопатки первой ступени.
- Мощность до 2500 кВт: стандартно применяется схема 2 + 2, где все лопаточные венцы турбины компрессора выполнены охлаждаемыми, а свободная турбина — неохлаждаемой.

Основные параметры и термодинамические показатели работы. Газодинамическая эффективность, нагруженность и ресурс газовой турбины характеризуются следующим набором ключевых параметров:

1. Температура газового потока на входе T*г.

2. Степень понижения полного давления в турбине:

π*т = p*г / p*т

где pг и p*т — полное давление на входе в турбину и на выходе из нее соответственно.*

3. Расход газа Gг через турбину и окружная скорость u на среднем диаметре (или частота вращения nт).

4. Расход охлаждающего воздуха Gв и степень охлаждения рабочей лопатки:

θср = (T*w - Tл.ср) / (T*w - Tв)

где Tw — температура газа на рабочей лопатке, Tл.ср — осредненная температура лопатки в наиболее напряженном сечении, Tв — температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку.*

Для турбин высокого давления двигателей 5-го поколения значение θср ≥ 0,6.

5. Напряженность в корневом сечении рабочей лопатки, описываемая комплексом n²F и связанным с ним напряжением:

σРК = 2πρFn²Φ

где F = πδh — площадь поперечного сечения проточной части за ступеней; Φ = 0,5…0,55 — коэффициент формы лопатки.

Работа и мощность турбинной ступени. Удельная работа, совершаемая при расширении 1 кг газа в ступени турбины (с учетом знаков проекций окружных скоростей c1u и c2u):

Lu = c1uu₁ + c2uu₂

где c1u, c2u — окружные составляющие абсолютной скорости за сопловым аппаратом и рабочим колесом; u₁, u₂ — окружные скорости перед РК и за ним.

Суммарная работа 1 кг рабочего тела в многоступенчатой турбине:

∑Lui = ∑(c1ui u1i + c2ui u2i)

Полная мощность турбины определяется по формуле:

Nт = ∑ Gi (c1ui u1i + c2ui u2i) ηрзi

где Gi — расход рабочего тела в i-й ступени турбины; ηрзi — коэффициент, учитывающий потери от перетекания рабочей среды через радиальный зазор РК.