МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА» (САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Институт двигателей и энергетических установок Кафедра конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов. Лабораторная работа по дисциплине Конструкция и проектирование двигателей «Газовые турбины ВРД» Выполнил: студент гр.2405-240502D Коннов И.А. Проверил: Профессор кафедры КиПДЛА, д.т.н Виноградов А.С. Самара 2023 Цель работы: уяснить процессы, происходящие в турбине при расширении газа, нагреве и охлаждении ее элементов, изучить конструкцию турбины в такой мере, чтобы при анализе вариантов исполнения можно было рассматривать процессы и конструкцию как единое целое и таким образом осмыслить и перенять опыт проектирования. Турбина двигателя Д-36 1. Краткая характеристика турбины Турбина двигателя Д-36, предназначенная для преобразования энергии газового потока в механическую работу для передачи её на валы компрессоров и привод агрегатов, состоит из турбины высокого давления (ТВД), турбины низкого давления (ТНД) и турбины вентилятора (ТВ). Турбина высокого давления – осевая, одноступенчатая, преобразует теплоперепад в механическую работу, идущую на привод компрессора высокого давления и агрегатов. Турбина низкого давления – осевая, одноступенчатая, преобразует теплоперепад в механическую работу, идущую на привод компрессора низкого давления. Турбина вентилятора – осевая, трехступенчатая, преобразует теплоперепад в механическую работу, идущую на привод вентилятора. В приложении А на рисунке А.1 представлена конструктивно-силовая схема турбины. Ступень осевой турбины представляет собой сочетание неподвижного лопаточного венца соплового аппарата (СА) и расположенного за ним по потоку вращающегося лопаточного венца рабочего колеса (РК). В РК ступени происходит расширение газа за счет сужающегося в относительном движении межлопаточного канала (β2<β1, w2>w1). Согласно, уравнению Бернулли, энергия расширения газа расходуется на получение механической работы, изменение кинетической энергии и преодоление гидравлических потерь, т.е. 1 𝑑𝑝 𝑐22 − 𝑐12 ∫ = 𝐿𝑢 + + 𝐿𝑟1−2 2 2 𝜌 Механическая работа в РК Из Уравнений Бернулли и Эйлера следует, что для получения наибольшей механической работы необходимо осуществить: 1) входную закрутку потока на входе в РК 𝑐1𝑢 > 0, тем самым увеличив саму величину скорости 𝑐1 ; 2) Осуществить поворот потока в РК ступени 𝑐2𝑢 < 0 и снизить саму величину скорости 𝑐2 < 𝑐1 Для реализации входной закрутки в осевой ступени перед рабочим колесом ставят так называемый сопловой аппарат (СА), представляющий собой неподвижный лопаточный венец, входной конструктивный угол 𝛼0л которого больше выходного конструктивного угла 𝛼1л . При такой форме лопаток межлопаточный канал СА получается конфузорным, течение в нем ускоряется, а абсолютная скорость увеличивается 𝑐1 > 𝑐0 . Поворот потока осуществляется формой лопатки рабочего колеса. Учитывая, что при движении газа по межлопаточным каналам давление и плотность его падают, по уравнению расхода меридиональное сечение проточной части должно быть расширяющимся. Задача конструктора состоит в обеспечении процесса отбора энергии в турбине с минимальными потерями. 2. Обеспечение жаропрочности лопаток и дисков охлаждением Рабочие и сопловые лопатки турбины работают в непосредственном соприкосновении с высокотемпературным газом, при этом допустимая температура лопаточных сплавов ниже рабочих температур газа перед каждым венцом на 200…500°С. Непосредственному воздействию газа подвержены также некоторые роторные и статорные детали турбины: корпуса, ободная часть дисков, лабиринты и другие, менее нагруженные детали. Для обеспечения их надежной работы в течение заданного ресурса применяются системы охлаждения. Лопатки и диски турбины высокого давления, сопловая лопатка и диск турбины низкого давления, и диски турбины вентилятора двигателя Д-36 – охлаждаемые. В приложении А на рисунке А.1 представлена схема течения охлаждающего воздуха. Конструкция охлаждаемых лопаток подробно представлена ниже в последующих пунктах 3. Минимизация расхода охлаждающего воздуха Уровень температуры газа перед турбиной умеренный и система отключения охлаждения на двигателе Д-36 не предусмотрена. 4. Обеспечение жаропрочности и жаростойкости лопаток покрытием Покрытие «термический барьер» на охлаждаемых лопатках не используется. 5. Управление радиальными зазорами, система подвода воздуха на управление радиальными зазорами Учитывая, что статор турбины интенсивно охлаждается с момента запуска двигателя, возможно использовать в этом двигателе пассивное регулирование радиальных зазоров путем согласования тепловых деформаций ротора и статора во времени за счет подбора толщин и материалов с малыми коэффициентами теплового расширения, что увеличить тепловую инерционность статора 6. Конструкция ТВД Турбина высокого давления состоит из статора и ротора. Статор турбины ВД состоит из СА, проставки и заднего корпуса. Сопловой аппарат турбины состоит из внутреннего и наружного корпусов, между которыми размещены семь секторов сопловых лопаток по четыре лопатки в каждой и одна отдельная лопатка. Сопловые лопатки устанавливаются в корпуса и фиксируются в радиальном направлении цилиндрическим пояском, в осевом – буртиком, а в окружном направлении – выступом. Буртик и поясок входят в соответствующие пазы во внутреннем и наружном корпусах. Герметизация стыков между секторами осуществляется за счет уплотняющих пластин. Все лопатки пустотелые. Наружный корпус соплового аппарата, задний корпус турбины и проставка крепятся посредством болтового соединения. Задний корпус турбины и внутренний корпус СА соединяется с наружным корпусом камеры сгорания посредством болтового соединения. К внутреннему корпусу соплового аппарата крепятся кольца лабиринтного уплотнения с сотовым покрытием. Внутри каждой лопатки установлен дефлектор, через который из-за последней ступени КВД через канал между внутренним и наружным корпусами камеры сгорания подводится охлаждающий воздух. Проходя через систему отверстий в дефлекторе, часть охлаждающего воздуха выходит через систему отверстий в области входной кромки лопатки, формируя тем самым воздушную пелену на поверхности корытца и спинки профиля. Оставшаяся часть воздуха, (интенсификаторы) в лопатке минуя цилиндрические перемычки выходит через систему отверстий вблизи выходной кромки. Таким образом, в СА турбины ВД реализуется конвективно-пленочный тип охлаждения. В приложении A на рисунке А.2 представлена конструкция статора и охлаждаемых сопловых лопаток СА с указанием течения охлаждающего воздуха. Ротор турбины состоит из рабочего колеса и заднего вала Рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, которые попарно устанавливаются в ободе диска с помощью замка елочного типа и фиксируются от перемещения в осевом направлении пластинчатыми контровками. Рабочие лопатки (левая и правая) – охлаждаемые и состоят из верхней и нижней полки, пера, ножки и хвостовика. Воздух поводится из-за последней ступени КВД. Проходя через лабиринтные уплотнения, воздух попадает в полости, образованные нижними полками и ножками лопаток и выступом на ободе диске с выходной стороны рабочего колеса, где затем, проходя через отверстия в ножке лопатки и разделяясь на три части, попадает внутрь лопатки. Внутри лопатки в двух первых каналах воздух течет в радиально направлении на выход через бандажную полку. Текущий в радиальном направлении через третий канал воздух частично выходит через систему отверстий расположенных вблизи выходной кромки лопатки. Таким образом, в лопатке реализуется конвективный тип охлаждения. В приложении A на рисунке А.3 представлена конструкция охлаждаемых рабочих лопаток РК с указанием течения охлаждающего воздуха. Диск турбины – охлаждаемый. Помимо охлаждения обода диска, в диске охлаждается ступица диска. В качестве охладителя используется воздух из последней ступени КВД. Воздух проходит в передние радиальные пазы во фланце диска и омывает ступицу холодным воздухом, который затем через радиальные пазы с задней стороны диска выходит в проточную часть двигателя. Диск и задний вал турбины крепятся к валопроводу осуществляется специальными стяжными болтами, конические призонные участки которых служат для центрирования рабочего колеса относительно валов и передачи крутящего момента: гайки стяжных болтов зафиксированы от отворота контровочными шайбами. В приложении A на рисунке А.4 представлена конструкция соединения диска и заднего вала турбины к валу компрессора с указанием течения охлаждающего воздуха 7. Конструкция ТНД Турбина низкого давления состоит из статора и ротора. Статор турбины состоит из наружного и внутреннего корпуса опор турбин, между которыми смонтированы девять секторов пустотелых лопаток соплового аппарата по три лопатки в каждом. Наружный и внутренний корпуса опор соединены между собой силовыми стойками, которые размещаются внутри лопаток соплового аппарата и крепятся к корпусам при помощи болтов и призонных втулок. Наружный корпус опор турбин крепится с задним корпусом турбины ВД и с наружным корпусом вентилятора посредством болтовых соединений. Между секторами сопловых лопаток и наружным корпусом с помощью полочек установлена проставка с нанесенной на ней сотовым покрытием Сопловые лопатки устанавливаются в корпуса и фиксируются в осевом и радиальном направлениях за счет цилиндрического буртика и кольцевых выступов. Фиксация лопаток в окружном направлении осуществляется за счет паза, выполненного на каждом секторе лопаток. Герметизация стыков между секторами осуществляется за счет уплотняющих пластин. Внутри каждой лопатки установлен дефлектор, через который из-за третьей ступени КВД через отверстия в наружном корпусе статора по трубам подводится охлаждающий воздух. Проходя через систему отверстий в дефлекторе, воздух омывает внутреннюю полость лопатки и выходит через ряд отверстий вблизи выходной кромки. Таким образом, в лопатке реализуется конвективный тип охлаждения. В приложении A на рисунке А.5 представлена конструкция охлаждаемых сопловых лопаток с указанием течения охлаждающего воздуха. Ротор турбины состоит из рабочего колеса и заднего вала, соединённые между собой болтами. Рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, которые устанавливаются в ободе диска с помощью замка елочного типа и фиксируются от перемещения в осевом направлении пластинчатыми контровками по аналогии с фиксацией рабочих лопаток турбины ВД. Рабочие лопатки – неохлаждаемые и состоят из бандажной и нижней полки, пера, удлиненной ножки и хвостовика. Диск турбины – охлаждаемый. Охлаждается обод диска. В качестве охладителя используется смесь воздуха из третьей ступени КВД, поступающего из полости внутреннего корпуса соплового аппарата ТНД, и омывающего диск ТВД воздуха из последней ступени КВД. 8. Конструкция турбины вентилятора Турбина вентилятора состоит из статора и ротора. Статор турбины выполнен в виде конического наружного корпуса, внутри которого установлены три сопловых аппарата с внутренними корпусами, между которыми установлены проставки с нанесенным на них сотовым покрытием. Каждый сопловой аппарат турбины набирается из секторов лопаток. Наружные и внутренние полки секторов имеют соответствующие цилиндрические пояски и кольцевые выступы для фиксации лопаток в осевом и радиальном направлениях. Окружная фиксация лопаток обеспечивается штифтами, запрессованными в проточке наружного корпуса и выступом, расположенными на внутренней полке. Сопловые лопатки – неохлаждаемые, сплошные. В приложении A на рисунке А.6 представлена конструкция СА и сектора лопаток одной из ступеней турбины. Ротор турбины вентилятора состоит из вала и трех рабочих колес. Рабочие колеса соединяются с валом посредством стягивающего болта. Соединение рабочих колес между собой осуществляется по барабанным проставкам, выполненных заодно с РК второй ступени. Каждое рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, которые устанавливаются в ободе диска с помощью замка елочного типа и фиксируются от перемещения в осевом направлении пластинчатыми контровками по аналогии с фиксацией рабочих лопаток турбины ВД. Диски турбины – охлаждаемые. Охлаждается каждый обод диска. В качестве охладителя используется смесь воздуха из третьей ступени КВД, поступающего из полости внутреннего корпуса соплового аппарата ТНД, и омывающего диск ТВД воздуха из последней ступени КВД. 9. Конструкция уплотнений в системе «ротор статор» Уменьшение перетекания газа в турбине ВД осуществляется за счет: выполненного на бандажной полке гребешка лабиринтного уплотнения и нанесении на проставке корпуса сотового покрытия выполненного на диске двух лабиринтных буртов с двух сторон диска и нанесении на статорных кольцах сотового покрытия. Уменьшение перетекания газа в турбине НД осуществляется за счет: выполненного на бандажной полке гребешка лабиринтного уплотнения и нанесении на проставке корпуса сотового покрытия выполненного на диске двух лабиринтных буртов на входной стороне и нанесении на статорных кольцах сотового покрытия. Уменьшение перетекания газа в турбине вентилятора осуществляется за счет: выполненного на бандажных полках гребешков лабиринтного уплотнения и нанесении на проставках корпуса сотового покрытия выполненного на дисках лабиринтных буртов, гребешков лабиринтных уплотнений на барабанных проставок и нанесении на статорных кольцах сотового покрытия. 10.Обеспечение непробиваемости корпуса Непробиваемость корпуса турбины ВД обеспечивается проставкой и выполненным над ней болтовым соединением корпусов турбин ВД и НД и наружного корпуса КС. Непробиваемость корпуса турбины НД обеспечивается проставкой и выполненным над ней болтовым соединением корпусов турбин НД и вентилятора. Непробиваемость корпуса турбины вентилятора обеспечивается: проставками и дискретно расположенными лючками для осмотра лопаток на первых двух ступенях турбины проставкой, болтовым соединением турбины с реактивным соплом и дискретно расположенными лючками для осмотра лопаток на последней ступени турбины Турбина двигателя RB-199 1. Краткая характеристика турбины Турбина двигателя RB-199, предназначенная для преобразования энергии газового потока в механическую для передачи её на валы компрессоров и привод агрегатов, состоит из турбины высокого давления (ТВД), турбины низкого давления (ТНД) и турбины вентилятора (ТВ). Турбина высокого давления – осевая, одноступенчатая, преобразует теплоперепад в механическую работу, идущую на привод компрессора высокого давления. Турбина низкого давления – осевая, одноступенчатая, преобразует теплоперепад в механическую работу, идущую на привод компрессора низкого давления. Турбина вентилятора – осевая, двухступенчатая, преобразует теплоперепад в механическую работу, идущую на привод вентилятора. В приложении Б на рисунке Б.1 представлена конструктивно-силовая схема турбины. 2. Обеспечение жаропрочности лопаток и дисков охлаждением Для обеспечения надежной работы роторных и статорных деталей турбины (лопаток, дисков, корпусов и т.д.) в течение заданного ресурса применяются системы охлаждения. Лопатки и диски турбин высокого давления и низкого давления и сопловая лопатка первой ступени турбины вентилятора – охлаждаемые. В приложении Б на рисунке Б.1 представлена схема течения охлаждающего воздуха. Конструкция охлаждаемых лопаток подробно представлена ниже в последующих пунктах 3. Минимизация расхода охлаждающего воздуха Уровень температуры газа перед турбиной умеренный и система отключения охлаждения на двигателе RB-199 не предусмотрена. 4. Обеспечение жаропрочности и жаростойкости лопаток покрытием Покрытие «термический барьер» на охлаждаемых лопатках не используется. 5. Управление радиальными зазорами, система подвода воздуха на управление радиальными зазорами В двигателе RB-199 реализуется система пассивного регулирования зазоров. Регулирование зазоров обеспечивается: согласованием тепловых деформаций ротора и статора во времени за счет подбора толщин и материалов с малыми коэффициентами теплового расширения введением дополнительной подвижной опоры (роликового подшипника) перед компрессором с целью компенсации осевых перемещений ротора турбины ВД (приложение Б, рисунок Б.2) 6. Конструкция ТВД Турбина высокого давления состоит из статора и ротора. Статор турбины ВД образован общим наружным корпусом, секторами сопловых лопаток и внутренним корпусом ТВД. Сектора сопловых лопаток устанавливаются в корпуса и фиксируется в осевом направлении – буртиком, в окружном – штифтом в верхней полке и выступом на нижней полке, а в радиальном – цилиндрическим пояском. Герметизация стыков между секторами осуществляется за счет уплотняющих пластин. Все лопатки пустотелые. Внутри каждой лопатки установлен дефлектор, через который из-за последней ступени КВД через канал между внутренним и наружным корпусами камеры сгорания подводится охлаждающий воздух. Проходя через систему отверстий в дефлекторе, часть охлаждающего воздуха выходит через систему отверстий в области входной кромки лопатки, формируя тем самым воздушную пелену на поверхности корытца и спинки профиля. Оставшаяся часть воздуха, (интенсификаторы) в лопатке минуя цилиндрические перемычки выходит через систему отверстий вблизи выходной кромки. Таким образом, в СА турбины ВД реализуется конвективно-пленочный тип охлаждения. В приложении Б на рисунке Б.3 представлена конструкция статора и охлаждаемых сопловых лопаток СА с указанием течения охлаждающего воздуха. Ротор турбины состоит из заднего вала и рабочего колеса. Рабочие колеса соединяются с валом с помощью болтового соединения. Рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, которые устанавливаются в ободе диска с помощью замка елочного типа и фиксируются от осевого перемещения пластинчатым замком. Рабочие лопатки – охлаждаемые и состоят из верхней и нижней полки, пера, ножки и хвостовика. Воздух подводится из отверстий во внутреннем корпусе статора турбины. Проходя через отверстия, воздух попадает в полости, каждая из которых образована елочным пазом в диске, нижней полкой и выступом на хвостовике лопатки с выходной стороны рабочего колеса, где затем, проходя через отверстия в хвостовике, попадает внутрь лопатки и течет в радиальном направлении на выход через бандажную полку. Помимо магистрального течения, воздух, находящийся вблизи входной кромки, частично выходит через отверстия в профиле, формируя тем самым воздушную пелену на поверхности лопатки. Таким образом, в РК турбины ВД реализуется конвективно-пленочный тип охлаждения. В приложении Б на рисунке Б.4 представлена конструкция охлаждаемых рабочих лопаток РК с указанием течения охлаждающего воздуха. 7. Конструкция ТНД Турбина низкого давления состоит из статора и ротора. Статор турбины НД образован общим наружным корпусом, секторами сопловых лопаток и внутренним корпусом ТНД. Сектора сопловых лопаток устанавливаются в корпуса и фиксируется в осевом направлении – буртиком, в радиальном – выступом на нижней полке, а в осевом – цилиндрическим пояском. Герметизация стыков между секторами осуществляется за счет уплотняющих пластин. Все лопатки пустотелые. Лопатка СА ТНД, имея схожую конструкцию с лопаткой СА ТВД, обладает некоторыми особенностями, заключающиеся в подводе охлаждающего воздуха только с периферийной части лопатки и в отсутствии отверстий у входной кромки лопатки. Последнее обстоятельство говорит о реализации конвективного типа охлаждения. Ротор турбины состоит из заднего вала и рабочего колеса. Рабочие колеса соединяются с валом с помощью болтового соединения. Рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, которые устанавливаются в ободе диска с помощью замка елочного типа и фиксируются от осевого перемещения пластинчатым замком. Рабочие лопатки – охлаждаемые и состоят из верхней и нижней полки, пера, удлиненной ножки и хвостовика. Рабочая лопатка ТНД, имея схожую конструкцию с лопаткой РК ТВД, обладает некоторыми особенностями, заключающиеся в подводе охлаждающего воздуха как через отверстия в хвостовике, так и через отверстия в удлиненной ножке, и в отсутствии отверстий у входной кромки лопатки. Последнее обстоятельство говорит о реализации конвективного типа охлаждения. 8. Конструкция турбины вентилятора Турбина вентилятора состоит из статора и ротора. Статор образован общим наружным корпусом турбин, секторами сопловых лопаток и внутренними корпусами обеих ступеней турбины вентилятора. Статор турбины выполнен в виде конического наружного корпуса, внутри которого установлены три сопловых аппарата с внутренними корпусами, между которыми установлены проставки с нанесенным на них сотовым покрытием. Каждый сопловой аппарат турбины набирается из секторов лопаток. Наружные и внутренние полки секторов имеют соответствующие цилиндрические пояски и кольцевые выступы для фиксации лопаток в осевом и радиальном направлениях. Окружная фиксация соплового аппарата первой ступени достигается выступом на наружной полке, а соплового аппарата второй ступени – штифтом во внутренней полке. Конструкция соплового аппарата первой ступени вентилятора схожа с конструкцией статора турбины НД двигателя Д-36 Конструкция крепления соплового аппарата второй ступени вентилятора схожа с конструкцией турбины ВД этого двигателя. Ротор турбины вентилятора состоит из вала и двху рабочих колес. Рабочие колеса соединяются с валом посредством стягивающего болта. Каждое рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, которые устанавливаются в ободе диска с помощью замка елочного типа и фиксируются от перемещения в осевом направлении пластинчатым замком по аналогии с фиксацией рабочих лопаток турбины ВД. 9. Конструкция уплотнений в системе «ротор статор» Уменьшение перетекания газа в турбине ВД осуществляется за счет: выполненного на бандажной и нижней полке гребешков лабиринтного уплотнения и нанесении на полках СА сотового покрытия выполненного на диске лабиринтного бурта и нанесении на статорных кольцах сотового покрытия. Уменьшение перетекания газа в турбине НД осуществляется за счет выполненного на бандажной и нижней полке гребешков лабиринтного уплотнения и нанесении на полках СА сотового покрытия Уменьшение перетекания газа в турбине вентилятора осуществляется за счет: выполненного на бандажных и нижней полке гребешков лабиринтного уплотнения и нанесении на полках СА сотового покрытия выполненного на диске лабиринтного бурта и нанесении на статорных кольцах сотового покрытия. 10.Обеспечение непробиваемости корпуса Непробиваемость корпусов турбин обеспечивается верхними полками СА. Приложение А Рисунок А.1 – Конструктивно-силовая схема турбины двигателя Д-36 Рисунок А.2 – Основные элементы статора турбины ВД Рисунок А.3 – Конструкция рабочих лопаток турбины ВД Рисунок А.4 – Конструкция соединения диска с валом компрессора и конструкция охлаждения ступицы диска Рисунок А.5 – Конструкция статора турбины НД Рисунок А.6 – Конструкция СА первой ступени турбины вентилятора Приложение Б Рисунок Б.1 – Конструктивно-силовая схема и схема охлаждения турбины двигателя RB-199 Рисунок Б.2 – Система регулирования осевых и радиальных зазоров в каскаде высокого давления двигателя RB-199
