2.2. 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.