Конструкция и классификация газовых турбин ГТД

В современных газотурбинных двигателях (ГТД) турбина является одним из наиболее ответственных и высоконагруженных узлов. Она преобразует кинетическую и тепловую энергию расширяющегося рабочего тела в механическую работу на валу, обеспечивая привод компрессора и вспомогательных агрегатов.

Классификация газовых турбин и их рабочих ступеней. По кинематике и направлению газового потока ступень газовой турбины подразделяется на два основных класса:
- Осевые турбины — поток движется преимущественно вдоль оси вращения ротора.
- Радиальные турбины — направление потока имеет существенную радиальную составляющую. Радиальные турбины разделяются на центростремительные и центробежные.

по принципу расширения рабочего тела и термодинамическому циклу ступени делятся на:
1. Активные ступени — расширение газа происходит преимущество в сопловом аппарате (СА). Активные ступени широко применяются в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), во вспомогательных силовых установках (ВСУ) и турбинах запуска с использованием энергии порохового заряда. В малоразмерных ГТД (МГТД) запуск иногда осуществляется с помощью активной радиальной центробежной ступени, закрепленной на диске основной турбины и работающей в потоке пороховых газов от заряда в затурбинном обтекателе.

2. Реактивные ступени — расширение и разгон потока происходят как в сопловом аппарате (СА), так и в лопаточной решетке рабочего колеса (РК). Именно осевые реактивные ступени являются основными в ГТД.

Каждая турбина конструктивно состоит из двух ключевых частей:
- Статор — неподвижный корпус, в котором установлены сопловые аппараты и подшипниковые опоры.
- Ротор — вращающийся узел, включающий валы с дисками рабочих колес и закрепленными на них рабочими лопатками.

Силовые связи и масляные коммуникации подшипниковых опор ротора неизбежно пересекают газодинамический тракт двигателя. Конструкция опор должна обеспечивать передачу усилий на корпус без загромождения тракта, минимизировать гидравлические потери и поддерживать допустимый температурный режим масляных трубопроводов.

Основные элементы осевых газовых турбин. Рабочие лопатки и способы их крепления. Рабочие лопатки турбины подвергаются воздействию высоких газодинамических, центробежных и температурных нагрузок. В зависимости от режима работы они изготавливаются охлаждаемыми или неохлаждаемыми (см. рис. 2.5.6).

Рис. 2.5.6. Рабочие лопатки газовых турбин: а — с трехзубым замком и удлиненной ножкой (вырез на профильной части); б — с бандажными полками

На последних ступенях с длинными лопатками на периферии предусматривают бандажные полки, выполняющие две функции:
- Уменьшение перетеканий газа через радиальный зазор;
- Предотвращение низкочастотной вибрации лопаток за счет создания замкнутого кольца.

По стыкам полок обеспечивается натяг, чтобы исключить взаимное перемещение и износ. Стык располагают так, чтобы раскрутка лопаток под действием центробежных сил не снижала натяжения.

Закрепление лопаток в диске чаще всего осуществляется с помощью «елочных замков», имеющих от 3 до 5 зубьев. Замковое соединение выполняется с технологическим зазором, обеспечивающим самоустановку лопатки по рабочей поверхности зубьев под действием центробежных сил. По нерабочим поверхностям замков образуется зазор для продувки воздуха, снижающий теплоподвод от лопатки к диску. Дополнительно тепловую нагрузку на диск снижает удлиненная ножка лопатки. От осевого перемещения лопатки фиксируются штифтами, пластинчатыми замками или покрывными дисками.

Диски турбин и особенности их конструкции. Диски относятся к наиболее нагруженным деталям ГТД. Их проектирование требует исключения концентраторов напряжений. Крепление диска к валу выполняется без болтовых отверстий в высоконагруженной центральной части; болтовые соединения обычно выносят в зону фланцев.

В МГТД и вспомогательных агрегатах диски часто изготавливают как одно целое с лопатками методом точного литья или фрезерования (конструкции типа «блиск»). В высокотемпературных турбинах применяют покрывные диски, которые формируют каналы для подвода охлаждающего воздуха к лопаткам и защищают основные диски от нагрева. Покрывные диски также могут нести лабиринтные уплотнения и фиксировать лопатки в осевом направлении за счет байонетных или замковых соединений.

Охлаждающий воздух перед подводом к ротору закручивается по направлению вращения с помощью специального закручивающего аппарата (сопловых микросопел), что снижает температуру воздуха и уменьшает гидравлические потери на входе.

Сопловые аппараты и статорные конструкции. Корпус турбины является тяжелонагруженным элементом силового пояса двигателя. Для защиты статора от воздействия горячих газов применяется двухслойная конструкция с продувкой охлаждающего воздуха между корпусом и надроторными вставками.

Рис. 2.5.7. Сопловая лопатка с конвективно-пленочным охлаждением (а) и стыковка полок с уплотняющей пластиной (б)

Сопловые лопатки чаще всего выполняются двухполочными (см. рис. 2.5.7, а). Полки лопаток, стыкуясь между собой, образуют внутренний и наружный обводы газодинамического тракта. Для предотвращения утечек в стыках полок устанавливают пластинчатые вставки (см. рис. 2.5.7, б). Сопловые лопатки первых ступеней высокотемпературных турбин обязательно выполняются охлаждаемыми.

Схемы размещения опор ротора турбины. Выбор конструктивной схемы опор определяется числом валов, компоновкой камеры сгорания и требованиями к жесткости ротора.

Рис. 2.5.8. Схемы размещения опор в двухвальных газовых турбинах: а — с межвальным подшипником, расположенным внутри вала первой ступени; б — с опорой между дисками турбины; в — с одной опорой под камерой сгорания, а другой — за турбиной

Основные варианты размещения опор:
1. С межвальным подшипником (рис. 2.5.8, а) — опора турбины низкого давления опирается на вал турбины высокого давления. Требует сложной системы подвода масла и виброизоляции.

2. С междисковой опорой (рис. 2.5.8, б) — опора размещается в пространстве между дисками ступеней. Масляные коммуникации и силовые связи проходят через утолщенные сопловые лопатки или специальные обтекаемые стойки.

3. Затурбинное расположение опоры (рис. 2.5.8, в) — опора выносится за рабочее колесо в зону пониженных температур, силовые элементы проходят через стойки затурбинного диффузора.

Особенности конструкции радиальных (центростремительных) турбин. Центростремительные турбины (ЦСТ) применяются преимущество в малоразмерных ГТД, ТНА и наддувочных агрегатах. В рабочих колесах таких турбин поток поворачивает в меридиональной плоскости из радиального направления в осевое.

Рис. 2.5.9. Схемы и треугольники скоростей центростремительных турбин (c, w и u — соответственно абсолютная, относительная и окружная скорости; индексы «1» и «2» — соответственно вход и выход): а — радиально-осевая; б — радиальная; 1 — улитка; 2 — сопловой аппарат; 3 — рабочее колесо

По форме меридиональных обводов различают:
- Радиально-осевые турбины;
- Радиальные турбины;
- Диагональные турбины.

Сравнительные характеристики центростремительных и осевых турбин. При проектировании высокоперепадных ступеней элементы лопаток в каждом осевом сечении располагают радиально, что исключает изгибные напряжения от центробежных сил.

Таблица 1. Сравнительный анализ центростремительных и осевых турбин

Основным фактором, ограничивающим применение центростремительных турбин в высокотемпературных ГТД при температурах газа перед турбиной Tг > 1350 К*, является невозможность технологической реализации эффективного внутреннего охлаждения цельнолитых рабочих колес. При более низких температурах ЦСТ превосходят осевые турбины по технологичности, экономичности на малых расходах и величине единичного теплоперепада.