Многоступенчатые осевые реактивные турбины

В авиационных ГТД применяются многоступенчатые турбины со ступенями давления. РК ступеней могут располагаться на одном валу (в ТРД и ТВД) или на нескольких валах (обычно на двух дли трех) в ТРДД и турбовальных двигателях.

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных ступеней, каждая из которых имеет СА и РК.

Остановимся на вопросе о формах проточной части турбины. По мере понижения давления в процессе расширения плотность газа падает. В соответствии с уравнением расхода падение плотности может быть компенсировано увеличением либо осевой скорости потока, либо площади поперечного сечения проточной части (обычно за счет высоты лопаток).

В выполненных конструкциях многоступенчатых турбин сочетается увеличение осевой скорости с одновременным увеличением высота лопаток.

Конкретная форма меридионального профиля проточной части турбины определяется конструктивными и технологическими сооб-

- 30 -

ражениями, с учетом влияния выбранной формы на к.п.д. турбины. Наиболее часто применяются следующие формы (рис. 2.2):

а) с постоянным наружным диаметром (ВК‑1, РД‑3М);

б) с постоянным (или близким к постоянному) средним диаметром (АИ‑20, Д‑20П, Д‑30);

в) с постоянным внутренним диаметром (последующие модификации Д‑30);

г) с возрастающими внутренним и наружным диаметрами.

Ознакомимся с одновальными многоступенчатыми турбинами на примерах двигателей, представленных в лаборатории.

ТРД РД‑3М имеет 2-ступенчатую турбину. Теплоперепад, который надо сработать в этой турбине для обеспечения мощности, достаточной для вращения компрессора с  составляет 432 кДж/кг. В 1‑й ступени срабатывается 55% этого теплоперепада, а во второй – остальные 45%.

Принципиальная схема этой турбины показана на рис.2.2, 1. Диски РК обеих ступеней жестко связаны между собой и с валом. Постоянный наружный диаметр этой турбины делает более технологичной конструкцию её корпусов, уменьшает массу турбины в целом (а также и реактивного сопла) и позволяет сохранить диаметральные размеры двигателя неизменными.

Скорость газа на выходе из СА 1‑й ступени турбины С_1I = 501 м/с, а для 2‑й – С_1II = 485 м/с. Это объясняется тем, что температура на выходе иp СА 2‑й ступени ниже, следовательно, ниже и местная скорость звука. А мы уже напоминали о том, что в сужающихся соплах скорость истечения может лишь незначительно превышать местную скорость звука (за счет “косого среза”). Так как окружная скорость на среднем диаметре РК 2‑й ступени тоже меньше, то отношение  в обеих ступенях отличается мало и может быть ближе к оптимальному.

На выходе из РК 2‑й ступени поток имеет остаточную закрутку . Это видно из того, что стойки реактивного сопла имеют несимметричный аэродинамический профиль, т.е. предназначены для придания потоку осевого направления. По форме сечения этих стоек можно определить, в каком направлении был закручен поток за турбиной.

- 31-

Рис. 2.2. Форма меридионального сечения проточной части
многоступенчатых турбин:
1 – 2-ступенчатая турбина ТРД с D_т = const,
2 – 3-ступенчатая турбина ТВД с D_ср = const,
3 – 3-ступенчатая турбина 2-вального ТРДД с D_ср = const,
4 – 4-ступенчатая турбина 2-вального турбовального
ГТД с D_вт = const,
5 – 5-ступенчатая турбина 2-вального ТРДД с D_вт = const,
6 – 5-ступенчатая турбина 3-валъного ТРДД с
увеличивающимися D_т и D_вт

- 32 -

При ознакомлении с турбиной данного двигателя надо обратить внимание на торцевые лабиринтные уплотнения между РК 1‑й ступени и СА 2‑й ступени и между СА 2-й ступени и РК 2-й ступени. Эти лабиринты в некоторой степени уменьшают- утечку газа через осевые зазоры и этим способствует повышению к.п.д.

ТВД АИ‑20 – снабжен 3‑ступенчатой турбиной со средним диаметром D_ср » const. Это обосновано тем, что в принятой конструктивной схеме этого двигателя воздушный винт приводится во вращение через редуктор, от вала компрессора. Следовательно, в турбине должен срабатываться теплоперепад, достаточный для того, чтобы её мощность обеспечивала привод компрессора и воздушного винта.

Распределение теплоперепада между ступенями этой турбины таково: 1‑я ступень – 30,4%, 2‑я ступень – 33,8%, 3‑я ступень – 35,8%.

Если бы турбина имела постоянный наружный диаметр, то высота лопаток 2‑й  и 3‑й ступеней была бы большей и, возможно, что в корневом сечении 3‑й ступени имела бы место отрицательная реактивность. Кроме того, при большом наклоне поверхностей втулок к оси турбины более вероятен отрыв потока от этих поверхностей, т.е. увеличение гидродинамических потерь.

При ознакомлении с этой турбиной надо обратить внимание на мероприятия по уменьшению перетекания газа черев радиальные и осевые зазоры. Металлокерамические вставки в корпусах позволяет уменьшить радиальные зазоры между лопатками РК и корпусом. В случае задевания вставки срабатываются.

Лабиринтные уплотнения между СА и РК 2‑й и 3‑й ступеней, выполненные на цилиндрических поверхностях, более эффективно предотвращают утечку газа го сравнению с торцевыми уплотнениями.

Двухвальные турбины

В современных авиационных двигателях часто возникает необходимость группировать ступени турбины так, чтобы роторы этих групп могли вращаться независимо друг от друга, с различной частотой вращения.

- 33 -

Чаще всего применяются 2‑вальные турбины, реже встречается на современных двигателях 3‑вальные турбины.

Группу первых ступеней, РК которых связаны между собой и передают крутящий момент на общий вал, называют турбиной высокого давления (ТВД). Группу последующих ступеней, РК которых передают крутящий момент на второй вал, называют турбиной низкого давления (ТНД). (В 3‑вальных турбинах есть ещё турбина среднего давления – ТСД.)

Ознакомимся с 2-вальныки турбинами на примерах двигателей, представленных в лаборатории.

2-вальная турбина ТРДД  Д‑20П (рис.2.2, 3)

Вы помните, что компрессор этого двигателя 2‑каскадный: и включает компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД). Секундный расход воздуха через КНД примерно вдвое больше, чем через КВД. Поэтому значительно больше высота лопаток и диаметр КНД. Так как окружная скорость лопаток РК ограничена, то при большем диаметре необходимо уменьшить частоту вращения ротора. Отсюда и вытекает наиболее простое решение – приводить во вращение ротор КВД от ТВД, а ротор КНД от ТНД, как это и сделано в большинстве двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД).

ТВД  ТРДД Д‑20П – одноступенчатая, имеет частоту вращения n_max = 11700 об/мин. ТНД этого двигателя двухступенчатая с частотой вращения n_max = 8850 об/мин.

Проточная часть обеих турбин выполнена с примерно постоянным средник диаметром (D_ср » const). При выборе формы проточной части 2‑вальной турбины приходятся учитывать, кроме наложенных выше соображений, ещё и значение отношения  U/C₁ в одной ступени, или аналогичный ему параметр y – для нескольких ступеней, т.к. эти величины существенно влияют на к.п.д. турбины.

Примечание. Напомним, что , где C_из – изоэнтропная (адиабатная) скорость истечении газа из СА; U_ср – средняя окружная скорость ступени.

- 34 -

В нашем примере выполнение турбины с постоянным диаметром втулки (D_вт = const) привело бы к значительному увеличению диаметральных размеров корпуса и дисков ТНД, а следовательно, и массы турбины и двигателя в целом.

Если же выполнить проточную часть с постоянным наружным диаметром (D_т = const), то уменьшение D_ср и окружной скорости U_ср приведет к уменьшению параметра  y  ТНД и снижению ее к.п.д.

При ознакомлении с данной турбиной надо обратить внимание на лабиринтные уплотнения между РК 1‑й ступени и СА 2‑й ступени и между РК 2‑й ступени и СА 3-й ступени. Турбина ТРДД Д‑30 выполнена по аналогичной схеме, но ТВД – двухступенчатая, как и ТНД. Проточная часть ТВД имеет D_вт » const, а ТНД – D_ср » const  из тех же соображений, что были изложены выше.

2-вальная турбина турбовального вертолётного двигателя ТВ2‑117А (рис. 2.2, 4)

У этого двигателя два потребителя мощности турбина. Первый из них – это 10‑ступенчатый компрессор двигателя, а второй – в основном несущий винт вертолёта (кроме того, хвостовой винт). В целях уменьшения габаритов и массы двигателя применена высокая частота вращении ротора турбокомпрессора n_max = 21200 об/мин). Несущий винт вертолёта имеет большой диаметр и его частота вращения обычно не превышает 600…700 об/мин. Вращение от вала турбины передается валу винта через редуктор. Чтобы редуктор был проще по конструкции, меньше по габаритам и по массе, надо, чтобы передаточное число редуктора ( ) было как можно меньшим, т.е. частота вращения вала двигателя (турбины) была как можно ниже. Но, как уже было сказано, для уменьшения габаритов и массы двигателя, числа ступеней турбины и повышения параметра нагруженности y (хороший к.п.д.), эта частота вращения должна быть как можно больше. Наиболее простое разрешение этого противоречия очевидно.

Турбине делится на две части. Турбина высокого давления (у этого двигателя она называется турбиной компрессора) двухступенчатая, приводит во вращение компрессор с указанной выше частотой вращения. Турбина низкого давления (в данном случае она называется свободной турбиной) также двухступенчатая, передаёт вращение через редуктор на воздушный винт вертолёта. Улучшение нагруженности ТНД (y) можно обеспечить небольшим увеличением её диаметров.

- 35 -

Частота её вращения почти вдвое меньше и составляет n_max = 12000 об/мин. Из соображений удобства компоновки валы обеих турбин направлены в противоположные стороны.

Проточная часть турбина выполнена с D_вт = const. Это выгодно с конструктивной и технологической точек зрения. Малые диаметральные размеры создают трудности в размещении опор и других элементов конструкции и уменьшение D_вт нежелательно. Постоянный диаметр втулки позволяет заполнить часть элементов конструкции ротора одинаковыми или частично одинаковыми, что очень выгодно с технологической точки зрения.

С точки зрения получения оптимального значения параметра  y увеличение D_ср свободной турбины тоже выгодно.

При ознакомлении с данной турбиной следует обратить внимание на бандажирование лопаток РК всех ступеней и на лабиринтные уплотнения между ступенями.

Напомним, что эффективность преобразования энергии в турбовальных двигателях более полно учитывается мощностным к.п.д. , который учитывает также потери с выходной скоростью (кинетическая энергия потока за турбиной нигде в двигателе не используется).

Потребителем энергии свободной турбины в турбовальном двигателе может быть не только винт вертолета, но и любой, агрегат на земле или на борту самолета.

На рис. 2.2, 5 изображена схема проточной части двухвальной турбины ТРДД с D_вт = const. Такая схема применяется в ТРДД с больной степенью двухконтурности, т.е. таких, где расход воздуха черев КНД (или вентилятор) значительно превышает расход через КВД. При этом увеличивается разница в диаметральных размерах КНД и КВД. Это в свою очередь приводит к более значительной разнице в частотах вращения роторов низкого и высокого давления и на первый план выступает необходимость обеспечения оптимального параметра y. Кроме того, рассматриваемая схема имеет уже рассмотренные выше конструктивные и технологические преимущества.

На рис. 2.2, 6 изображена схема проточной части 3-вальной турбины ТРДД. В таких двигателях расход воздуха через наружный контур двигателя во много раз (5...8) больше, чем через внут-

- 36 -

ренний, а степень повышения давления в компрессоре достигает .

Приходится иметь вентилятор с большим диаметром лопастей и малой частотой вращения, а дальнейшее повышение давления осуществлять в двухкаскадном компрессоре, состоящем из КСД и КВД. Соответственно, в турбине, изображенной на схеме, имеется одноступенчатая ТВД, одноступенчатая ТСД и трёхступенчатая ТНД. Роторы всех трёх турбин вращаются с разными частотами, существенно отличающимися по величине. Увеличение одновременно внутреннего и наружного диаметров необходимо для получения оптимального параметра y для всех трех турбин и высокого к.п.д. турбины в целом.