4.4 Работа турбины компрессора

Турбина служит для привода осевого компрессора и других агрегатов двигателя. Источником энергии для работы турбины является тепло нагретых газов, проходящих через турбину.

ТК является одним из высоконагруженных узлов двигателя. Элементы ее конструкции подвергаются воздействию высоких температур, которые изменяются в широких пределах в зависимости от режимов работы двигателя.

Нагрев элементов конструкции происходит как за счет горячих газов, так и за счет тепла, выделяемого при интенсивном движении подвижных частей турбины (ротора) относительно неподвижных.

Вследствие неравномерности температурных полей в элементах турбины в них возникают температурные напряжения. Они дополняются действием значительных аэродинамических нагрузок, обусловленных большими перепадами давлений газов в ступенях турбины.

На лопатки и диски рабочего колеса также действуют центробежные силы, величина которых достигает больших значений.

Кроме того, элементы конструкций газовых турбин испытывают вибрационные нагрузки, а поверхности деталей, расположенных в проточной части, подвержены окислению и газовой коррозии.

Обеспечение работоспособности ТК в этих условиях достигается применением специальных конструкционных материалов, конструктивными мерами, а также интенсивным охлаждением воздуха наиболее нагретых элементов.

В двигателе применена воздушная система охлаждения турбины. Турбина компрессора охлаждается вторичным воздухом, который омывает жаровую трубу камеры сгорания как со стороны корпуса КС («внешний» поток), так и со стороны диффузора КС («внутренний» поток).

Вторичный воздух «Б» внешнего потока поступает на охлаждение корпусов турбины через отверстия корпуса соплового аппарата.

Основной поток этого воздуха через полости в литых сопловых лопатках СА II поступает в пространство между диафрагмой и стенкой в сборе. Отсюда через отверстия в стенке воздух попадает в полость между наружными поверхностями покрывающего диска II и стенки, после чего выходит через щель между диском и лопатками СА II в проточную часть.

Некоторое количество вторичного воздуха «Б» попадает в проточную часть со стороны корпуса СА через щели между элементами конструкции.

Вторичный воздух «В» внутреннего потока разделяется на два потока. Часть воздуха поступает на охлаждение сопловых лопаток I ступени турбины. Другая часть вторичного воздуха «В» поступает на охлаждение покрывающих дисков, замков и ножек рабочих лопаток турбины.

Воздух, охлаждающий полые сопловые лопатки I, попадает в них через отверстия во втулках и далее выходит в проточную часть через отверстия в лопатках.

Воздух, идущий на охлаждение покрывных дисков, через отверстия во фланце СА I попадает в полость, ограниченную этим фланцем, лабиринтным уплотнением, валом турбины и внутренним диффузором камеры сгорания, соединенным с фланцем СА.

Отсюда охлаждающий воздух расходится двумя потоками:

а) первый поток – воздух, пройдя лабиринтные уплотнения, попадает в полость между покрывающим диском I, фланцем СА I и внутренней обоймой СА, охлаждает их и выходит в проточную часть перед рабочим колесом I ступени;

б) второй поток – воздух попадает через специальные отверстия в валу турбины во внутреннюю полость «Д» ротора турбины компрессора. Отсюда часть его через специальные отверстия в цилиндрическом поясе диска поступает в полость между покрывающим диском I и диском РК I ступени. Охлаждая переднюю сторону диска, замки и ножки рабочих лопаток I ступени, воздух выходит в проточную часть через зазоры у нижних полок замков и специальные отверстия на периферии покрывающего диска II.

Остальная часть этого «второго» потока поступает в полость «Е» турбины компрессора. Из полости «Е» воздух, пройдя срезанные торцевые шлицы, расходится по трем направлениям:

1. Через отверстия в ступице покрывающего диска II воздух попадает в полость между диском I ступени турбины и покрывающим диском II. Охлаждая заднюю сторону диска I ступени турбины, он выходит через отверстия на периферии покрывающего диска II в проточную часть.

2. Через отверстия в ступице покрывающего диска III воздух попадает в полость между диском II ступени турбины и покрывающим диском III. Охлаждая переднюю сторону диска, замки и ножки лопаток II ступени турбины, воздух выходит через зазоры у нижних полок и замков лопаток, а также через специальные отверстия на периферии покрывающего диска IV в проточную часть.

3. По лыскам стяжных болтов и фрезеровкам в посадочных поясах диска II ступени и покрывающем диске IV воздух попадает к задней стороне диска II ступени турбины, охлаждает ее и выходит через отверстия на периферии покрывающего диска IV в проточную часть.

Работоспособность элементов третьей опоры обеспечивается их интенсивной смазкой и охлаждением синтетическим маслом.

Важнейшее значение имеет правильная эксплуатация двигателя, ограничение продолжительности работы двигателя на повышенных режимах, которая определяется стойкостью рабочих лопаток первой ступени.