Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 25
Текст из файла (страница 25)
е. там, где с этими недостатками примириться в целях упрощения и удешевления пронзможно пр р водства рабочего колеса и наличия в этих случаях более в 1 ь со кого 129 6 и/р д. В. хроааае значения КПД. Рабочее колесо таких турбин изготовляется отливкой и имеет небольшое число лопаток г = 8, 16. В одновальных ТРД, ТРДФ, ТВД при сравнительно невысоких значениях и„' число ступеней турбины, как правило, не превышает трех при консольном или межопорном расположении дисков.
В ТРДД и ТРДДФ при числе роторов 2 ... 3 число ступеней возрастает до 4 ... 8. В настоящее время для трехвальных ГТД сложилась следующая классификация турбин: турбины высокого давления, среднего давления и низкого давления. Турбина, обеспечивающая вращение вала ВИШ (винта изменяемого шага) в ТВД или выходного вала в турбовальном двигателе, мощность которой используется для привода отдельного агрегата, называется свободной турбиной. Наибольшие трудности вызывает создание охлаждаемых турбин высокого давления, в которых стремятся ограничиться числом ступеней г = 1 ...
2. При этом должна быть обеспечена требуемая прочность рабочих лопаток и дисков несмотря на значительные температуры газа (Т„' = 1450 ... 1650 К, а в перспективе -до Т„'= 1800 К и более). При высоких значениях окружной скорости (и ом 400 ... 450 м/с), обеспечивающих срабатывание большого теплоперепада в одной ступени, происходит значительное снижение температуры газа и благодаря этому последующие ступени среднего и низкого давления могут выполняться неохлаждаемыми, что значительно упрощает конструкцию узла в целом.
Роль окружной скорости ступени с высокой газодинамической нагрузкой хорошо видна иа примере двигателя ТРДДФ Е101, у которого охлаждается только одна ступень турбины несмотря на высокую температуру газа 1Т„'ж 1650 К) вследствие достигнутой высокой окружной скорости более 450 м/с. Срабатываемый в этой ступени большой теплоперепад обеспечивает существенное снижение температуры газа перед последующей ступенью. Трудности создания таких турбин связаны с системой воздушного охлаждения, конструктивными изменениями (утолщением) профилей сопловых и рабочих лопаток, введением коммуникаций подвода охлаждающего воздуха.
Кроме того, отбор на охлаждение некоторого количества воздуха из компрессора ( до 13 % и более) увеличивает газодинамическую нагруженность турбины. Эти ступени имеют несколько пониженное значение КПД, так как размеры проточной части наименьшие, а при коротких лопатках на него значительное влияние оказывает относительно большой радиальный зазор, а также выпуск охлаждающего воздуха в проточную часть и его смещение с основным потоком газа.
Турбины компрессора низкого давления ТРД, ТРДД и турбины вентилятора ТРДД проектируются на более низкие окружные скорости. Учитывая значительное снижение температуры газа в предыдущих ступенях турбины компрессора, эти турбины, 130 Рис. 4.1. Относитедьине ена. ченин температур: ° — Тс; — гаев в каиалал сопле. гг вих аппаРатов, З вЂ” Тмгб — гава а капелек рабочах колес, )г — лопе к соплов аппаратов ТСА Г и лопаток рабочвл колес Т к ) в аависвпости от Π— откоса. охд тельного количества воадухв ва вв охлаагдеаие (обоаиачево О) т бб б,б 4.1.1.
Конструктивные параметры Одним из важнейших конструктивных параметров ступени является относительная длина лопаток рабочего колеса (коэффициент длины Реп~1 обычно берется по выходному сечению, где 131 как правило, проектируют неохлаждаемыми, В отдельных случаях аб ббгл лишь у первых их ступеней используются ох- )3 лаждаемый сопловой аппарат, а иногда и охла- б4 ждаемые рабочие ло- бб патки. В качестве наглядного бт бб примера на рис. 4.1 при- бг ведены относительные значения температуры газа Т'„б и в сопловых аппаратах трехступенчатой турбины, температуры газа 7" в лопаточных каналах рабочих колес и количество воздуха 6„„, идущего на охлаждение соответствующих лопаток СА и РК, обеспечивающего примерно равную температуру лопаток сопловых аппаратов Тсд и лопаток рабочих колес Тр „двух охлаждаемых и одной неохлаждаемой ступени.
В ряде случаев для увеличения окружной скорости 1чаще всего турбины вентилятора ТРДД или ТРДИ), если учесть, что частота вращения у этих турбин меньше, чем у турбин компрессоров высокого давления, и что разность по частоте вращения возрастает с увеличением степени двухконтуриости, увеличивают средний диаметр турбин ТРДД, выполняя переходный канал при резком изменении диаметров.
При незначительном изменении диаметров этот переход возможен, если лопатки соплового аппарата в месте перехода на больший диаметр выполнять широкими. В обоих случаях стремятся обеспечить максимально высокую окружную скорость при необходимой прочности. г=/О/б)г б 5 5 Я У У " ' / 1 5 5 7 У /// Н/ л б Рис. 4.2, Зависимость удлинения сопловых 1, и рабочих /а лопаток авиационных газовых турбин от отношения (О ар/ОП О вЂ” турским трд; С! — турбины ксыпрессера Трдд; Сс — турским иеитилатпра ТРДД; 1 — иеехлаждаемые лопатки; 2 — ехлаждаемые лспатки О,р — средний диаметр, 1 — длина лопатки) и связанное с этим параметром втулочное отношение гу,.
Оба параметра однозначно связаны с величиной потерь в проточной части, организацией охлаждения лопаток, <веерностью» рабочих лопаток и, главное, их прочностью: Оср ! + ст 1 — бт или <Х /тс /1 — 1 т— Для турбин ТРД, ТРДФ, ТВД характерны значения Р,р/1 = = 6 ... 11 (б(, = 0,7! ... 0,83). Для первых ступеней ТРДД с большой степенью двухконтурности лопатки относительно короткие: Р,р/1 = 14 ... 20 (<Е, = 0,86 ... 0,90).
Для последних ступеней современных ТРД и ТВД эта величина составляет О,р/1 = 4 ... 8 (<1, = 0,6 ... 0,78). Предельное значение (О, Д) = 3(с1 = 0,5) !36). ср тш т Не менее важным конструктивным параметром ступени является удлинение лопаток 1= 1/Ь, т. е. отношение длины лопатки 1 Ст в выходном сечении к величине хорды Ь на среднем радиус . е.
татистические данные по удлинению лопаток приведены на рис. 4.2. Величина оптимального удлинения 1 зависит как от коэффициента длины О,р/1, так и от наличия нли отсутствия охлаждения лопаток (величина хорды Ь связана с максимальной толщиной профиля б, которая у охлаждаемых лопаток значительно большая, чем у неохлаждаемых). Относительная длина лопатки рабочего колеса в значительной степени определяет ее прочность.
Так, если оцеиинать в первом приближении прочность по корневому сечению, где напряжение растяжения от действия центробежных сил определяется как ор — — 2ри',р1/Оср, а при наличии бандажных полок на концах лопаток — в зависимости от формы полки, наличия и числа гребешков лабиринтного уплотнения, то ар ы (1,!5 ...
!,3) 2ри' 1/Р„. 132 Из приведенных формул видно, что с увеличением длины лопаток 1 при заданном среднем диаметре О,р резко возрастает напряжение растяжения и для сохранения необходимого запаса прочности необходимо либо снижение окружной скорости на среднем диаметре и,р, либо увеличение среднего диаметра с одновременным снижением частоты вращения ротора и, (сохраняя и,р), Последнюю формулу легко преобразовать к виду Ъ'т' ПР = 3 7! !О 'и ОГ .
сХ,'2!в„а откуда видно различное влияние газодинамических параметров б„, /22, 7"2, д () 2) и сс~ на прочность рабочих лопаток турбины. Далее эта формула принимает вид о, = сопл! птРср 21 2 Ее анализ показывает, что для сохранения пропускной способ- ности при у и уменыпении О, в два раза необходимо увеличить Сра если и = — сопз1 длину лопаток также в два раза. При этом, если и, = — сопл рабочие лопатки по ар равнопрочны. Однако уменьшение О,р, приводит к уменьшению и,'р — — 0,5и,р, а следовательно, к умень- шению работы ступени Н„ж 0,25Н„, так как Н„ы Н см сопз! и [36]. ср Конструктивное совершенство турбины характеризуется вели- чиной ее удельной массы ит =- М,/Ф„ где М,— М вЂ” масса т бины, ур Ы вЂ” развиваемая ею мощность.
Величина т, по статистическим , — развив е данным составляет 0,0! ... 0,03 кг/кВт. В то же время характерным параметром является относитель- ная удельная масса ит = а масса и = М /М, т. е. масса турбины, отнесенная .= 0,20 ... 0,35, к массе этого двигателя М,. Для ТРД и ТРДД пг, = ля ТВД йт = 0,30 ... 0,45, причем наибольшая из составляющих приходится на массу ротора — примерно 4о ... 5 е, у . 55 %, на масс сопловых аппаратов — 25 ... 35 % и на массу корпусов— !О ... 20%.
При этом не учитывалось наличие напряжений изгиба лопа- ток о„от действия газовых сил, уровень которых зависит как а ступень, так и от числа, длины и геометрии сечений лопаток. Следует иметь в виду, что этн напряжения аи изме- няготся н при изменении режима работы двигателя, особенно у рабочих лопаток без бандажных полок (рис. 4.3).
Число рабочих лопаток достигает 70 ... 85 ( ) (150) — большее значение относится к спаренным лопаткам. Т , р число охлаждаемых безбандажных лопаток 1 первой ступени и число охлаждаемых бандажированных лопаток 2 второй ступени равно 80. Число сопловых лопаток составляет: на первых ступе- нях 35 ... 85, на последних ступенях 80 ... 1!О. П и выборе числа лопаток учитывают ряд факторов, таких как оптимальная густота решетки и ее изменен ри вы оре чи ие по длине ло- на к условие размещения лопаток на диске, ске, наличие либо ти, ске, 133 44 (2 14 33 (б глох/Хгбтл Рыс.
4,3. Завы«высеть оп/ор от относительного максимального расхода газа через турбыну От жвх~бт»зл: Ь вЂ” рвбочзв лопатки с бвидвжиыии поливии, Π— бев бвидвжиых полок отсутствие охлаждения н принимаемое конструктивно-технологическое решение схемы охлаждения, требуемая прочность и вибропрочность, экономическое обоснование. Уменьшение числа лопаток, например, может диктоваться стремлением снизить потребность в дорогостоящих материалах либо стоимость изготовления комплекта и др. Так, например, в процессе модернизации семейства ТРДД СР-6 фирмы «Дженерал Электрик» при переходе от модификации СР6-61) к модификации СР6-32 число рабочих лопаток было резко уменьшено: на первой ступени со 108 до 88, а на второй ступени — со 1!6 до 90 при одновременном переходе от лопаток со спаренными хвостовиками к индивидуальному креплению обычным хвостовиком, Необходимая густота при уменьшении числа лопаток вызвала увеличение длины хорды профиля Ь примерно на 15 ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
