Тема 12 Занятие 1 (Вопросы по Военке и материал по планеру и КД)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Факультет военного обучения

Экз.№ УТВЕРЖДАЮ:

Начальник кафедры №2

Полковник В. Фролов
« » 2000г.

МАТЕРИАЛЫ К ГРУППОВОМУ ЗАНЯТИЮ Курс Д-21 «Авиационные двигатели»

по теме №12 «Турбины двигателей. Редукторы и приводы»

Занятие 1

для студентов 4 курсов, факультетов №1, 2, «Стрела», «Ухтомское»

Учебное время 2 часа

Составил: пол-к Фролов В.А. Редактировал: пол-к Луценко В.Н.

Тираж 5 экз.

Рассмотрено на заседании кафедры

Протокол № от 2000г.

Москва 2000г.

ТЕМА: 12 ТУРБИНЫ ДВИГАТЕЛЕЙ. РЕДУКТОРЫ И

ПРИВОДЫ.

Цель: Изучить принцип действия, конструкцию, охлаждение и правила эксплуатации газовых турбин двигателя.

Занятие №1: Газовая турбина двигателя РД - 33 - 2С.

Цель: Изучить принцип действия и конструкцию газовой турбины двигателя РД - 33 - 2С.

Учебные вопросы:

1. Принцип работы газовой турбины.

1. Конструкция турбины высокого давления.

2. Конструкция турбины низкого давления.

ВВЕДЕНИЕ

Тяговооруженность самолетов ВВС постоянно возрастает. Чтобы удовлетворить эту потребность, необходимо увеличить расход воздуха через двигатель, его КПД или же двигатель должен работать при более высокой температуре газа перед турбиной.

При увеличении расхода воздуха через двигатель растет его диаметр, а следовательно, и создаваемое им сопротивление. Кроме того , возрастает масса двигателя. Коэффициенты полезного действия элементов двигателя увеличиваются постоянно, но на современном этапе это направление улучшения ГТД сопряжено с преодолением больших трудностей, поскольку элементы современных двигателей довольно совершенны. Более привлекательно и в настоящее время широко реализуется повышение температуры газа перед турбиной. Естественно, и этот путь не прост.

Уже в настоящее время температура газа перед турбиной достигла величины порядка 1800 К. Кроме того, на детали турбины действуют значительные инерционные и газовые нагрузки. Окружные скорости вращения на концах рабочих лопаток достигли 500 м/с . Давление газа на входе в турбину достигло 30 х 10 в пятой степени Па, а степень понижения давления на ступени составляет примерно 3.

В следующем поколении авиационных двигателей температура газа перед турбиной может быть повышена до 2000 К. В дальнейшем ожидается применение двигателей со стехиометрическим горением в

основной камере сгорания с температурой газа перед турбиной 2200...2400 К.

Воздействие высокотемпературного и агрессивного газа на детали турбины усугубляется переходными процессами, которые особенно характерны для двигателей самолетов фронтовой авиации.

Высокие температуры и нагрузки усложняют задачу обеспечения надежной работы турбины. Решение этой задачи обеспечивается выбором конструктивной схемы турбины, рациональным профилированием лопаток, совершенствованием систем охлаждения, выбором конструктивных материалов и технологий изготовления деталей, обеспечением требуемых запасов прочности, предусмотрением возможности контроля состояния турбины в эксплуатации.

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДВУХВАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ. 1.1 Принцип работы газовой турбины.

Газовой турбиной называется лопаточная машина, которая преобразует энергию газового потока в механическую работу. Она предназначена для привода компрессора и вспомогательных агрегатов, установленных на двигателе.

Каждая ступень турбины представляет совокупность ряда неподвижных лопаток СА+РК.

Первую ступень называют турбиной высокого давления /ТВД/. Мощность этой ступени расходуется на привод ротора КВД и большинства агрегатов, установленных на двигателе.

Вторую ступень называют турбиной низкого давления /ТНД/. Мощность этой ступени расходуется на привод ротора КНД и некоторых агрегатов.

Ступень, в которой расширение газа происходит только в сопловом аппарате, называется активной, а ступень, в которой газ расширяется как в сопловом аппарате, так и в рабочем колесе, называется реактивной.

Принцип работы газовой турбины может быть рассмотрен на примере одной ступени.

Газ, подводимый к турбине, после камеры сгорания обладает значительной потенциальной энергией, за счет предварительного сжатия его в компрессоре /а в полете и во входном устройстве/ и нагрева в камере сгорания.

Изобразим развертку цилиндрического сечения ступени турбины. На ней лопатки СА и РК будут представлены в виде двух рядов профилей, образующих суживающиеся межлопаточные каналы

/f_l> f₂, f'₂ > f₃/.

Перед входом в СА турбины газ имеет
абсолютную скорость C₁,

направленную параллельно оси
турбины. В суживающихся

межлопаточных каналах СА поток
разгоняется и поворачивается в
сторону вращения РК, имея на выходе
из СА скорость С₂. В СА абсолютная
скорость увеличивается, а давление и
температура газа уменьшаются, т. е.
часть потенциальной энергии,

Преобразуется в кинетическую.

Под действием газа, вытекающего из СА, РК турбины вращается. Поэтому относительно лопаток РК, газ движется с относительной скоростью W₂, получаемой вычитанием из вектора абсолютной скорости С₁, вектора окружной скорости U лопаток РК на данном радиусе. Входные кромки лопаток РК должны быть ориентированы по направлению W₂, что предотвратит срыв потока с лопаток и уменьшит гидравлические потери.

В суживающихся межлопаточных каналах РК давление и температура газа уменьшаются, а относительная скорость увеличивается /W₃ > W₂/, но при этом падает абсолютная скорость, /С₃ <С₂/. /Величину и направление абсолютной скорости потока газа за РК С₃ получают сложением векторов W₃ и U/.

При обтекании газом лопаток РК вследствие поворота потока на вогнутой поверхности лопаток имеет место повышение давления, а на выпуклой - понижение. Равнодействующая R всех газовых сил действующих на каждую лопатку, может быть разложена на окружную составляющую Ru, приводящую колесо во вращение, и осевую составляющую Ra, которая должна восприниматься упорным подшипником ротора.

Следовательно, в РК часть кинетической энергии преобразуется в механическую работу на валу /уменьшение С/, а часть потенциальной энергии преобразуется в кинетическую /рост W/.

Работа турбины характеризуется рядом параметров. 1.Степень понижения полного давления газа в турбине Пт*

π_т^* = Р_г^*/ Р_т^*, для двухступенчатой турбины π_т^* = π^*_твд π^*_тнд

2. Коэффициент полезного действия турбины Т|*т, определяющий газодинамическое совершенство турбины.

3. Работа турбины L_t, определяющая какую полезную работу можно получить в турбине при расходе 1 кг газа в секунду.

L_t = К_г R_г T_г^* (1- 1 )η_т^*

К_г-1 π_т^* К_г-1

К_г

1.2 Особенности работы двухвальной турбины.

Следует отметить следующие особенности работы двухступенчатой, двухвальной турбины.

Работа такой турбины складывается из работы 1 ступени /ТВД/ и работы 2 ступени /ТНД/.

L_Т ⁼ L_ТВД +L_ТНД

В широком диапазоне рабочих режимов в критических сечениях турбины и выходного устройства /сопла/ устанавливается сверхкритический перепад давления, т. е. скорости в этих сечениях становятся равными местным скоростям звука. При этом π_твд^* и

π_тнд^*, а следовательно и отношение работ L_ТНД/L_ТВД останется неизменным.

При значительном дросселировании двигателя /уменьшение η/ становится докритическим перепад давления на реактивном сопле, а

затем и на СА 2 ступени турбины.
Это приводит к уменьшению π_тнд^*, а
затем и π_твд^*, значит и к
уменьшению отношения L_ТНД/L_ТВД .
Это может быть показано с помощью
графика. Итак, в широком диапазоне
рабочих режимов L_ТНД/L_ТВД=const /при
значительном дросселировании

L_ТНД/L_ТВД уменьшается/, что

обуславливает возможность

саморегулирования двухкаскадного компрессора.

2. КОНСТРУКЦИЯ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ. 2.1 Общая характеристика турбины.

Двигатель имеет осевую реактивную, двухроторную, двухступенчатую охлаждаемую турбину. Первая ступень - турбина высокого давления (ТВД) - приводит во вращение ротор КВД, вторая ступень - турбина низкого давления (ТНД) - приводит во вращение ротор вентилятора.

Требуемые значения мощности в каждой ступени достигнуты за счет высоких температур и высоких значений степени расширения

газа в ступенях, реализация которых потребовала значительного повышения окружных скоростей рабочих лопаток.

2.2 Конструкция ТВД.

ТВД состоит из ротора и статора и конструктивно входит в модуль газогенератора.

Ротор ТВД включает в себя диск рабочего колеса с лопатками с подполочными коробчатыми демпферами, вращающийся дефлектор и элементы лабиринтных и радиально-торцевого уплотнений.

Лопатки выполнены литьем с направленной кристаллизацией по радиусу, охлаждаемые, с удлиненной ножкой и четырехзубным замком «елочного» типа.

Для предотвращения разрушения лопатки при касании о статор торцевые кромки ее пера утончены.

Удлиненная ножка (примерно 30% от длины пера) уменьшает отвод тепла в диск и за счет сравнительно высокой податливости на изгиб перераспределяет поле вибронапряжений в паре лопатки, смещая максимальные уровни в ножку.

Внутренняя полость лопатки разделена надва отсека перемычкой. Внутри отсеков выполнены турбулизирующие штыри и полуребра. Система штырей и ребер предназначена для интенсификации процесса охлаждения лопатки.

Схема движения воздуха в лопатке - полупетлевая. Воздух в лопатку подводится через каналы в ее хвостовике и выходит в проточную часть турбины через щели в задней кромке лопатки. В задний канал хвостовика воздух проводится через дроссель, дозирующий его расход.

Для снижения уровня вибронапряжений в РЛ под их полками установлены коробчатые демпферы, которые центробежной силой прижимаются к внутренним поверхностям полок рядом стоящих лопаток. Эффективная работа демпфера обеспечивается наличием зазора в сравнительно высокой податливостью удлиненной ножки. Рассеивание энергии колебаний лопаток происходит за счет трения между демпфером, ножками и полками рядом стоящих лопаток и упругой деформации этих элементов.

Диск - штампованный, с центральным отверстием и утолщенной ступицей. На ободе диска выполнены пазы «елочного» типа под рабочие лопатки. На донышке пазов имеются выборки и наклонные каналы для подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам. Ступица диска выполнена заодно с задней цапфой. Над цапфой имеется пояс с гребешками лабиринтного уплотнения. В

передней части ступицы выполнены радиально-торцевые шлицы для передачи крутящего момента на вал КВД и центровки с ним, а само шлицевое соединение стянуто специальными болтами. Цапфа опирается на роликовый подшипник задней опоры ротора высокого давления, который в свою очередь, опирается на вал ротора ТНД.

Вращающийся дефлектор - штампованный, центруется в расточке обода диска ТВД, а внутренним диаметром входит в кольцевую проточку вала КВД. На внутренней поверхности полотна дефлектора имеются радиальные лопатки, образующие центробежную крыльчатку, предназначенную для повышения давления воздуха, идущего на охлаждение РЛ ТВД.

Статор ТВД состоит из наружного корпуса, девяти секторов сопловых лопаток, внутреннего корпуса, перегородки сильфонного типа, верхней и нижней завес.

Секторы сопловых лопаток литые. Каждый сектор включает в себя три сопловые лопатки. Наружными полками секторы крепятся с помощью винтов к наружному корпусу, а кронштейнами на внутренних полках секторы крепятся к внутреннему корпусу.

Секторная конструкция сопловых лопаток позволяет уменьшить количество стыковок между полками лопаток в окружном направлении и снизить утечки газа.

Лопатки - двухполостные, с конвективно-пленочным охлаждением. Полости разделены двойной перегородкой, образующей средний канал. В обе полости устанавливаются перфорированные дефлекторы. Стенки лопатки в задней части соединены турбулизирующими штырями.

НАРУЖНЫЙ КОРПУС представляет собой точеную оболочку с отверстиями для крепления СоА и для прохода охлаждающего воздуха. Корпус, секторы и завеса в передней части стягиваются винтами. В задней части винтами к корпусу крепятся сектор лопаток и перегородка сильфонного типа, которая соединяется с проставкой и корпусом СоА ТНД. Верхней завесой корпус телескопически соединяется с жаровой трубой КС.

ВНУТРЕННИ КОРПУС представляет собой сварную конструкцию и является силовым элементом статора ТВД. В верхней части корпуса крепятся секторы сопловых лопаток и нижняя завеса. В нижней части корпус фланцем крепится к внутреннему корпусу КС. В конической стенке корпуса выполнены отверстия для подвода вторичного воздуха КС на охлаждение вращающегося дефлектора ТВД снаружи.

3. Конструкция турбины низкого давления. ТНД состоит из ротора и статора, которые конструктивно выполнены в виде отдельных модулей.

Ротор ТНД включает в себя диск рабочего колеса с лопатками, диск лабиринта, вал и размещенные на валу элементы лабиринтных и контактных уплотнений.

Лопатки выполнены литьем, охлаждаемые, с бандажными полками на периферии и трехзубным замком «елочного» типа.

На наружной поверхности полок выполнены гребешки, которые вместе с сотовыми вставками в статоре ТНД образуют уплотнение по периферии рабочего колеса, уменьшая перетекание газа.

Во внутренней полости пера лопатки выполнены турбулизирующие штыри, интенсифицирующие процесс охлаждения лопатки. Схема движения воздуха в лопатке радиальная. Воздух в лопатку подводится через канал в ее хвостовике и выходит через отверстие в торце лопатки между гребешками.

Диск штампованный с последующей механической обработкой, с центральным отверстием и утолщенной ступицей.

В ободе диска выполнены пазы «елочного» типа под трехзубые замки рабочих лопаток. В передней части ступица диска переходит во втулку, которая совместно с элементами ТВД и статора ТНД образует лабиринтные уплотнения. Задняя часть ступицы переходит во фланец, которым диск соединяется с валом призонными болтами.

Вал ротора ТНД выполнен штамповкой, с последующей механической обработкой. На валу имеются: наружные эвольвентные шлицы для передачи крутящего момента к ротору вентилятора; резьба под гайку соединительной муфты; два фланца: наружный - для крепления к диску ТНД и внутренний - для крепления тонкостенного стакана под графитовое уплотнение.

Внутри вала установлены наружная обойма подшипника ТНД, втулка и заглушка, которые стягиваются гайкой.

На наружной поверхности вала монтируется внутреннее кольцо подшипника задней опоры ротора ТВД с масляными форсунками.

На наружной поверхности наружного фланца выполнены гребешки лабиринтного уплотнения. Заодно с валом выполнена втулка радиально-торцевого графитового уплотнения.

Статор ТНД состоит из наружного корпуса, соплового аппарата и внутреннего корпуса с элементами лабиринтных уплотнений.

Сопловой аппарат включает в себя сопловые лопатки с наружной и внутренней полками, спаянными между собой и внутренними бандажными кольцами в единый узел. Лопатки

выполнены полыми со вставленными внутрь дефлекторами, отверстия в которых обеспечивают лобовое натекание струй охлаждающего воздуха на оребренную поверхность входной кромки лопатки. Проходя по зазорам между дефлектором и стенками лопатки, воздух охлаждает лопатку и через щель в выходной кромке выбрасывается в проточную часть.

Наружные кольца Соа телескопически стыкуются с наружным корпусом статора ТНД. По стыкам установлены уплотнения. Задним внутренним кольцом СоА с помощью заклепок соединяются с внутренним корпусом.

Наружный корпус является силовым элементом узла турбины и состоит из двух частей, сваренных между собой.

Передним фланцем корпус вместе с фланцем перегородки сильфонного типа крепится к фланцу проставки, которая стыкуется с наружным корпусом камеры сгорания, а задним фланцем стыкуется и центрируется с корпусом опор турбины. На наружном корпусе выполнены две бобышки с окнами для осмотра рабочих и сопловых лопаток турбины, а также имеются 3 патрубка для подвода охлаждающего воздуха в сопловые лопатки ТНД от пятой ступени КВД и штуцер для установки пирометра для замера температуры рабочих лопаток ТВД.

Передняя часть корпуса выполнена в виде массивной коробчатой конструкции, которая вместе с рифлеными вкладышами обоймы предназначена стабилизировать радиальный зазор между рабочими лопатками ТВД и корпусом на переходных режимах. Стабилизация зазоров обеспечивается за счет сближения термоинерционностей корпуса и рабочего колеса, что достигается как увеличением массы этой части корпуса, так и специально организованным его охлаждением.

В задней части корпуса установлены 24 литые вставки с сотами, обеспечивающие уплотнение лабиринтного типа над бандажными колесами РЛ ТНД.

Задняя опора ротора ТНД состоит из корпуса опор, опоры и роликового подшипника, установленного в упруго-гидравлическом демпфере.

Корпус опор состоит из наружного корпуса, внутреннего корпуса с приваренными к нему стойками и обтекателей.

Передним фланцем наружный корпус крепится к корпусу ТНД, а задним стыкуется с корпусом смесителя форсажной камеры. По внутренней поверхности он соединяется с наружными фланцами семи стоек.

Внутренний корпус образует масляную полость подшипников, которая отделяется от воздушной радиально-торцевыми графитовыми уплотнениями и крышкой.

Стойки опоры полые и используются под магистрали подвода и откачки масла, суфлирования масляной полости и вывода воздуха из предмасляных полостей через специальные патрубки.

Обтекатели образуют проточную часть и экранируют силовые элементы корпуса опор от воздействия горячих газов.

Опора титановая, литая и крепится болтами к переднему фланцу внутреннего корпуса. На шейке опоры устанавливается форсунка и напрессовывается стальная втулка, на которой размещается демпфер и внутренняя обойма подшипника.