Тема: турбины ГТД 1. Требования, предъявляемые к турбинам 2. Конструктивные схемы турбин 3. Роторы турбин Конструктивные схемы роторов Соединение элементов Диски газовых турбин Рабочие лопатки 4. Корпусы турбин Конструктивные схемы корпусов Сопловые аппараты 5. Тепловое состояние и охлаждение элементов турбин Тепловое состояние основных элементов турбин Схемы охлаждения Охлаждение рабочих и сопловых лопаток 5. Охлаждение дисков в Радиальные зазоры осевых компрессорах и турбинах 7. Материалы элементов турбин 8. Особенности турбин наземных ГТД
Требования, предъявляемые к турбинам • Обеспечение заданной мощности • Максимальный КПД, (0, 9. . . 0, 92 ), его стабильное значение в эксплуатации • Минимальная масса (уд. масса Мт/Nт =0, 01 -0, 03 кг/к. Вт), до 40% массы двигателя. • Надежность • Обеспечение заданного ресурса • Обеспечение запаса по температуре • Контролепригодность • Технологичность производства • Эксплуатационная технологичность, ремонтопригодность • Минимальная себестоимость производства Тенденции развития осевых газовых турбин • Увеличение аэродинамической нагрузки на ступень • Увеличение температуры газа на входе в турбину • Сокращение количества ступеней • Уменьшение габаритов и массы
Конструктивные схемы турби Классификация газовых турбин ГТД По направлению движения газа: - радиальные (центростремительные) - осевые По числу ступеней: - одноступенчатые - многоступенчатые По числу (каскадов) роторов : - однокаскадные - двухкаскадные - трехкаскадные По расположению ротора относительно опор: - с консольным расположением ротора - с межопорным расположением ротора
Конструктивные схемы турби Турбина ГТД с радиальным течением газа (центростремительная) сопловой аппарат рабочее колесо - высокая степень расширения в одной ступени (до 6) - малые размеры - простота - ограниченное число ступеней (1) - сложности с организацией охлаждения - низкие температуры газа Используются в малоразмерных высокооборотных
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины Одноступенчатые осевые газовые турбины Одновальные ТРД и ТРДФ ТВД двухвальных ТРД и ТРДФ ТВД многовальных ТРДД и ТРДДФ Многоступенчатые осевые газовые турбины Одновальные ТРД и ТРДФ ТНД двухвальных ТРД и ТРДФ ТНД многовальных ТРДД и ТРДДФ Турбины одновальных ТВД и ТВа. Д СТ многовальных ТВД и ТВа. Д
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины Сложность организации силового пояса в проточной части с высокой температурой газа Недостаток пространства для постановки опоры между роторами ТВД и ТНД в двухвальных ГТД Малое количество ступеней (1 -2) осевые газовые турбины с консольным расположением ротора Малые осевые размеры ротора Высокая жесткость ротора Большое количество ступеней (3 и более) Большие осевые размеры ротора осевые газовые турбины с межопорным расположением ротора Низкая жесткость ротора Высокая масса ротора Невысокая температура газов нм выходе из турбины (проще организация силового пояса)
осевые газовые турбины ТРД с консольным расположением ротора Конструктивные схемы турби Отсутствие силовых элементов в проточной части турбины Опора турбины расположена в зоне интенсивного нагрева Малое расстояние между опорами. Высокие нагрузки на опору турбины при появлении гироскопического момента Опора турбины расположена в относительно холодной зоне Большое расстояние между опорами. Меньшие нагрузки на опору турбины при появлении гироскопического момента Наличие силовых элементов в проточной части турбины осевые газовые турбины ТРД с межопорным расположением ротора
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины двухвальных ТРД, ТРДД и ТВД (ТРДФ и ТРДДФ) - Ротор ТВД – консольный - Ротор ТНД опирается на ротор ТВД через межвальный подшипник - Малые осевые размеры турбины - Отсутствие силовых поясов в проточной части турбины - Высокая нагрузка на опору ТВД - Опора ТВД находится в зоне интенсивного нагрева - Сложности с обеспечением смазки и охлаждения опоры ТНД (межвального подшипника)
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины двухвальных ТРД, ТРДД и ТВД (ТРДФ и ТРДДФ) - Ротор ТВД – консольный - Ротор ТНД – межопорный - Передача радиальных усилий с роторов - независимая - Минимальные радиальные нагрузки на подшипники - Простота организации смазки подшипников - Наличие силового пояса в проточной части турбины - Увеличенные осевые размеры турбины - Опора ТВД находится в зоне интенсивного нагрева
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины двухвальных ТРД, ТРДД и ТВД (ТРДФ и ТРДДФ) - Ротор ТВД – межопорный - Ротор ТНД – межопорный - Ротор ТВД опирается на ротор ТНД через межвальный подшипник - Применяется силовая схема корпуса только с одинарной внешней силовой связью (внутренний кожух КС не включен в силовую схему) - Опора ТВД вынесена из зоны интенсивного - нагрева силового пояса в проточной части Наличие турбины - Высокие нагрузки на подшипник ТНД - Сложности с обеспечением смазки и охлаждения опоры ТВД (межвального подшипника) - Увеличенные осевые размеры турбины
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины двухвальных ТРД, ТРДД и ТВД (ТРДФ и ТРДДФ) - Ротор ТВД – межопорный - Ротор ТНД – консольный - Передача радиальных усилий с роторов - независимая - Применяется силовая схема корпуса только с одинарной внешней силовой связью (внутренний кожух КС не включен в силовую схему) - Опора ТВД вынесена из зоны интенсивного нагрева - Минимальные радиальные нагрузки на подшипники - Возможна организация единой масляной полости опор турбин - Наличие высоконагруженного силового пояса в проточной части турбины в области высоких температур газа - Увеличенные осевые размеры турбины - Сложности компоновки и уплотнения подшипников
Конструктивные схемы турби Осевые газовые турбины двухвальных ТРД, ТРДД и ТВД (ТРДФ и ТРДДФ) - Ротор ТВД – межопорный - Ротор ТНД – межопорный - Передача радиальных усилий с роторов - независимая - Применяется силовая схема корпуса только с одинарной внешней силовой связью (внутренний кожух КС не включен в силовую схему) - Опора ТВД вынесена из зоны интенсивного нагрева - Наличие двух силовых поясов в проточной части - Минимальные радиальные нагрузки на подшипникиодин из которых расположен в турбины, области высоких температур газа - Увеличенные осевые размеры турбины
Конструктивные схемы турби Пример осевой газовой турбины трехвального ТРДД ТВД ТСД - Ротор ТВД – межопорный - Ротор ТСД – консольный - Ротор ТНД - межопорный - Передача радиальных усилий с роторов - независимая
Конструктивные схемы турби Осевые газовые свободные турбины ТВа. Д - - Расположение межопорное Минимальные радиальные нагрузки на подшипники - Схема применима для турбин с большим числом ступеней - Наличие двух силовых поясов в проточной части турбины, один из которых расположен в области высоких температур газа - Увеличенные осевые размеры турбины ротора СТ -
Конструктивные схемы турби Осевые газовые свободные турбины ТВа. Д - Расположение консольное - Один силовой пояс в проточной части турбины в зоне относительно низких температур - Высокие нагрузки на переднюю опору - Схема применима для турбин с малым числом ступеней (как правило не более 3) ротора СТ -
Роторы газовых турбин Требования к роторам газовых турбин • Обеспечение передачи требуемого крутящего момента • Обеспечение прочности элементов ротора и соединений • Нормальное функционирование при высоких температурах • Сохранение соосности элементов ротора во всем диапазоне рабочих температур и нагрузок • Минимальная масса. Основные типы роторов многоступенчатых газовых турбин Дисковый – соединение всех дисков осуществляется непосредственно к валу. - Простота конструкции и сборки - Низкая изгибная и крутильная жесткость Смешанный – к валу крепится один диск, все остальные крепятся последовательно друг к другу. - Высокая изгибная и крутильная жесткость - Сложность обеспечения соосности
Основные элементы ротора турбины • Вал • Диски • Рабочие лопатки • Детали уплотнений • Детали крепления Роторы газовых турбин Соединения дисков с валом в роторах газовых турбин Фланцевое Шлицевое Посадка диска на вал с натягом соединение - Простота конструкции - Отсутствие выносных элементов на диске - Простота конструкции и сборки - Простота сборки, мин. число деталей - - Выносной фланец для исключения отверстий в ступице диска - Выносной шлицевой венец - Сложность обеспечения соосности на всех режимах Соединение неразборное - Сложность сборки Дополнительные нагрузки на диск - Изменение натяга при тепловых и силовых деформациях
Соединения дисков с дисками в роторах газовых турбин Фланцевое Роторы газовых турбин соединени е центральн ым стяжным болтом Соединение через междискову ю проставку с натягом Фланцевое соединение периферийн ыми болтами Соединение торцевыми шлицами и периферийным и стяжными болтами Соединение торцевыми шлицами и центральным стяжным болтом
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Посадка элементов роторов с натягом Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Посадка элементов роторов с натягом Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Фланцевые соединения элементов роторов Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Фланцевые соединения элементов роторов Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Фланцевые соединения элементов роторов Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Фланцевые соединения элементов роторов Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Фланцевые соединения элементов роторов Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Соединение торцевыми шлицами с периферийными стяжными болтами Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Шлицевое соединение дисков с валом Роторы газовых турбин
Соединения элементов роторов в газовых турбинах Соединение элементов замком «пушечного» типа 1 - выступы фланца диска 2 - пазы фланца диска 3 - выступы фланца дефлектора или промежуточного диска Роторы газовых турбин
Роторы газовых турбин Диски газовых турбин Основные элементы дисков обод диска полотно диска ступица диска Дополнительные элементы дисков Фланцы, буртики, шлицевые венцы, проточки и т. д.
Диски газовых турбин Варианты профилей дисков газовых турбин Роторы газовых турбин
Рабочие лопатки газовых турбин работы Условия лопаток - высокая температура газа (до 1600 – 1800 К) - высокие статические напряжения - вибрация - коррозия - эрозия Требования к лопаткам - высокая газодинамическая эффективность, - высокая точность обеспечения размеров - высокая эффективность охлаждения - прочность - надежность - технологичность - низкая масса Роторы газовых турбин
Рабочие лопатки газовых турбин Основные элементы лопаток 1 - Профильная часть (перо) преобразование энергии газового потока в крутящий 2 – Полка момент – снижение амплитуды вибронапряжений, предотвращение раскрутки лопатки под действием центробежных и газодинамических сил, предотвращение перетекания газа через(сопряжение зазор 3 – Ножка радиальный профильной части с замком) – управление тепловыми потоками и собственными частотами 4 - Замок крепление лопатки в диске (требуется высокая точность изготовления) Роторы газовых турбин
Роторы газовых турбин Рабочие лопатки газовых турбин Неохлаждаемая рабочая лопатка турбины бандажные полки натяг крепление лопатки к диску
Рабочие лопатки газовых турбин Крепление рабочих лопаток Роторы газовых турбин Допуск на шаг зубьев 0, 008… 0, 016
Рабочие лопатки газовых турбин фиксация рабочих Осевая Роторы газовых турбин лопаток Сопрягаемыми деталями Просто та Пластинчатыми замками Сложность Трудоемкость сборки
Корпуса газовых турбин Требования, предъявляемые к корпусам газовых турбин - Прочность и жесткость - Центрирование деталей - Минимальные радиальные зазоры между деталями ротора и статора; - Передача крутящих моментов и осевых сил - Возможность регулировки положения опор ротора - Свобода радиальных и осевых тепловых расширений - Простой подвод воздуха к охлаждаемым сопловым лопаткам - Минимальный вес - Технологичность изготовления и сборки; - Контролепригодность и ремонтопригодность - Герметичность - Непробиваемость в случае разрушения элементов ротора
Варианты конструкции корпуса и сопловых аппаратов Корпуса газовых турбин ПС-90 А (корпус ТВД)
Варианты конструкции корпуса и сопловых аппаратов Корпуса газовых турбин АИ-25 1 СА Р 11 -Ф 300
Сопловые лопатки газовых турбин Корпуса газовых турбин
Газовые турбины Примеры конструкции АМ-5
Примеры конструкции Газовые турбины ПС-90 А
Газовые турбины Примеры конструкции ТВ 2 -117
Газовые турбины Примеры конструкции ПС 90 -ГП 2
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Тепловое состояние основных элементов газовых турбин Тепловое состояние элементов турбины определяется: - теплообменом с газовым потоком - теплообменом с сопрягаемыми элементами - теплообменом с охлаждающим воздухом
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Тепловое состояние основных элементов газовых турбин
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Тепловое состояние основных элементов газовых турбин Охлаждение обеспечивает • Повышение х-к материала • Сниженение темп. напряжений • Снижение коррозии и эрозии • Повышение ресурса Охлаждают: • Сопловые лопатки • Рабочие лопатки • Диски • Детали корпуса • Детали опор ротора • Валы
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Тепловое состояние основных элементов газовых турбин Поля температур в роторе турбины высокого давления на различных режимах «взлет» «крейсерский» «останов»
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Тепловое состояние основных элементов газовых турбин Пример полей температур в рабочей лопатке 1 -й ступени на нестационарных режимах Пример поля температур в промежуточном диске на крейсерском режиме
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Мероприятия по обеспечению работоспособности элементов газовых турбин при высоких температурах газа - формирование оптимального поля температур газа на выходе из камеры сгорания - применение жаропрочных сплавов на никелевой основе - покрытия для повышения жаростойкости материала (на основе окиси алюминия) - теплозащитные покрытия из керамических материалов с низкой теплопроводностью Требования квоздушного охлаждения - организация системам охлаждения (различают замкнутую и открытую схему охлаждения) - организация теплоотвода в сопрягаемые детали - максимальная эффективность охлаждения - минимальный расход охлаждающего воздуха Требования к охлаждающему воздуху - достаточное избыточное давление для обеспечения выхода в проточную часть двигателя с требуемым расходом (с учетом всех сопротивлений) - минимальная температура
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Принципиальная схема организации охлаждения элементов турбины ГТД Потери давления Воздуховоздушный теплообменник
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Пример системы охлаждения турбины высокого давления
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Подвод охлаждающего воздуха к ротору
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Способы охлаждения лопаток ГТД Теплоотвод в соседние детали Конвективное Пленочно-заградительное Пористое Сравнение эффективности охлаждения
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Различные варианты конструкции лопаток с конвективным охлаждением
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Способы интенсификации конвективного теплообмена - уменьшение температуры охладителя - увеличение расхода охладителя через охлаждаемую деталь - увеличение поверхности соприкосновения охладителя и охлаждаемой детали - турбулизация потока охладителя - дозированная последовательная подача охладителя первоначально к наиболее нагретым зонам (применение дефлекторов)
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Пленочно-заградительное охлаждение лопаток Заградительная пленка препятствует прямому контакту поверхности лопатки с горячими газами в проточной части, при это снижается интенсивность нагрева лопатки Во внутренней полости лопатки организован конвективный теплообмен Сложность организации равномерной защитной пленки по поверхности лопатки на всех режимах работы двигателя
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Пленочно-заградительное охлаждение лопаток Пример лопаток ГТД с пленочно-заградительной системой охлаждения Сопловая лопатка 1 ступени рабочая лопатка 1 ступени двигателя Pratt & Whitney PW 2000. двигателя Pratt & Whitney PW 200
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Пленочно-заградительное охлаждение лопаток Схема охлаждения рабочей лопатки ТВД двигателя Trent 800 компании Rolls-Royce
Тепловое состояние и охлаждение элементов газовы Пленочно-заградительное охлаждение лопаток Лопатка с охлаждаемыми стенками фирмы Rolls-Royce
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и турбинах Осевой компрессор осевая Характер течения в радиаьном зазоре рабочего колеса компрессора.
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя после приработки
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя с подогревом статора при останове
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя с охлаждением статора на рабочих режимах
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя с подогревом ротора на рабочих режимах
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в цикле работы двигателя с охлаждением статора на рабочих режимах
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение радиального зазора в компрессоре и турбине при относительном осевом смещении ротора и статора Компрессо р Турбин а
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Изменение во времени радиального зазора в реальном компрессоре
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Обдув корпусов компрессора и турбины
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Система активного регулирования радиальных зазоров
Радиальные зазоры в осевых компрессорах и ту Увеличения тепловой инерционности корпуса Корпус PW 6000 ТВД двигателя применение двухслойного корпуса • введение охлаждаемых фланцев на наружном корпусе • струйное охлаждение вставок • термобарьерное покрытие вставок
Материалы деталей турбин требования: Высокая жаропрочность, длительная прочность Высокие х-ки сопротивления Диски малоцикловой Сплавы на основе никеля устало (80%) сти ЭИ 437 БУ-ВД (6500 С) Трещиностойкость ЭП 741 НП Достаточный объем данных по х-кам (гранулируемый) прочности; R 88 DT (на JE 90) Отсутствие дефектов в заготовках; Умеренная стоимость. Валы Лопатки (рабочие и сопловые) легированная сталь Сплавы на основе никеля (80%) 40 ХНМА ЖС-6 К (до 8000 С) ЭП 517 ЖС 26 -ВНК - напр. крискаллизация ЖС 36 - монокрист. ЧС 20 Корпуса ЭИ 437 Алитирование Многослойное термобарьерное покрытие
Структура материала лопаток турбины Лопатки с равноосной структурой Лопатки с направленной кристаллизаци Монокристаллические лопатки Кривые ползучести
Керамические рабочие лопатки турбин Жаропрочность Жаростойкость Низкий уд. вес Технология ?
Скачать презентацию Тема турбины ГТД 1 Требования предъявляемые к турбинам
турбины.ppt