РАДИАЛЬНЫЕ И ОСЕВЫЕ ЗАЗОРЫ И УПЛОТНЕНИЯ В ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ

Утечки газов из проточной части турбины и охлаждающего воздуха из полости между корпусом и диском устраняются в турбинах с по­мощью лабиринтных уплотнений, конструктивно аналогичных лабиринт­ным уплотнениям осевых компрессоров. На рис. 5.33 показано одно из таких уплотнений, а также посадки и зазоры в узле турбины.

Лабиринтное уплотнение 8 образовано кольцевыми проточками, сделанными в стальном кольце и в торцовой части диска 7 турбины и рабочих лопаток 6. При сборке двигателя, пользуясь набором устано­вочных 2 и регулировочных 9 колец, выполняют правильную установку лабиринтного уплотнения 8. Газовое уплотнение 1 между ступенями двухступенчатой турбины показано на рис. 5.01. Эффективность этого уплотнения не зависит от осевого перемещения вала турбины относи­тельно корпуса.

Для уменьшения перетекания газа через радиальный зазор между корпусом турбины и рабочей лопаткой величину радиального зазора стремятся выбрать минимальной. Величина радиального зазора сущест­венно влияет на к.п.д. и на экономичность двигателя. Например, для турбины диаметром 1 м увеличение радиального зазора с 1 до 5 мм приводит к увеличению удельного расхода топлива более чем на 10%.

Однако в турбинах трудно достичь минимального радиального за­зора ввиду резкого изменения его величины при изменении режима работы двигателя. Величина диаметрального зазора зависит от темпе­ратурной деформации лопаток, диска и корпуса турбины, от деформа­ции лопаток и диска, вызываемой центробежными силами, от деформации корпуса под давлением газа, а также от остаточных деформаций этих деталей в процессе длительной эксплуатации двигателя. Кроме того, при эволюциях самолета радиальный зазор должен выбираться с учетом деформации ротора и корпуса от действия инерционных сил. Величину минимального радиального зазора обычно определяют на режиме остановки двигателя, когда тонкостенный, быстроостывающий корпус турбины уменьшается в диаметре и задевает за лопатки, укрепленные на массивном диске турбины, который не успевает быстро охладиться. Точный учет всех факторов, влияющих на величину ради­ального зазора, весьма труден. Поэтому радиальный зазор в турбинах (в холодном состоянии) выбирают по формуле, аналогичной формуле для компрессоров, в пределах:

D=(a…b)*(D/1000), мм

где D — наружный диаметр лопаток данной ступени в мм; величины а и b см. в справочных таблицах.

Иногда величину радиального зазора в холодном состоянии выби­рают в пределах 1,5—3% от длины лопаток.

Во многих газовых турбинах для предохранения лопаток от пов­реждения при касании их о корпус применяют металлокерамические вставки, что позволяет получить мини­мальный зазор между лопатками и кор­пусом. Металлокерамические вставки по­мещают в трапециевидные пазы (типа «ласточкин хвост») в наружном кольце соплового аппарата через прорези (см. рис. 5. 27, а и 5. 27, б) или паз выполняют с одной стороны открытым, охватывают вставки кольцом, которые затем закреп­ляют винтами или заклепками (рис. 5.34). После установки металлокерамических вставок их растачивают по внут­реннему диаметру.

Эффективным средством для умень­шения перетекания газа через радиаль­ный зазор является бандажирование рабочих лопаток полками и применение на них лабиринтных уплотнений. Однако это возможно при умеренных окружных скоростях и обычно лишь на первых ступенях турбины.

В литературе и упоминается о применении сотовых ла­биринтных колец (рис. 5.35) для уменьшения радиального зазора А между торцами лопаток и корпусом турбины и радиального зазора Б между сопловыми лопатками и ротором. Благодаря тому, что лабиринт­ные кольца имеют тонкие стенки сот, поверхность контакта между ними уменьшается примерно в 10 раз по сравнению с обычным лабиринтным уплотнением. Это позволяет допускать беззазорную сборку узла уплот­нения и после приработки величина зазора составляет ~0,2 мм. На рисунке показано изменение расхода газа через сотовое уплотнение по сравнению с обычным уплотнением.

Осевые зазоры в турбине различают двух видов: 1) между ободами дисков и бандажными кольцами сопловых лопаток и 2) между выход­ными кромками сопловых и входными кромками рабочих лопаток.

Первый вид осевых зазоров выбирают так, чтобы ни при каких ус­ловиях эксплуатации двигателя не было соприкосновения между ука­занными деталями. Осевые зазоры меняются в зависимости от режима работы двигателя. Так, при запуске двигателя статор нагревается бы­стрее, чем ротор. При выключении двигателя в полете, когда через про­точную часть проходят большие массы холодного воздуха, статор ох­лаждается быстрее, чем ротор. Как известно, ротор зафиксирован отно­сительно статора с помощью упорного шарикового подшипника. Зная место расположения упорного подшипника, расстояния по длине от ме­ста расположения подшипника до ободов дисков и бандажных колец, а также температуры нагрева статора и ротора и коэффициенты линей­ного расширения их материалов, можно подсчитать величины осевых за­зоров для самых неблагоприятных условий эксплуатации.

Второй вид осевых зазоров между сопловыми и рабочими лопатка­ми выбирается в пределах 0,1—0,4 от величины хорды рабочих лопаток, взятой на среднем радиусе ступени. С уменьшением этого зазора умень­шаются потери энергии струи перед рабочими лопатками, связанные с выравниванием поля скоростей за сопловыми лопатками и трением потока газов о корпус, ограничивающий проточную часть. Однако при малом зазоре усиливаются вибрации рабочих лопаток.