Авиационная газовая турбина

Авиационная газовая турбина, один из основных агрегатов авиационных газотурбинных двигателей; по сравнению со стационарными газовыми турбинами, авиационная газовая турбина при большой мощности имеет малые габариты и массу, что достигается конструктивным совершенством, большими осевыми скоростями газа в проточной части, высокими окружными скоростями рабочего колеса (до 450 м/сек) и большим (до 250 кдж/кг или 60 к кал/кг) теплоперепадом. Авиационная газовая турбина позволяет получать значительные мощности: например, одноступенчатая турбина современного двигателя развивает мощность до 55 Мвт (75 тыс. л. с.). Преимущественное распространение получили многоступенчатые авиационные газовые турбины , в которых мощность одной ступени обычно 30—40 Мвт (40—50 тыс. л. с.). Для авиационных газовых турбин характерна высокая температура газа (850—1200°С) на входе в турбину. При этом необходимый ресурс и надёжная работа турбины обеспечиваются применением специальных сплавов, отличающихся высокими механическими свойствами при рабочих температурах и устойчивостью в отношении ползучести, а также охлаждением сопловых и рабочих лопаток, корпуса турбины и дисков ротора.

  Распространено воздушное охлаждение, при котором воздух, отбираемый из компрессора, пройдя через каналы системы охлаждения, поступает в проточную часть турбины.

 Авиационные газовые турбины служат для привода компрессора турбореактивного двигателя, компрессора и вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя и для привода компрессора и винта турбовинтового двигателя. Авиационные газовые турбины используются также для привода вспомогательных агрегатов двигателей и летательных аппаратов — пусковых устройств (стартеров), электрических генераторов, насосов горючего и окислителя в жидкостном ракетном двигателе.

  Развитие авиационных газовых турбин идёт по пути аэродинамического конструктивного и технологического совершенствования; улучшения газодинамических характеристик проточной части для обеспечения высокого кпд в широком диапазоне изменения режимов работы, характерном для авиационого двигателя; уменьшения массы турбины (при заданной мощности); дальнейшего повышения температуры газа на входе в турбину; применения новейших высокожаропрочных материалов, покрытий и эффективного охлаждения лопаток и дисков турбины. Развитие авиационных газовых турбин характерно также дальнейшим увеличением числа ступеней: в современных авиационных газовых турбинах число ступеней доходит до восьми. 

Тема 11. Турбодетандеры.

Область применения, классификация и особенности работы турбодетандеров; характеристика турбодетандера.

ТурбодетандерЫ

Вращающееся рабочее колесо является очень ответственной частью турбодетандера. Оно должно обладать высокими аэродина­мическими качествами и необходимой прочностью как в нормальных температурных условиях, так и в условиях низких температур.

Конструкция реактивного колеса с длинными лопатками в большой мере зависит от числа лопаток. Первые конструкции колес делались с большим (порядка 80) числом лопаток. Однако конструктивно и технологически колеса с большим числом лопаток получаются сравнительно сложными, так как их приходится делать наборными, со вставными лопатками, изготовляемыми из тонких пластинок. Колеса с малым числом относительно толстых лопаток могут быть цельнофрезерованными, более прочными и легкими, что позволяет значительно увеличить допустимую окружную скорость, т. е. получить больший теплоперепад в одной ступени. Поэтому в последних конструкциях турбодетандеров применяются цельнофрезерованные колеса с небольшим числом лопаток.

Опыт показал, что колеса с 17-20 лопатками являются вполне удовлетворительными как с газодинамической, так и конструктивной точки зрения.

Окружные скорости рабочих колес реактивных турбодетандеров находятся в пределах 150-400 м/с. Поэтому колеса должны обладать высокими газодинамическими качествами, достаточной механической прочностью при нормальных и низких температу­рах и малым весом.

Рис. 1, Рабочее колесо реак­тивного турбодетандера с двух­сторонним выходом газа:

1 - стрелка; 2 - покрывные диски; 3 - лопатки; 4 – кольцо

Первые отечественные реактивные турбодетандеры, разрабо­танные под руководством акад. П. Л. Капицы, имели рабочие колеса с двусторонним выходом газа (рис. 1).

Колесо состоит из стрелки, в прорези которой вставляются лопатки, изготовленные из листовой стали.

В средней части лопаток имеются заплечики, входящие в кольцевые пазы покрывных дисков, а в верх­ней части - выступы, которые рас­клепываются в прорезях покрывных дисков. Для предотвращения смеще­ния и вибрации лопаток заплечики вводятся в кольцо с прорезями. Чи­сло лопаток в колесах такой кон­струкции было значительным - 36 длинных и 36 коротких. Стрелка и покрывные диски изготовлялись из поковок нержавеющей стали, а ло­патки из листового проката этой же стали.

Ввиду того, что подобные колеса имеют значительный вес, располага­ются в средней части ротора и уда­лены от опор, критическое число обо­ротов ротора обычно бывает ниже ра­бочего числа оборотов, т. е. вал получается «гибким». Для предотвращения значительных колебаний и больших прогибов вала при переходе через критическое число оборотов одну опору снабжают демпфирующим устройством.

В современных турбодетандерах обычно применяются закры­тые и полуоткрытые рабочие колеса с односторонним выходом газа, расположенные на консоли вала.

Закрытое рабочее колесо с односторонним выходом газа (рис. 2) состоит из покрывного и лопаточного дисков, соединяе­мых заклепками. Лопаточный диск может изготовляться фрезе­рованием, штамповкой или методом точного литья по выплавляе­мым моделям. Однако, ввиду того, что количество выпускаемых однотипных рабочих колес сравнительно невелико, обычно лопа­точные диски выполняются фрезерованием. Оба диска изгото­вляются из поковок алюминиевого сплава марки АК6. Заклепки, соединяющие диски рабочего колеса, изготовляются из алюминие­вого сплава марки В65.

Рис. 2. Закрытое рабочее колесо реактивного турбодетандера с односторонним выходом газа: 1 - лопаточной диск; 2 - покрывной диск: 3 - заклепка; 4 - гребни лабиринтных уплотнении

Число лопаток рабочих колес подобного типа обычно равно 17—21. Толщина лопатки делается на 1—1,5 мм больше диаметра заклепки и находится в пределах от 8 мм для больших колес до 2,5 мм для малых.

Для уменьшения действующих на рабочее колесо осевых сил на лопаточном диске делается разгрузочный бурт, на котором располагаются лабиринтные уплотнения, а кольцевая полость между лабиринтами разгрузочного бурта и лабиринтами вала соединяется отверстиями с выходной воронкой колеса. Для уменьшения утечек газа лабиринтные уплотнения на ступице покрывного диска и на разгрузочном бурте могут выполняться ступенчатыми.

Гребни лабиринтных уплотнений изготовляются из латунной или никелевой фасоннойленты и зачеканиваются в пазы дисков рабочего колеса медной проволокой.

Окончательная механическая обработка рабочих колес и зачеканка лабиринтных гребней производятся после клепки.

Рабочие колеса с односторонним выходом газа, располагае­мые на консоли вала, соединяются с валом на конической посадке с конусностью 1 : 10. Для передачи крутящего момента служат две призматические шпонки. Колесо крепится к валу болтом, головка которого образует внутренние стенки выходного канала воронки рабочего колеса. Применене конической посадки поз­воляет производить многократные разборку и сборку ротора без нарушения характера посадки.

Рабочие колеса малых турбодетандеров (диаметром d₁ < 100 мм) выполняются большей частью в виде полуоткрытых колес радиально-осевого типа с углом установки лопаток на входе, равным 90° (рис. 3).

Подобные рабочие колеса обладают большой механической прочностью, так как лопатки испытывают только растягивающие нагрузки; изготовленные из алюминиевого сплава АК6, они могут надежно работать при окружной скорости до 500 м/с.

Толщина лопаток у основания обычно равна 1-1,5 мм, а количество их на диаметре определяется минимальным диаметром фрезы.

В настоящее время в отечественных турбодетандерах нашли широкое применение радиально-осевые рабочие колеса закрытого типа (рис. 4).

Рис. 4. Закрытое рабочее колесо реактивного турбодетандера радиально-осевого типа: 1 - лопаточный диск; 2 - крыльчатка; 3 - покрывной диск; 4 - заклепки;

5 - гребень лабиринтного уплотнения.

В эксплуатации еще находятся турбодетандеры активного типа. Колеса этих машин выполнены наборными или цельнофрезерованными с большим количеством коротких лопаток - до 125 шт. (рис. 5).

Рис. 5. Рабочее колесо активного турбодетандера с наборными лопатками:

1 - диск рабочего колеса; 2 - сопатка; 3 – проставка; 4 - ободок; 5 - замковое кольцо; 6 - клиновое кольцо.

После окончательного изготовления рабочие колеса сравни­тельно больших диаметров (d₁100 мм) подвергаются стати­ческой балансировке в специальных качалках. Допустимая вели­чина небаланса принимается такой, чтобы вызываемое ею смеще­ние центра тяжести рабочего колеса с оси вращения не превышало 5 мкм.

Криогенные турбодетандеры

Турбоагрегаты используются в технологических циклах установок разделения воздуха и азотных ожижителей. Основным узлом турбоагрегата является модуль, соединяющий в единый блок ступени турбодетандера и тормозного компрессора. Отличительная особенностью агрегата заключается в том, что совершенство конструкции в сочетании с использованием мощности детандера для дополнительного сжатия рабочего газа в центробежном компрессоре существенно повышает технико-экономические показатели установок разделения воздуха нового поколения. В создаваемых системах термостатирования в качестве источника холода применяется турбодетандерный агрегат, что позволяет исключить инерционность технологических процессов и обеспечивает требуемую динамику выхода системы на рабочий режим.

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

Рабочее тело, представляющее к концу про­цесса наполнения смесь свежего заряда с остаточными га­зами, в процессе развития рабочего цикла подвергается сжатию. Сжатие рабочего тела предшествует процессу сгорания топлива.

Одним из основных параметров, определяющих раз­витие процесса сжатия и всего цикла в целом, является степень сжатия ε. Чем выше степень сжатия, тем при про­чих равных условиях выше степень расширения газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Соответ­ственно этому расширяются пределы изменения состояния рабочего тела, что повышает степень преобразования теплоты в работу.

Для повышения термодинамических показателей цикла степень сжатия стремятся увеличивать. Однако в реаль­ных условиях ε ограничена в зависимости от типа двига­теля, его конструкции и условий применения. Для кар­бюраторных двигателей степень сжатия ограничивается детонацией, вероятность возникновения которой повыша­ется с ростом температуры и давления конца сжатия и в процессе сгорания топлива. Для карбюраторных дви­гателей ε = 6 - 10; для дизелей ε = 13 - 23,5. Минималь­ное значение степени сжатия дизеля определяется усло­виями надежного воспламенения топлива. Поэтому необ­ходимо, чтобы температура рабочего тела в конце сжатия (определяемая в) превышала температуру самовоспламе­нения топлива не менее чем на 200—300 К. Максимальное значение ε для дизелей определяется выполнением усло­вий обеспечения заданной надежности двигателя.

При рассмотрении теоретических циклов предполагали, что процесс сжатия рабочего тела развивается без тепло­обмена (адиабатически). В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер и сопровождается пере­менным теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра. Кроме того, в процессе сжатия происходит утечка рабочего тела через неплотности поршневых ко­лец и клапанов, а в карбюраторном двигателе — испаре­ние частиц топлива, поступившего в цилиндр в капельно­жидком состоянии. В этих условиях процесс сжатия явля­ется политропным с переменным показателем поли­тропы n'.

Изменение n' во время процесса сжатия приведено на рис. 1 (здесь показано также изменение температуры рабочего тела и показателя адиабаты К). В начальный период сжатия температура рабочего тела ниже темпера­туры стенок цилиндра. На рассматриваемом участке про­цесса повышение температуры и внутренней энергии ра­бочего тела происходит не только в результате подвода теплоты от стенок, но и за счет работы сжатия, причем показатель политропы n' больше показателя адиабаты k. По мере повышения температуры рабочего тела интенсив­ность подвода теплоты снижается, показатель политропы сжатия уменьшается, причем его значение приближается

Риc. 1. Изменение температуры рабочего тела, показателя адиабаты k и показателя политропы n' в процессе сжатия для транспортного дизеля:

I - отвод теплоты в стенки; II - подвод теплоты к газу

Рис. 2, Характер протекания процесса сжатия в действитель­ном цикле четырехтактного дви­гателя

к значению показателя адиабаты k. В момент, когда тем­пература рабочего тела сравняется с температурой сте­нок, теплообмен на мгновение прекратится.

При дальнейшем сжатии температура рабочего тела превышает температуру стенок. Тепловой поток изменяет направление — рабочее тело отдает теплоту стенкам, показатель политропы становится меньше показателя ади­абаты (n' < k) и непрерывно уменьшается с повышением температуры рабочего тела.

Для упрощения расчета цикла переменный по ходу сжатия показатель n' заменяют некоторым средним, по­стоянным по значению показателем n₁ при pVⁿ = const.

Характер протекания процесса сжатия в действитель­ном цикле четырехтактного двигателя показан на рис. 2.

Параметры рабочего тела в конце сжатия определяются с учетом среднего значения показателя политропы n', постоянного для всего процесса. Принимая, что начало сжатия, совпадает с НМТ, имеем

При расчете рабочего цикла n' следует назначать ис­ходя из особенностей проектируемого двигателя с учетом факторов, влияющих на развитие процесса сжатия.

ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

При расширении часть тепловой энергии, под­веденной к рабочему телу при сгорании топлива, преобра­зуется в механическую и расходуется на совершение ра­боты.

В реальных условиях расширение начинается в ВМТ и в начальной стадии протекает одновременно с процессом сгорания.

К числу факторов, определяющих развитие процесса расширения, относятся продолжающееся тепловыделение, обусловленное догоранием топ­лива, и теплоотдача в стенки цилиндра. При этом соот­ношение между количеством теплоты, подведенной к рабочему телу и отведенной от него, непрерывно меняется. На процесс расширения влияют также утечка газа, выз­ванная неплотностями, изменение интенсивности диссо­циации и теплоемкости рабочего тела.

Таким образом, расширение рабочего тела следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы n'. Однако вследствие трудностей, возникающих при использовании переменных значений n', при расчетах действительный процесс расширения заме­няют условным с некоторым средним по значению пока­зателем n'₂.

В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние показатели политропы расширения n'₂ = 1,18 - 1,32.

Начальные и конечные параметры рабочего тела в про­цессе расширения расчетного цикла связаны известными термодинамическими соотношениями

Учитывая, что

получаем

Для карбюраторных двигателей ρ = 1, поэтому