Принцип работы ступени

Поток воздуха, движущийся через проточную часть произвольной ступени турбины (рис. 4.2) можно представить состоящим из отдельных струек тока, каждая из которых движется по поверхности, приближенной к цилиндрической. Для рассмотрения течения газа в СА и РК рассечем ступень цилиндрической поверхностью радиусом R и развернем полученное сечение на плоскость (рис. 4.3).

Лопатки СА и РК представятся в виде двух рядов (решеток) профилей, образующих суживающиеся межлопаточные каналы

Рис. 4.2. Схема ступени осевой газовой турбины

Рис. 4.3. Схема течения газа в решетках ступени осевой турбины

В межлопаточных каналах СА происходит преобразование части энтальпии газа в кинетическую энергию, то есть абсолютная скорость газа в сопловом аппарате увеличивается (С↑), а давление и температура соответственно уменьшаются (р↓,Т↓). В межлопаточных каналах РК давление и температура газа уменьшаются, а относительная скорость увеличивается (W↑). В РК газ отдает энергию на вращение колеса, так что в данном случае уменьшается и кинетическая энергия (С↓), и энтальпия газа (i↓) о чем свидетельствует уменьшение параметров состояния газа (р↓,Т↓) (см. рис.4.4).

Следовательно, расширение газа происходит как в СА, так и в РК ступени турбины. У существующих двигателей 60÷70% работы расширения газа совершается в СА, 30÷40% — в РК.

Входные кромки лопаток СА должны быть ориентированы по направлению вектора С1, входные кромки лопаток РК — по направлению вектора W2. Это предотвратит срыв потока с лопаток и уменьшит гидравлические потери.

Рис. 4.4. Изменение параметров газа в ступени осевой турбины

Перед входом в СА ступени газ имеет абсолютную скорость С1. В суживающихся межлопаточных каналах СА поток разгоняется и поворачивается сторону вращения РК, имея на выходе из СА скорость С2 (С1<С2). При взаимодействии газового потока с лопатками СА создается разность давлений: на вогнутой поверхности (корытце) образуется зона повышенного давления, на выпуклой (спинке) — пониженного. На рис.4.3 знаками «плюс» и «минус» обозначены соответственно области повышенного и пониженного давлений по отношению к давлению на выходе из межлопаточных каналов. В результате перепада давлений возникает сила A AA AU P = P + P, действующая на лопатки СА.

При обтекании газом лопаток РК вследствие поворота потока на вогнутой поверхности лопаток (корытце) образуется зона повышенного давления, а на выпуклой (спинке) — пониженного. В результате возникает сила K KA KU P = P + P. *

Сила PKU нагружает вал двигателя крутящим моментом. Кроме того, сила PKU осуществляет

вращение роторов двигателя, обеспечивая этим получение на валу полезной мощности. Остальные силы нагружают: вал двигателя силами растяжения, корпус — силами растяжения и крутящим моментом.

Направление сил и моментов, действующих на СА РК турбины, противоположны по знаку силам и моментам, действующим на НА и РК компрессора. Поэтому эти силы и моменты в значительной мере взаимно уравновешиваются на деталях, соединяющих компрессор и турбину, и в меньшей степени передаются на узлы крепления двигателя.

КОНСТРУКЦИЯ ТРУБИНЫ

ТУРБИНА КОМПРЕССОРА

Турбина компрессора (рис. 4.9) — двухступенчатая, осевая, служит для вращения ротора

компрессора и приводов агрегатов двигателя. Она состоит из ротора турбины, сопловых аппаратов и опоры ротора.

Рис. 4.9. Турбина компрессора (внешний вид)

РОТОР ТУРБИНЫ

Ротор турбины компрессора состоит из вала 1 (рис. 4.10) ротора, двух рабочих колес, задней шейки 8 ротора, лабиринта 12 и покрывающего диска 13. Рабочее колесо I ступени составляют диск 2 и 71 рабочая лопатка 5, а рабочее колесо II ступени — диск 5 и 61 рабочая лопатка 4.

Вал ротора, диски рабочих колес, лабиринт и шейка сцентрированы между собой и стянуты

двенадцатью стяжными болтами 14. Через торцовые шлицы передается крутящий момент от рабочих колес на вал ротора.

На стяжных болтах для уменьшения изгибных напряжений от центробежных сил выполнены

цилиндрические буртики, опирающиеся на соответствующие пояски дисков турбины. Гайки 7 стяжных болтов затягивают с контролем вытяжки болтов и контрят пластинчатыми замками 6.

Крепление лопаток в дисках осуществляется с замком елочного типа. На I ступени замок имеет три пары зубьев, на II ступени — четыре пары. На концах рабочих лопаток 3 и 4 выполнены полки, которые образуют кольцевой бандаж на периферии рабочего колеса; такая конструкция рабочих лопаток повышает их вибропрочность. Полин между собой стыкуются зигзагообразным вырезом с зазором по окружности и с некоторым натягом в осевом направлении. Такое соединение полок (см. рис. 4.10, а) демпфирует вибрации лопаток.

На наружной поверхности полок выполнены гребешки, которые по периферии рабочего колеса образуют кольцевой газовый лабиринт. Наличие концевых полок и газового лабиринта на рабочих лопатках турбины уменьшает перетекание газа через радиальный зазор и повышает к. п. д. турбины.

Установка рабочих лопаток в диск осуществляется сразу полным комплектом с последовательным соединением каждой лопатки с диском.

Лопатки турбины выполнены с опущенным замком. Опущенный замок улучшает распределение напряжений в замковой части лопаток и снижает температуру дисков, что позволяет уменьшить их толщину. Контровка лопаток в дисках от перемещения в осевом направлении производится следующим образом: на рабочем колесе I ступени лопатки сдвигаются в сторону рабочего колеса II ступени до упора усика лопатки в диск ротора, после чего лопатки поджимаются к диску ротора покрывающим диском 13; на рабочем колесе II ступени лопатки законтрены в диске разрезным стопорным кольцом 11, которое устанавливается в канавку выступов диска и в замковую часть лопаток.

Для улучшения условий работы детали турбин охлаждаются воздухом, поступающим из

компрессора. Воздух из-за VIII ступени компрессора поступает внутрь вала ротора компрессора, проходит в вал турбины компрессора и по сверлениям в дисках и шейке вала выходит для охлаждения деталей турбин и подпора воздушных лабиринтов.

Диск I ступени турбины компрессора дополнительно охлаждается спереди воздухом, поступающим из-за X ступени компрессора по воздушной полости над валом ротора турбины. В вале турбины компрессора, дисках и шейке ротора имеется центральное отверстие для прохода специального ключа-штанги, который запирает и отпирает пружинный замок,

фиксирующий взаимное положение роторов компрессора и турбины компрессора и не допускающий угловых смещений их в сочленении.

Вал турбины при помощи сферы (Ø А) с вырезами связан с задней шейкой ротора компрессора, соединение с ней фиксируется шлицевым замком (шлицевой втулкой с пружиной).

Соединение ротора турбины компрессора с ротором компрессора осуществляется путем ввода выступов наружной сферы вала турбины через прорези во внутреннюю сферу задней шейки ротора компрессора и поворота ротора турбины компрессора в сочленении на 60°. В таком положении выступы сферы вала турбины располагаются против выступов сферы шейки ротора компрессора, чем обеспечивается шарнирное соединение роторов турбины и компрессора. В этом положении шлицевой замок посредством шлицевой втулки 11 (см. рис. 4.10) и пружины 9 фиксирует взаимное положение роторов турбины и компрессора.

Рис. 4.10. Турбина компрессора:

1 — вал ротора; 2 — диск рабочего колеса I ступени; 3 — рабочая лопатка I ступени; 4 — рабочая лопатка II ступени; 5 —диск рабочего колеса II ступени; 6 — замок; 7 —гайка; 8 — шейка ротора задняя; 9 — шайбы эксцентриковые; 10 — роликовый подшипник; 11 — кольцо стопорное; 12 — лабиринт; 13 — диск покрывающий; 14 — болт стяжной; 15 — пружина; 16 — кольцо уплотнительное; М — балансировочный грузик

Осевое усилие ротора турбины компрессора воспринимается ротором компрессора через сферу.

Крутящий момент турбины передается на вал компрессора через шлицевые соединения замка.

Чтобы исключить действие силы противодавления на шлицевую втулку, на валу турбины

компрессора имеется уплотнение. В канавку на валу турбины вставляется разрезное уплотнительное кольцо 16 (см. рис. 4.10), состоящее из трех секторов, стянутых между собой пружиной 15. При вращении ротора турбины секторы кольца под воздействием центробежной силы прижимаются к расточке заднего лабиринта второй опоры роторов двигателя и тем самым осуществляют уплотнение полостей.

Специальные грузики М на валу ротора турбины и балансировочные эксцентриковые шайбы 9, смонтированные в шейке 8 ротора, предназначены для устранения дисбаланса ротора.

На шейке 8 задней части ротора смонтированы кольцедержатель с лабиринтными гребешками и роликоподшипник 10, который является задней опорой турбины компрессора. Передней опорой ротора турбины служит хвостовик задней части диска X ступени ротора компрессора.

Вал турбины компрессора и шейка ротора изготовлены из нержавеющей деформируемой стали, диск турбины, покрывающий диск и лабиринты — из хромоникельтитановой стали; рабочие лопатки обеих ступеней — из жаропрочной деформируемой стали.