Лабораторная работа № 7. Устройство турбин ТНА

 

В качестве привода насосов в ТНА применяются преимущественно газовые турбины, обладающие малыми габаритами и массой при высокой удельной располагаемой мощности.

Газовая турбина развивает мощность при подаче на нее газа, имеющего высокую температуру и давление.

В состав турбины входят:

1) корпус, состоящий из выхлопного коллектора и крышки; в крышке размещается сопловой аппарат турбины;

2) диск с рабочими лопатками;

3) направляющие лопатки (для двухступенчатой турбины);

4) вал с муфтой;

5) уплотнения.

Газ от газогенератора поступает в коллектор соплового аппарата турбины. Из коллектора соплового аппарата газ попадает в сопла, в которых разгоняется до большой скорости (1000 м/с и более). Сопловым аппаратом газ подводится на рабочие лопатки колеса турбины и отдает им большую часть своей энергии, что приводит к возникновению окружного усилия на колесе и созданию мощности на валу турбины.

Если турбина двухступенчатая (двухвенечная), то между рабочими лопатками первой и второй ступеней размещают неподвижные направляющие лопатки (направляющий аппарат). Направляющий аппарат поворачивает газовый поток, чтобы подвести его к рабочим лопаткам 2-й ступени под требуемым углом. Направляющий аппарат крепится к фланцу соплового аппарата на болтах или сваркой и состоит из сегментов с приваренными к нему лопатками.

 

Парциальность турбины. Сопловой аппарат турбины представляет собой сварной узел, распределяющий подводимый от газогенератора газ по окружности колеса турбины и подающий его на рабочие лопатки.

Если в турбине газ подводится к рабочим лопаткам по всей окружности колеса, то говорят, что степень парциальности турбины равна единице (). Если же степень парциальности меньше единицы (), то сопловой аппарат представляет собой кольцевой сегмент. В этом случае турбину ТНА называют парциальной. Высокоперепадные малорасходные автономные турбины ЖРД имеют парциальный подвод газа. Объясняется это тем, что при малом расходе газа автономных турбин подвести газ к рабочему колесу по всей окружности можно лишь при малой высоте рабочих лопаток. Однако опыт показывает, что при малой высоте лопаток резко падает КПД, поэтому сопла приходится располагать не по всей окружности колеса.

Ось симметрии сопел соплового аппарата находится на средней высоте рабочих лопаток колеса турбины. Сопловой аппарат является наиболее теплонапряженным узлом турбины.

 

Диск колеса турбины. Диск имеет утолщенную ступицу (для крепления на валу) и утолщенный обод (для крепления рабочих лопаток). Для соединения диска турбины с валом и передачи крутящего момента широко применяются штифты, шлицевое соединение, болты, сварка (рис. 7.1). Штифты для передачи большого крутящего момента желательно располагать на фланце, подальше от центра вращения вала. Часто в конструкции турбины вал и диск выполняют из одного материала, как одно целое. Однако, с целью экономии дорогостоящих жаропрочных сталей, более целесообразно вал изготовлять из более дешевого материала, и приваривать его к диску турбины. Диск турбины может быть плоским (постоянной толщины по радиусу). В большинстве случаев из условий прочности диск выполняется переменной толщины по радиусу.

 

Рабочие лопатки турбины (рис. 7.2). Рабочие лопатки состоят из ножки (хвостовика) и профилированной части (пера), выполненных за одно целое. Ножка пера крепит лопатку к ободу диска турбины. Различают беззамковые и замковые соединения лопаток с ободом диска. Беззамковым соединением являются сварные и паяные соединения. Чаще используются сварные соединения. Сварное и паяное соединения конструктивно наиболее просты. К качеству шва предъявляются очень высокие требования. Шов контролируется рентгеновским просвечиванием.

Замковое соединение выполняется в виде: елочного, штифтового, Т -образного, цилиндрического и с треугольными выступами на ножке пера.

Елочные замки конструктивно и технологически наиболее сложны и применяются в ТНА двигателей больших тяг.

Широкое применение получило Т -образное замковое соединение, при котором лопатки устанавливаются в кольцевые пазы обода диска. Лопатки последовательно вводятся в паз через специальный вырез. Последняя лопатка выполняется без Т -образного замка и приклепывается. Соединения с Т -образным замком просты и технологичны, но недостаточно прочны.

Рис. 7.1. Типы соединения диска турбины с валом (а – штифтовое; б – призонными болтами; в – фланцевое; г – шлицевое; д, е – сваркой): 1 – диск; 2 – штифт; 3 – вал; 4 – болт; 5 – гайка; 6 – шайба стопорная; 7 – винт

 

Рис. 7.2. Некоторые типы соединения лопаток с диском турбины (а – сваркой; б – Т-образным замком; в – замком типа «елочка»; г – литьем): 1 – ножка; 2 – перо; 3 – бандаж; 4 – гребешки уплотнения; 5 – замок

В лопатках со штифтовыми двухушковыми замками штифты вставляются в отверстия ушек, совместно просверленные в ножке лопатки и ободе диска, а затем расклепываются. Эта конструкция позволяет значительно уменьшить вес обода турбины. Для уменьшения веса штифты могут выполняться пустотелыми.

Лопатки изготовляются фрезерованием или литьем. Литые лопатки бывают сдвоенными и строенными (группа лопаток, имеющих один общий хвостовик с замком). Для облегчения конструкции литые лопатки выполняют пустотелыми.

При вращении ротора в диске турбины возникают высокие напряжения (в основном от действия центробежных сил). Особенно велики напряжения на периферии утолщенного обода. Если прочность одинарного диска турбины недостаточна, применяют двухдисковые турбины с лопатками первой и второй ступени. Диски между собой и фланцем вала крепят винтами и штифтами. Штифты запрессовывают в отверстия фланца вала и дисков турбины, и они служат для передачи крутящего момента.

 

Корпус турбины. Корпусные детали турбины бывают литые, сварные, изготовленные механической обработкой из цельной заготовки.

Газоподводящие коллекторы в большинстве случаев выполняются сварными, тонкостенными, как отдельный узел, крепящийся к корпусу СА.

При низких температурах генераторного газа применяют литые (из алюминиевых сплавов) корпуса турбин, все детали которых выполняются в виде единого блока сложной конфигурации.

При высоких температурах чаще применяются сварные корпуса турбин из нержавеющей или малоуглеродистой стали тонкостенной конструкции с соответствующим усилением стенок ребрами жесткости. Отдельные детали корпусов соединяют между собой болтами или сваркой.

 

Выхлопной коллектор турбины. Выхлопной коллектор турбины при ее консольном расположении на валу представляет собой сварной корпус, который крепится к корпусу турбины с помощью фланцевого или сварного соединения.

Выхлопной коллектор, а также гофрированная стенка корпуса турбины, обычно изготавливаются штамповкой из тонкого листового материала. Для повышения их жесткости и обеспечения возможности линейных деформаций под воздействием высокой температуры им придают специальную форму (например, на диафрагме корпуса турбины выполняются «зиги», а выхлопной коллектор изготовляют эллиптической формы).