5-turbiny_AD_i_EU-nemnogo_dopoln

1.

5. ТУРБИНЫ
АД и ЭУ
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Место турбины в цикле двигателя
Турбина определяет ресурс и надежность двигателя.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

2.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Данные GE:
Элементы двигателя
Средняя наработка, час.
Опоры и уплотнения
8300
Камера сгорания
11500
Лопатки турбин
6500
Лопатки компрессора
10000
Диски
11500
Силовой корпус
18000
Стоимость лопаток
составляет примерно 20%
от стоимости всего
двигателя.
Трудоемкость изготовления
лопатки ТВД >
трудоемкости
изготовления автомобиля.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

3.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Турбина: в межлопаточных каналах потенциальная энергия газа
преобразуется в кинетическую энергию, давление и
температура падают, а скорость растет.
Ступень турбины: сопловой аппарат (СА) и следующее за ним
рабочее колесо (РК).
По способу образования
крутящего момента на РК
ступень может быть
активной и реактивной.
Степень реактивности
ступени - отношение
теплоперепада,
срабатываемого в РК, к
полному перепаду,
срабатываемому в
H рк .
ступени:
H cт
В АД применяются
реактивные ступени с
величиной =0,2...0,5
(более высокий к.п.д. в
КиПДЛА
СГАУ сКафедра
сравнении
активными).
Проф. С.В.Фалалеев

4.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Количество ступеней в ГТ определяется общим
потребным теплоперепадом, срабатываемым в
турбине, из расчета 250...ЗОО Дж/кг в одной
ступени, исходя из назначения двигателя с
учетом требований по экономичности, массе и
технологичности.
В многоступенчатых ГТ величина по ступеням
возрастает с целью снижения потерь на
коротких лопатках первой ступени.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

5.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Основные параметры и признаки турбин:
• температура Tг* (1250-1640-1880 K и выше) и давление Pг* на
входе в турбину;
Увеличение температуры газа перед турбиной приводит к увеличению тяги, если
не меняются габариты двигателя. Если тяга остается неизменной, то
увеличение температуры приводит к уменьшению потребного расхода воздуха.
В этом случае уменьшаются габариты двигателя.
количество ступеней (доходит до 8-ми на ТF -39);
к.п.д. тур6ины ( T =0,9...0,93);
распределение теплоперепада по ступеням;
количество валов (до 3-х );
форма проточной части;
наличие охлаждения элементов конструкции;
геометрические соотношения элементов проточной части
(относительные удлинения лопаток, относительные втулочные диаметры,
осевые зазоры и т.д.);
принципиальные конструктивные решения (количество и
расположение опор; наличие демпферов в опорах; тип применяемых
уплотнений; способ соединения и передачи крутящих моментов в роторе;
особенности конструкции лопаток, дисков, валов и т.д.).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

6.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Конструктивные схемы
газовых турбин:
двухроторного ТВД (ТВ2-117);
двухроторного ТРДД (АИ-25);
трехроторного ТРДД (Д-36)
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

7.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.2. ТРЕБОВАНИЯ К ТУРБИНАМ АД и ЭУ
Турбины определяют экономичность, вес и надежность двигателя.
Требования:
5.2.1. Высокие значения к.п.д. на расчетных режимах
Это требование обеспечивается:
• правильным выбором количества ступеней и формы проточной
части; оптимальным распределением теплоперепада по
ступеням и значений рабочих параметров в проточной части;
• рациональным профилированием сопловых и рабочих лопаток,
уменьшающим радиальное перетекание газа в осевых зазорах
ступеней, а также закрутку потока газа за турбиной;
• уменьшением расхода воздуха на охлаждение (норма 12%);
• уменьшением перетекания газа в радиальном зазоре по концам
рабочих лопаток между ступенями и внутри рабочего колеса (за
счет снижения до минимума величины зазора, применением
охлаждения статора, различных периферийных уплотнений, а
также бандажирования рабочих лопаток);
• тщательной отделкой поверхностей проточной части в целях
снижения потерь на трение; плавностью трактовых поверхностей
статора и ротора; снижением аэродинамических сопротивлений
различных
и ребер.
Кафедра
КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев
СГАУ стоек

8.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.2.2. Минимальный вес и габариты
Вес турбины - 0,25...0,3 от веса двигателя. Компрессор - 0,5...0,6.
Это требование достигается:
• уменьшением числа ступеней за счет увеличения
теплоперепада в одной ступени и окружных скоростей (до 450
м/с и более) (ограничение: прочность рабочих лопаток и
дисков);
• увеличением температуры газа перед турбиной;
• применением больших осевых скоростей газа (до 500 м/с);
• выбором оптимальной формы проточной части;
• правильным выбором силовой схемы турбины;
• применением жаропрочных, жаростойких и других
конструкционных материалов с повышенными свойствами;
• снижением до допустимого минимума запасов прочности;
• строгим учетом действующих факторов, достоверностью и
точностью расчетов на прочность и колебания;
• рациональным конструированием отдельных деталей и узлов
(равнопрочные диски, лопатки с удлиненной ножкой,
самоконтрящиеся болтовые соединения, сварные роторы и
статоры, "гибкие" роторы, минимальные осевые зазоры между
ротором и статором, размещение опор внутри ротора, введение
КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев
СГАУ Кафедра
демпферов
и др.).

9.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.2.3. Простота и технологичность конструкции
Наиболее труднореализуемо.
Конструкция турбины определяется:
• высокой температурой газа и необходимостью охлаждения
элементов турбины;
• числом ступеней и каскадов в турбине;
• числом и расположением опор;
• необходимостью обеспечения минимальных радиальных
зазоров в проточной части и их стабильности в течение ресурса
при недостаточной жесткости корпусов и ротора турбины и в
условиях больших перепадов температур на различных
режимах работы;
• сложностью подвода смазки к межвальным подшипникам и
отвода ее из опор, а также необходимостью теплоизоляции и
суфлирования масляных полостей;
• сложной системой уплотнений и требованием их высокой
надежности;
• тяжелыми условиями работы практически всех элементов
конструкции - большими механическими (статическими и динамическими)
нагрузками при наличии высоких температур, многократной повторности
нагружения, газовой коррозии и других неблагоприятных факторов
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

10.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Технологичность конструкции определяет трудоемкость по всему
комплексу производственного процесса, расходы на
материалы, испытания и доводку.
Причины низкой технологичности газовой турбины:
• высокая стоимость жаропрочных сплавов (стоимость
материалов составляет около 40...50% стоимости двигателя):
• низкая обрабатываемость и плохая свариваемость
жаропрочных сплавов;
• большое количество лопаток и других деталей сложной формы
с высокими требованиями по точности и качеству поверхности;
• значительное число специальных, весьма
низкопроизводственных, технологических операций
(упрочняющие виды обработки, многокомпонентные
термобарьерные покрытия, пайка износостойких пластин,
сборка бандажированных рабочих колес и др.), а также
контрольных операций (до 20...30% трудоемкости
изготовления).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

11.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Снижение трудоемкости изготовления турбин:
• новые технологические приемы (бесприпусковая отливка лопаток,
горячий раскат крупногабаритных корпусных деталей, высокопрочностная
штамповка, электромеханическая и электроэрозионная обработка отверстий и
сложных фасонных поверхностей, электронно-лучевая сварка и др.),
• высокопроизводительное оборудование,
• совершенствование конструирования.
Эксплуатационная технологичность конструкции определяется:
• контролепригодностью: наличием достаточного количества датчиков,
обеспечивающих надежное обнаружение отказов, удобством осмотра и др.;
• ремонтопригодностью, заключающейся в приспособлении к
предупреждению и обнаружению причин отказов и устранение
их последствий путем проведения ремонта и технического
обслуживания (возможность замены отдельных узлов и деталей без снятия
двигателя; взаимозаменяемость без подгонок; исключение возможности
неправильной сборки н уникального оборудования при ремонте; удобство
техобслуживания и доступность осмотра; простой и удобный инструмент и
т.д.);
• эргономическими показателями (соответствие инструмента, отдельных
приспособлений и отдельных узлов по весу и усилиям возможностям человека;
наличие указателей, сборочных меток, опознавательной окраски, номеров
узлов и т.д., обеспечивающих качество обслуживания и ремонта).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

12.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.2.4. Высокая эксплуатационная надежность
Она определяется при конструировании, обеспечивается в
производстве и поддерживается в эксплуатации. Кроме
ремонтопригодности и контролепригодности надежность
определяется:
• безотказностью, т.е. способностью непрерывно сохранять
работоспособность в течение ресурса;
• долговечностью, т.е. свойством сохранять работоспособность
до наступления предельного состояния при установленной
системе техобслуживания;
• сохраняемостью, т.е. способностью непрерывно сохранять
исправное и работоспособное состояние в течение и после
хранения;
• прочностными показателями (запасы, связанные со
статической и длительной прочностью, с термостойкостъю,
ползучестью, жаростойкостью; максимально допустимые
пластические и упругие деформации, вибрационные
перегрузки; уровни затяжки различных резьбовых соединений;
меры по демпфированию колебаний и др.).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

13.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Все эти показатели обеспечиваются:
• высоким качеством конструирования турбины;
• правильным выбором конструктивной и силовой схемы турбины;
• наиболее полным учетом условий работы ее элементов;
• правильным выбором материалов, покрытий, термообработки и
назначением специальных технологических операций;
• достоверностью статических и динамических расчетов на прочность и
колебания;
• специальными конструктивными мерами (охлаждением и
теплоизоляцией отдельных элементов турбины; демпфированием
изгибных колебаний роторов; бандажированием рабочих лопаток;
надежной системой уплотнений; обеспечением оптимального
теплового режима подшипниковых узлов на всех режимах работы
двигателя и т.д.).
В процессе эксплуатации надежность поддерживается строгим
соблюдением всех действующих инструкций по эксплуатации,
техобслуживанию и ремонту. Необходим точный учет всех без
исключения происходящих дефектов и отказов.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

14.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3. Проектирование конструкции турбины
5.3.1. Выбор конструктивной схемы турбины
Определяется количеством и местом расположения опор. Консольно
можно повесить максимум 3 ступени.
Двухвальный двигатель. Возможны следующие варианты:
• Опора ТВД перед турбиной, под камерой сгорания. Опора ТНД за
турбиной. PW: JT9D, V-2500. Недостаток: опора ТВД находится в
зоне высоких температур.
• Опора ТВД находится за турбиной. ТНД может быть двухопорной.
Опора ТВД и передняя опора ТНД сведены в один силовой пояс,
который расположен между каскадами. GE: CF6. Недостаток: много
опор.
• Опора ТНД находится за турбиной. Опора ТВД межвальная,
находится между каскадами. НК-8. Преимущество: опоры
объединены в один сборочный модуль.
5
3
2
1
4
6
a
b
СГАУ Кафедра КиПДЛА
c
Проф. С.В.Фалалеев

15.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Трехвальный двигатель. Возможны
варианты:
• Опора ТНД за турбиной. Опоры
ТВД и ТСД расположены между
каскадами. Они объединены в
одну опору. RB-211, D-36, D-18T.
• Опоры ТСД и ТНД находятся
между каскадами и объединены в
один силовой пояс. Опора ТВД
межвальная, расположена со
стороны ТСД. Все опоры
объединены в одну опору. Один
общий подвод масла. Слив масла
общий. НК-25, НК-321.
5.3.2. Выбор проточной части
канала
Критерии и подходы те же, что и в
компрессоре
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

16.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.3. Проектирование рабочей лопатки
Конструктивная схема лопатки турбины
Основные элементы лопатки: бандажная полка, перо, полка
хвостовика, ножка, хвостовик, фиксатор, пластины для
исключения перетекания между ножками.
Бандажная полка исключает
перетекание газа в радиальном
направлении, увеличивает
жесткость лопатки и обеспечивает
демпфирование за счет трения. На
ней выполняются обычно
лабиринты. Полка хвостовика
формирует проточную часть.
Ножка лопатки позволяет
уменьшить массу диска и
рабочего колеса в целом.
Уменьшает тепловой поток от
лопатки к диску.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

17.

18.

19.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Проектирование
бандажной полки
Центр масс бандажной полки должен совпадать с центром масс
периферийного сечения.
Перо лопатки закручено вокруг радиальной оси. При действии центробежных сил
лопатка пытается раскрутиться. По рабочим площадкам необходимо обеспечить
натяг от 0 до 3 мм. При выборе натяга необходимо учесть температурные расширения полки, лопатки и
диска, а также ратяжение лопаток и диска из-за действия центробежных сил, раскрутку лопатки в поле газовых
и центробежных сил. Раскрутка пера и температурные расширения ведут к увеличению
натяга. Деформации пера лопатки и диска ведут к уменьшению натяга. Натяг
обеспечивается при монтаже за счет сил упругости: лопатка закручивается в сторону,
противоположную направлению естественному раскручиванию пера.
Контакт по рабочим площадкам является второй опорой лопатки. В контакте также
происходит демпфирование.
Гребешки лабиринтов обеспечивают сопротивление деформациям изгиба лопатки.
Наличие бандажной полки позволяет повысить к.п.д. ступени на 5 %. На 1-ой
ступени турбины часто не применяют из-за прочности.
При расчете на прочность рассчитывают отдельные части бандажной полки на изгиб.
Основные действующие нагрузки - центробежные силы.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

20.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Проектирование пера лопатки
Периферийное сечение должно нести бандажную полку.
У пустотелой лопатки минимальная толщина стенки на периферии
составляет 0,6...1,1 мм.
Соотношение площадей корневого и периферийного сечений
1,2...1,5 (3,5...5 - Кузнецов).
Применяют 3-D моделирование.
При работе лопатка испытывает растяжение и изгиб. При
прочностных расчетах учитываются центробежные и газовые
силы и температурные нагрузки.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

21.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

22.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

23.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

24.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

25.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

26.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

27.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

28.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

29.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

30.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Проектирование полки хвостовика и ножки
Основное требование: на полке необходимо разместить корневое
сечение лопатки.
Высота ножки составляет примерно 0,05 от высоты пера лопатки.
Ножка располагается по оси симметрии хвостовика и
рассчитывается на растяжение и изгиб от действия газовых и
центробежных сил.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

31.

32.

33.

34.

35.

36. Выбор хвостовика и расчет его на прочность Замок типа “Елка”. Угол замка может составлять 20, 30, 40, 45, 50, 55 градусов. Шаг

зубьев - 1,8...6 мм с допуском 0,008
мм. Существуют стандарты на хвостовик.

37.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Преимущества:
1). Клиновидная форма хвостовика и выступа диска являются
близкими к равнопрочной.
2). Хвостовик позволяет разместить большее количество лопаток,
чем замок типа “Ласточкин хвост”.
3). Зазоры по нерабочим поверхностям обеспечивают свободу
поворота и самоустановки лопатки при действии центробежных
сил; исключаются термические деформации хвостовика;
имеется возможность продувать хвостовик охлаждающим
воздухом.
4). Несущую способность хвостовика можно регулировать числом
(от 2 до 5) и высотой зубьев, углами.
5). Хорошее демпфирование.
Недостатки:
1). Концентрация напряжений во впадинах.
2). Необходима высокая точность изготовления,
чтобы все зубья одновременно работали.
Элементы зубьев и диска испытывают напряжения от смятия,
изгиба, среза и растяжения.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

38.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.4. Выбор конструкции
фиксаторов
Фиксаторы могут быть
индивидуальными и
групповыми.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

39.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.5. Выбор ширины лопаточных венцов
Ширина лопаточного венца в рабочем кольце уменьшается от
корня к периферии из-за прочности. У соплового аппарата
наоборот (оптимальные осевые зазоры и густота решеток на
разных радиусах).
5.3.6. Выбор осевых зазоров
Передний зазор (между рабочей лопаткой и сопловым аппаратом)
составляет (0,05...0,1)L, где L - длина пера лопатки. Задний зазор
- на 2...4 мм больше, так как от перепада давления сопловой
аппарат деформируется назад. Запас по деформациям - 2. Если
используются козырьки для уменьшения влияния
присоединенных объемов, то зазоры выбираются между этими
элементами.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

40.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.7. Выбор конструкции соплового аппарата
Традиционный сопловой аппарат: лопатка приваривалась к
корпусу. Нижняя часть лопатки входит с зазором во втулку. На
втулке закреплена металло-керамическая вставка,
расположенная над лабиринтом, который выполнен на
барабанной части ротора. Лопатки стоят во втулке с зазором
0,05 мм и центрируются, как спицы в колесе.
Преимущества: простота и минимальный вес.
Недостатки: сварка снижает прочность, имеются присоединенные
объемы, высокая температура наружной стенки корпуса.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

41.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
конструкция соплового аппарата - принцип двойной стенки
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

42.

43.

44.

45.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Изготавливаются блоки лопаток по 2...5 штук. Они жестко
закреплены в наружном корпусе. Имеется система уплотнений
между блоками. Трактовое кольцо над рабочим колесом имеет
разъемы и соответственно уплотнения в них. Уплотнения между
блоками должны быть упругими, что очень важно при
температурных изменениях.
Преимущества:
1). Реализуется принцип статора с двойной стенкой. При этом
температура корпуса меньше температуры внутренней стенки
(наружной стенки блока) на 150...350 K. Внутренняя стенка не
входит в силовую систему. Это исключает деформации
сопловых аппаратов и обеспечивает стабильность радиальных
зазоров.
2). Блоки лопаток повышают герметичность полости с
охлаждающим воздухом (меньшее количество стыков).
3). Высокое технологическое совершенство (бесприпусковое
литье, сварка).
4). Высокая надежность, ремонтопригодность.
Недостатки: сложность конструкции, больший вес, большее
количество деталей.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

46.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.8.
Выбор конструкции статора
Требования:
• Прочность и жесткость при повышенных температурах.
• Постоянство жесткости по окружности (радиальные зазоры).
• Герметичность по стыкам (медная проволока).
• Непробиваемость.
• Тепловое согласование элементов статора.
Всем этим требованиям в наибольшей степени соответствует
конструкция статора с двойной стенкой. Обычно статор турбины
изготавливается без разъема, либо с поперечными разъемами.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

47.

48. ТНД МТУ

49.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.9. Выбор конструкции ротора
Применяются роторы 2-х типов.
1). Дисковый ротор. Передача крутящего момента осуществляется
шлицами (ТВД, V-2500).
2). Барабанно-дисковый ротор. Передача крутящего момента
осуществляется: болтами со специальными вставками (НК-12)
или без них (V-2500), штифтами (РД-3М-500), треугольными
торцевыми шлицами (ТВ2-117).
79,05
379,70
335,4
181.4
V2500-A1
СГАУ Кафедра КиПДЛА
CFM56-5A1
Проф. С.В.Фалалеев

50.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Различные конструктивные варианты соединения элементов
ротора с использованием:
а - торцевых шлиц; б - штифтов; в - призонных болтов;
г - призонных втулок.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

51.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Конструктивные варианты
соединения элементов
ротора по
цилиндрическому
пояску с
использованием
радиальных штифтов:
а - по одной посадочной
поверхности;
b - вильчатый вариант;
c - разборный вариант;
d - соединение трех
деталей в одном узле с
отклонением оси
штифта от радиального.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

52.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Конструктивные
варианты
соединения
деталей ротора по
цилиндрическому
пояску с
использованием
радиальных
штифтов.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

53.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Тенденция
развития
конструкции
ротора ТВД
Меры против разбалансировки ротора во время работы:
1 - охватывающая деталь должна иметь меньшую радиальную
деформацию. При действии на ротор центробежной силы и
температуры диск деформируется больше. Это нужно
учитывать, чтобы не появился зазор по центрирующей
площади.
2 - Введение конических или цилиндрических перемычек
(использование теории длинных оболочек). Если L>3
( =1,286/ (Rh)), то тепло не передается в стык, а рассеивается
полностью. Здесь R - радиус перемычки, h - толщина, L - длина.
Это также важно для уменьшения теплового потока к валу.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

54.

Сохранение балансировки по режимам на примере ротора
турбины ВД НК-93:
а) охватывающая деталь с меньшими радиальными деформациями;
б) вариант фланца диска на длинной оболочке

55.

CF6
J-79

56.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.3.10. Выбор материалов деталей турбины
Требования:
Детали газовых турбин находятся под воздействием статических и
переменных сил, высоких температур, нестационарных
нагрузок. Они работают в среде агрессивного газа.
Критерии выбора:
1. Высокие пределы длительной прочности.
Обеспечивается жаропрочность. ЖС6КП. Предел прочности при 20
С и 100 час работы составляет 1250 МПА. При 1000 С - 410 МПа.
2. Высокий предел выносливости. При 20 С - 430 МПа, 1000С - 280
МПа.
3. Сопротивление термоусталости, т.е. появлению трещин при
циклах: нагрев-охлаждение-нагрев.
4. Жаростойкость (против появления окалины). Она определяется
как привес лопатки в граммах, отнесенный к 1 квадратному
метру площади образца за 1 с.
5. Технологичность (литейные свойства, обрабатываемость
давлением, свариваемость, обрабатываемость резанием).
6. Экономичность (стоимость).
Для лопаток применяют сплавы на Ni-основе.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

57.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Сборка турбины ПГГ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

58.

59.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.4. ОХЛАЖДЕНИЕ ТУРБИНЫ
Цели охлаждения элементов конструкции турбины:
• обеспечение температуры деталей в заданных пределах,
обеспечивающих их длительную механическую прочность;
• выравнивание поля температур в детали для устранения
термических напряжений;
• повышение ресурса двигателя;
• замена дорогостоящих материалов;
• обеспечение возможности повышения температуры газа для
улучшения параметров двигателя;
• уменьшение радиальных зазоров в турбине для повышения
к.п.д.
Охлаждение осуществляется воздухом из компрессора по
открытой схеме, воздух выбрасывается в проточную часть
двигателя. В НК-12, АИ-24... охлаждение корпуса турбины
производится набегающим потоком атмосферного воздуха.
В турбине могут охлаждаться сопловые и рабочие лопатки, диски,
корпуса, опоры и валы.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

60.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Технические проблемы:
5.4.1. Оптимизация процесса охлаждения
Смысл проблемы в том, что с увеличением Тг падает Т (к.п.д.
турбины). Теоретически при увеличении Тг* с 1200 К до 1700 К
удельный расход топлива из-за падения Т растет на 30%. При Т1*
=100 С, Т =1.5% и Pуд=5%. Это связано с ростом расхода
воздуха G на охлаждение.
Пример: планировалось Тг* =1550K Т=90,5% и G=6%. Однако в
процессе доводки был получен =0,82...0.84. Это потребовало
увеличить температуру до Тг* =1620 К и расход до G=12...13%.
30% прироста температуры является "паразитным", т.е. идет на
компенсацию падения Т из-за необходимости увеличивать расход
охлаждающего воздуха.
Следовательно, оптимизация процесса охлаждения заключается в
поиске оптимального соотношения между потребной
температурой Тг* и расходом G при заданной эффективности
КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев
СГАУ Кафедра
использования
охлаждающего
воздуха.

61.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.4.2. Прочность рабочих лопаток 1 ступени
Прочность рабочих лопаток определяется точным знанием
свойств материала, условий ра6оты, достоверностью
прочностных расчетов и обеспечивается в процессе доводки
поиском наилучшего варианта их охлаждения и применения
термобарьерных покрытий. В последнее время, в частности,
большие надежды возлагаются на многокомпонентные
покрытия лопаток в вакууме электронно-лучевым напылением.
Например, покрытие М, Сr, Аl, V толщиной 0,2 мм увеличивает
ресурс лопатки с 100 ч до 1250 ч, и дает возможность поднять ее
температуру на 100 С.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

62.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Надежность лопаток увеличивается литья методом направленной
кристаллизации. Например, литье с НК лопаток из сплава ЖС6У
в 2...3 раза увеличивает пластичность материала, в 2,5 раза
ресурс лопатки и в 4...5 раз ее циклическую долговечность.
Применение монокристальных лопаток позволяет поднять
температуру газа на 40...50 С.
Перспективным является создание композиционных жаропрочных
сплавов, армированных тонкими нитями (увеличивают
жаропрочность почти в 2 раза).
Перспектива: выполнение рабочих лопаток составными - из 2-х
половин - спинки и корытца, которые после отливки спаиваются
паладиевыми припоями в лопатку (позволит уменьшить до 0,1
мм допуск на литье, усложнить систему конвективного
охлаждения, осуществлять контроль качества внутренних
поверхностей).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

63.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.4.3. Обеспечение хладоресурса
Давление воздуха должно быть больше давления газа,
омывающего лопатку. Отбор воздуха из-за последней ступени
компрессора снижает эффективность охлаждения. Для
снижения температуры воздуха эффективны теплообменники,
располагаемые во 2-ом контуре (ТРДД). Это позволяет снизить
температуру воздуха на 15 С, в несколько раз уменьшить его
расход. Однако теплообменник увеличивает на (5...7)%
сопротивление во 2-ом контуре и на столько же снижает тягу
двигателя.
5.4.4. Регулирование охлаждения
Конструктивно регулирование выполняется в виде кольцевой
ленты, расположенной в наружном корпусе над 1-м СА. В
зависимости от режима работы лента перекрывает отверстия в
корпусе и обеспечивает оптимальный расход воздуха (НК-56).
5.4.5. Засорение системы охлаждения
Минимальные размеры охлаждающих каналов и отверстий в
лопатках (0,7-0,8) мм.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

64.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.4.6. Перегрев опор турбины
Возможно воспламенение смазки в опоре и отказ двигателя.
Конструктивные пути: теплозащитные кожухи (иногда с двойными
стенками); продувка охлаждающим воздухом стыков вала с
горячим диском; уменьшение площади контакта подшипника с
валом и вала с диском; уменьшение объема масляной полости;
теплоизоляция масляных трубопроводов и т.д.
При Tг* =1650 К температуры составляют:
масла на выходе из подшипника (180...200) С;
колец подшипников (180...240) С;
корпуса масляной полости (200...400) С;
масляных трубопроводов (200...240) С
Q
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

65.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.4.7. Выбор, сохранение и регулирование радиальных зазоров
Динамика изменения зазоров по режимам такая же, как и в
компрессоре.
На различных режимах работы двигателя периферийные зазоры
существенно различаются. Так при запуске и увеличении
режима работы двигателя тонкостенный статор прогревается
значительно быстрее, чем массивные диски; и зазоры
увеличиваются. При остановке, наоборот, статор остывает, и
зазоры уменьшаются и могут стать даже отрицательными, т.е.
концы лопаток срезают уплотнительные вставки, а гребешки
лабиринтных уплотнений прорезают во вставках канавки и
сами изнашиваются. При этом нужно учитывать, что статор и
ротор взаимно смещаются в осевом направлении (до
(1...10)мм).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

66.

67.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Для снижения радиальных зазоров широко применяют сочетание
“лабиринт - сотовое уплотнение”. Особенно на периферии
рабочих лопаток. В этом случае величина радиального зазора
составляет 0,0007...0,0012 от диаметра уплотняемой
поверхности. Если бандажной полки нет, то применять соты
бессмысленно. Зазор приходится увеличивать в 1,5...2 раза.
Проблема сохранения минимально возможных зазоров частично решается
регулированием охлаждения статора и назначением начального ("холодного")
зазора по результатам многочисленных доводочных испытаний и работы в
эксплуатации.
Зазоры со временем могут возрасти до (2...3)мм. Приходится
увеличивать величину Tг*.
Эффект от регулирования радиальных зазоров выше, чем в
компрессоре. Зазор на крейсерском и взлетном режиме
минимальный (но больше 0). Обеспечивается охлаждением
статора турбины, для чего над статором располагается система кольцевых
коллекторов (тонкостенных трубок). В трубах просверлены отверстия. Эти
струйные форсунки подают холодный воздух на жесткие элементы конструкции
статора. Воздух на охлаждение забирается за вентиляторной ступенью и
подводится двумя трубопроводами большого диаметра (50 мм) через краны
управления к раздающему устройству на турбине.
Необходимо учитывать тепловое согласование расширения
Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев
СГАУ
ротора
и статора.

68.

Системы воздействия на статор. Большинство реализованных
конструкций для регулирования радиальных зазоров
представляют собой системы для регулирования температуры
статорных деталей путем управления количеством воздуха,
который используется для их обдува. Иногда меняется источник
обдува. Наибольшие успехи достигнуты в турбинах НД. Их
статоры выполняются без локальных геометрических
особенностей, вызывающих коробление и потерю
Схема системы обдува турбины
эксцентричности при обдуве.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
низкого давления двигателя CF6 (a)
и статора турбины высокого
давления двигателя JT9D-59/70 (b).
1 - клапан, 2 - трубопровод, 3 система струйного охлаждения, 4 выход воздуха после струйного
охлаждения, 5 - ограничитель
высоты включения, 6 ограничитель частоты вращения
ротора, 7 - интегратор, 8 усилитель, 9 - топливный
регулятор, 10 - рычаг ручного
управления двигателем, 11 - привод
клапана, 12 - забор воздуха из
наружного контура, 13 - корпус
статора, 14 - рабочие лопатки ТВД,
15 - газовый поток.
Проф. С.В.Фалалеев

69.

Система управления радиальными зазорами в ТРДД CFM 56-7B:
активная в турбине НД и совмещенная в турбине ВД – элемент А:
1 – наружная стенка; 2 – промежуточная стенка; 3 – сегменты массивного
кольца М;
4 – уплотнения между сегментами; 5 – тонкостенное трактовое кольцо Т

70.

71.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.5. Охлаждение лопаток
5.5.1. Цель охлаждения
Температура тела лопатки должна быть такой, чтобы ее прочность соответствовала нормам
прочности.
Температура плавления сплавов - 1800...1900 К. Поэтому
температура газа не должна превышать 1880 К.
Сплав ЖС6. При 300К предел длительной прочности 1000 МПа, при
1300 К - 170 МПа.
Прочность обеспечивается тремя путями:
- Повышение жаропрочности материала. Направленная
кристаллизация +10К. Монокристальная лопатка +40К.
- Применение покрытий. Защитные покрытия увеличивают
жаропрочность (окалиностойкость). Алитирование - на
поверхность лопатки наносится слой 2...3 мкм смеси Al-Ni.
Покрытие “термический барьер” - керамическое покрытие
(окись циркония Zr и итрита Y) толщиной 0,38 мм. Между ним и
лопаткой наносится адгезионный слой (Ni, Cr, Al, Y) толщиной
0,15 мм.
Температура лопатки снижается на 30...50 K на уровне 1000 K,
ресурс лопатки увеличивается в 1,5...2,5 раза.
- Воздушное охлаждение лопаток. Основная доля снижения
температуры
принадлежит
успехам в охлаждении
лопаток.
КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев
СГАУ Кафедра

72.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.5.2. Требования к конструкции охлаждаемых лопаток
- Эффективность
Определяется параметром =(Tg-Tsch)/(Tg-Tk.Luft) = 0,2...0,6.
- Стабильность
При конвективно-пленочном охлаждении это лимитируется диаметром отверстий для выпуска
воздуха на поверхность лопатки.
- Равномерность температуры по периметру профиля
Необходимо, чтобы температура по наружной стенке лопатки различалась
не более, чем 100...150
K.
- Минимальный
расход
охлаждающего
воздуха
При T=1700K расход
воздуха на
охлаждение
составляет до 13 %
от всего расхода
воздуха через
компрессор.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

73.

5.5.3.
Способы
воздушного охлаждения лопаток
5. ТУРБИНЫ
АД и ЭУ
Конвективное охлаждение. Воздух протекает с определенной скоростью
по внутренним каналам лопатки и снимает тепло.
Конвективно-пленочное охлаждение. Часть воздуха протекает по
внутренним каналам, а остальной воздух выходит через систему
отверстий на поверхность лопатки для формирования защитной пленки.
Толщина пленки (пограничный слой) 0,25 мм позволяет снизить
температуру лопатки на 250...300 К. Эффективность конвективного
охлаждения =0,45, а конвективно-пленочного - =0,5...0,65.
0,75 обеспечивает транспирационное охлаждение
Блоки
сопловых
охлаждаем
ых лопаток
ТРДД “CF6”
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

74.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

75.

Сопловой аппарат первой ступени ТРДД НК-56:
1 – дефлектор передней полости, обеспечивающий автономное охлаждение
передней кромки, корытца и спинки; 2 – дефлектор задней полости; 3 – лента
системы частичного отключения подвода охладителя к рабочей лопатке ТВД;
4 – охладитель к рабочей лопатке ТВД

76.

Сопловые аппараты 1 и 2 ступеней ТРДД НК-56

77.

Конструктивное исполнение уплотнения по стыкам блоков СА: 1 – с
металлической пластиной; 2 – уплотнитель из материала МР с разной
формой; 3 – пустотелая трубка

78.

Рабочие лопатки 1 и 2 ступеней ТРДД НК-56

79.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.5.4.
Пути интенсификации конвективного охлаждения лопаток
Расход охлаждающего воздуха ограничен. Температура
охлаждающего воздуха при увеличении параметров двигателя
также возрастает. Ее можно снизить на 100...130 К за счет
применения теплообменника, или на 50...80 К за счет применения
подкручивающей решетки. Эффективность охлаждения можно
увеличить за счет увеличения охлаждаемой площади.
конструктивные схемы
охлаждаемых лопаток
(эффективность
охлаждения при
разных количествах
охлаждающего воздуха,
критерий Стентона (St) отражает совершенство
конструкции по
разрушению
ламинарного течения в
каналах (турбулизация
потока и более
эффективный отвод
тепла). Это отношение
фактически отведенного
тепла к идеально
отведенному.
St=Nu/(RePr).)
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

80.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
В гладком канале при ламинарном течении и малых диаметрах наблюдается
разбухание пограничного слоя и он может заполнить весь канал.
Необходимо разрушить ламинарный поток за счет турбулизации и этим
интенсифицировать отвод тепла. Смерчевой способ - воздух стекает в
канавку и возникает вихрь. Самое лучшее - перекрещивающиеся
(капланарные) каналы. Основной эффект вихревой матрицы достигается
за счет большой площади охлаждения и интенсивной турбулизации
потока в каналах при повороте на 180 градусов (от спинки к корытцу и
наоборот).
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

81.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.5.5. Пути интенсификации конвективно-пленочного охлаждения
лопаток
Наиболее теплонапряженной частью лопатки является ее передняя
часть - входная кромка. Поэтому используется пленочное
охлаждение.
Конструктивная
схема лопатки
с двумя
полостями.
Первая
полость с
отверстиями
для вытекания
воздуха.
Вторая
полость с
дефлектором.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

82.

83.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
Необходимо: оптимальное размещение отверстий по поверхности
пера; оптимальное размещение отверстий в стенке лопатки;
оптимальное соотношение площадей и давлений на входе и
выходе. Расстояние между отверстиями должно быть не менее
двух диаметров отверстий. Отверстия необходимо располагать в
шахматном порядке. Ось отверстий изготавливается под углом
(10...45 градусов) к поверхности лопатки. Это позволяет снизить
профильные потери. Давление охлаждающего воздуха должно
превышать давление газа на 5...8 %. Самым узким местом в
системе должна быть площадь отверстий. Это обуславливает
наличие в них в любых случаях течения охлаждающего воздуха.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

84.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.5.6.
Выбор места отбора охлаждающего воздуха и системы
подвода охлаждающего воздуха
Давление охлаждающего воздуха должно превышать давление газа
на 5...8 %. При проектировании системы охлаждения лопатки
рассматривают одновременно тепловую и гидравлическую
задачи. Исходя из этого определяется место отбора воздуха на
охлаждение.
Пример системы подвода
охлаждающего воздуха
Требования к системе
подвода: минимальные
потери давления,
минимальный подогрев при
транспортировке, простота
и надежность. Первый
сопловой аппарат охлаждается
вторичным воздухом из камеры
сгорания. Второй сопловой
аппарат охлаждается воздухом из
компрессора через
теплообменник. Рабочее колесо с
лопаткой охлаждается вторичным
воздухом из камеры сгорания
Кафедра
через подкручивающую
решетку.
СГАУ
КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

85.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
В подкручивающей решетке воздух расширяется и немного
охлаждается. Кроме этого, воздух получает окружную
составляющую скорости, которая примерно равна окружной
скорости диска. Исключается трение о диск и подогрев воздуха.
Подкручивающая решетка может быть выполнена и без
дефлектора диска, когда воздух направляется непосредственно
в лопатку, минуя диск. (RB-211). Вторую рабочую лопатку
выгодно охлаждать воздухом из теплообменника.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

86.

87.

88.

89.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
5.6. Охлаждение дисков турбин
Цель:
- Снизить температуру тела диска, чтобы обеспечить заданный запас
прочности;
- Снизить перепад тепла между ободом (наружной частью диска) и
полотном, с одной стороны, и массивной ступицей (внутренней
частью) диска на режиме прогрева диска.
Температура ступицы должна быть 600...650 С на стационарных
режимах.
Охлаждение диска может быть осуществлено следующими
способами:
• Продувкой воздуха через зазоры в замках лопаток.
• Методом лобового натекания воздуха на диск (JT-9D).
• Продувкой воздуха между диском и дефлектором.
Дефлекторы могут быть установлены как с одной стороны, так и с
обеих сторон диска. Дефлекторы могут быть вращающимися
(закрепленными на диске) и неподвижными.
Расход воздуха на охлаждение диска составляет 2...4 % от всего
расхода воздуха через двигатель.
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

90.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
V2500-A1
ECU
FADEC
HPTACC
VALVE
5th stage air
LPT cooling 5th stage air
LPTACC
VALVE
Fan air
9th stage air
aktive Spaltkontrolle
Hochdruckverdichter-Luft
Niederdruckverdichter-Luft
CFM-56-5A1
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

91.

5. ТУРБИНЫ АД и ЭУ
ПС-90А
АЛ-31Ф
СГАУ Кафедра КиПДЛА
Проф. С.В.Фалалеев

92.

93.

центровка статора