2.2 Газовая турбин, назначение, классификация по принципам работы. Основные узлы. Режимы работы. Газовая динамика турбины Газовая турбина.
Турбина – важнейший узел двигателя, определяющий его ресурс, надежность и стоимость. Затраты только на изготовление рабочих и сопловых лопаток газовой турбины составляют до 20% стоимости всей газотурбинной установки.
Газовая турбина представляет собой лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками. Турбина – это зеркальное отражение компрессора.
Ступень турбины – зеркальное отражение ступени компрессора: сначала установлены неподвижные лопатки соплового аппарата, а затем вращающийся диск с рабочими лопатками.
Межлопаточные каналы и сопловых и рабочих лопаток – сужающиеся.
Расширение газов связано с меньшими потерями, чем их сжатие. В связи с этим в одной ступени турбины преобразуется большая энергия, чем в одной ступени компрессора, поэтому число ступеней турбины намного меньше числа ступеней компрессора. Степень расширения в одной ступени турбины: (1,9-2,2).
В сопловом аппарате происходит разгон потока газа, при котором температура и давление газа уменьшается, а кинетическая энергия (скорость) увеличивается. Этот скоростной напор газа раскручивает рабочее колесо турбины, при этом происходит дальнейшее уменьшение давления и температуры газового потока, что свидетельствует об уменьшении кинетической энергии газа, превратившейся в механическую работу на валу турбины.
Состав турбины:
– Статор (корпусы сопловых аппаратов, сопловые лопатки, корпусы опор, а также дефлекторы и кожухи, обеспечивающие подвод воздуха на охлаждение узлов турбины).
– Ротор (вал, диск, рабочие лопатки).
– Опоры ротора.
Крепление сопловых лопаток может быть как разборным, так и неразборным (сваркой). Крепление рабочих лопаток осуществляется замками «елочного» типа.
Рис. 21. Изменение радиального зазора на рабочих лопатках турбины.
Наиболее опасный режим для рабочих лопаток – остановка двигателя без предварительного охлаждения.
Охлаждение деталей турбины.
Нагрев деталей сопровождается ухудшением механических свойств материала. Допустимая температура газов перед турбиной ограничивается прочностью сопловых и рабочих лопаток турбины. Для поддержания необходимой надежности узлов газовой турбины при работе в высокотемпературном газовом потоке предусмотрено охлаждение турбины.
Цели охлаждения:
– поддержание температуры деталей в пределах, обеспечивающих их длительную механическую прочность, то есть повышение ресурса двигателя;
– выравнивание температуры деталей по объему для уменьшения термических напряжений;
– возможность применения менее жаропрочных, а значит более дешевых материалов;
– уменьшение радиальных зазоров между рабочими лопатками и корпусом турбины, что приводит к повышению эффективности рабочего процесса.
Охлаждаемые узлы турбины:
– сопловые лопатки;
– замки рабочих лопаток;
– диски турбин;
– корпуса опор ротора.
Охлаждение осуществляется внешним обдувом деталей турбины вторичным потоком воздуха из рубашки охлаждения камеры сгорания (температура этого воздуха примерно 5000С).
Помимо внешнего охлаждения (обдува) используется и внутреннее охлаждение, то есть циркуляция охлаждающего воздуха внутри пустотелых сопловых и рабочих лопаток. Технология изготовления таких лопаток намного сложнее и поэтому их стоимость соответственно выше.