Сопловой аппарат II ступени
Сопловой аппарат II ступени представляет собой сварную конструкцию и состоит из наружного кольца 7, лопаток 6 и внутреннего корпуса, состоящего из кольца 5, уплотнительного кольца 4, диафрагмы 3 и уплотнительного кольца 2 с металлокерамическими вставками 1.
Наружное кольцо имеет передний и задний фланцы с отверстиями под болты и выборками между отверстиями для уменьшения перепада температур между наружной и внутренней поверхностями фланцев. В кольце выполнены профильные прорези, в которые вставлены и приварены по торцу лопатки, и кольцевой паз, в который набраны уплотнительные вставки 5 аналогично сопловому аппарату I ступени. В профилированные просечки внутреннего кольца свободно входят хвостовики лопаток. Между торцами лопаток и внутренним кольцом имеются гарантированные зазоры. Такая конструкция обеспечивает взаимное перемещение лопаток и кольца при нагреве.
Внутреннее кольцо имеет восемь компенсационных прорезей, идущих от входной кромки прорези под лопатку и насквозь прорезающих фланец. Столько, же сквозных прорезей выполнено по наружному диаметру диафрагмы. При этом пазы на диафрагме располагаются между прорезями на внутреннем кольце. Уплотнительное кольцо 4 с одной стороны приварено точечной сваркой к диафрагме, а с другой -- дуговой сваркой к заднему фланцу внутреннего кольца и препятствует перетеканию газа через зазоры между лопатками и просечками во внутреннем кольце в зону более низкого давления за сопловым аппаратом. Уплотнительное кольцо 2 со вставками приварено к диафрагме точечной сваркой и вместе с гребешками на ступице диска / ступени препятствует перетеканию газа мимо лопатки соплового аппарата.
Сопловой аппарат III ступени
Сопловой аппарат III ступени имеет конструкцию, аналогичную сопловому аппарату II ступени, отличаясь от последнего отсутствием компенсационных прорезей на внутреннем кольце и диафрагме, а также размерами деталей.
Кожух обдува турбины
Кожух обдува турбины состоит из двух половин, каждая из которых имеет внутреннюю, наружную и заднюю стенки. Внутренняя и наружная стенки образуют кольцевой ресивер. На наружной стенке выполнена горловина для подвода воздуха в ресивер, на внутренней стенке имеются два ряда отверстий для выхода воздуха из ресивера кожуха. На задней стенке имеется кольцевая впадина и двенадцать отверстий для прохода фланцев сдвоенных термопар замера температуры газа за турбиной.
Кожух опирается на передний фланец соплового аппарата I ступени и посредством зигзагообразной ленты -- на наружный кожух реактивного сопла. Половинки кожуха соединяются в передней части болтами и стягиваются лентой в средней части.
Система охлаждения турбины
Диски и замки лопаток рабочих колес I и II ступеней охлаждаются вторичным воздухом, поступающим через отверстия / в конусе внутреннего корпуса соплового аппарата I ступени и через отверстия 7 во фланце корпуса подшипника в полость А. Из полость А воздух поступает через отверстия 6 в диске I ступени на охлаждение деталей рабочего колеса I ступени. Через осевые отверстия 5 в ступицах дисков и отверстия 4 в диске II ступени воздух поступает на охлаждение деталей рабочего колеса II ступени. Вторичным воздухом, проходящим через кольцевые щели между наружным и внутренним кольцами соплового аппарата I ступени и соответствующими кожухами камеры сгорания, осуществляется пленочное охлаждение трактовой поверхности колец соплового аппарата I ступени. Сопловые лопатки I ступени охлаждаются вторичным воздухом, входящим с наружного торца лопатки внутрь дефлектора. Затем воздух выходит через щели в дефлекторе, охлаждая входную кромку лопатки.
Проходя в зазоре между дефлектором и внутренней полостью лопатки, воздух охлаждает стенки лопатки и выходит в щели в выходной кромке лопатки. Для уменьшения радиальных зазоров между рабочими лопатками и вставками сопловых аппаратов производится охлаждение наружных колец сопловых аппаратов. С этой целью в горловину кожуха обдува турбины вовремя полета самолета под действием скоростного напора подается атмосферный воздух. Из кольцевого ресивера воздух выходит через радиальные отверстия и омывает наружную поверхность статора турбины. Нагретый воздух выбрасывается в атмосферу.
1.2 Принцип работы ГТД
Газотурбинный двигатель - это разновидность теплового двигателя, который работает по не очень простому принципу. Газ в двигателе сжимается и нагревается, после чего, энергия этого газа преобразуется в механическую работу. Как Вы могли заметить, с первых слов описания данного двигателя, все процессы происходят в потоке движущегося газа, что кардинально отличается от принципа работы поршневого двигателя.
Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?
Подача и смесь. Атмосферный воздух в сжатом виде поступает из компрессора в камеру сгорания. Туда же поступает и топливо, в результате чего получается топливная смесь, которая в процессе сгорания выделяет очень много энергии.
Преобразование. После того, как топливная смесь в процессе сгорания преобразуется в энергию, необходимо преобразовать ее в механическую работу. Это происходит благодаря вращению специальных «лопаток» струей газа под большим давлением.
Разделение работы. Часть полученной механической работы от энергии топливной смеси, уходит на сжатия воздуха для следующей подачи, в компрессоре, а остальная энергия передается на приводимый агрегат.
Именно та работа, которая передается на приводимый агрегат и называется полезной! К слову, газотурбинный двигатель по праву считается двигателем, имеющим наибольшую удельную мощность, среди остальных двигателей внутреннего сгорания. Топливом к газотурбинному двигателю можно считать практически любое горючее: керосин, бензин, мазут, природный газ, дизельное топливо, судовое топливо, водяной газ, спирт, а также мелкий уголь!
Принцип работы газотурбинных двигателей.
Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление. Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху. Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания. Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.
Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.
Устройство газотурбинного двигателя.
Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить. Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором. К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла.
При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление. После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку. Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение. Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.
Основным недостатком газотурбинного двигателя является стоимость тепло прочных материалов, из которых должен быть построен двигатель. Помимо этого, сложность работ и высокая степень очистки воздуха, который попадает в двигатель, также хорошо бьют по карману, но не смотря ни на что, разработка и усовершенствование газотурбинного двигателя уже вовсю проходит как в нашей стране, так и за границей.
Типы газотурбинных двигателей.
Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение - немного различно. В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках .К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем .У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках, было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты.
1.3 Дефекты и неисправности газовых турбин при эксплуатации
Высокие температуры, в условиях которых работают детали турбины, воздействие центробежных, аэродинамических и вибрационных сил при работе двигателя делают турбину двигателя наиболее нагруженным его узлом.
В результате этого в эксплуатации появляются неисправности, обусловленные перечисленными факторами. Наиболее характерными из них являются:
трещины по первому пазу елочного замка не усиленного диска турбины;
трещины и разрушение рабочих лопаток турбины;
смещение лопаток турбины в сторону соплового аппарата;
уменьшение зазора между рабочими лопатками турбины и бандажом;
трещины или обгорание лопаток соплового аппарата;
трещины кожуха газо-сборника;
разрушение шпилек крепления бандажа;
трещины бандажа соплового аппарата турбины.
Трещины по первому пазу елочного замка диска турбины являются следствием высоких динамических нагрузок, возникающих при попадании лопаток турбины в резонансный режим, и недостаточной конструктивной прочности замковой части обода диска не усиленной конструкции. Несмотря на кратковременность работы двигателя на резонансном режиме, при относительно высокой частоте колебаний (более 2000 Гн) происходит накопление числа циклов нагружений, вызывающих появление микротрещин и их дальнейшее развитие. Развитие трещин в пазах диска происходит медленно (около 3--3,5 мм за 100 ч работы), поэтому случаев разрушения обода диска в процессе эксплуатации не было, а трещины обнаруживались при ремонте двигателей, отработавших ресурс.
В целях исключения случаев разрушения дисков турбин в серийном производстве внедрена новая конструкция усиленного диска, а при ремонте двигателей не усиленные диски заменяются на усиленные. За все время эксплуатации усиленных дисков случаев их разрушения не было.
Разрушение рабочих лопаток турбины является одним из наиболее опасных отказов двигателя. Оборвавшаяся часть лопатки может пробить корпус турбины и обшивку самолета, а также разрушить тяги управления самолетом. Кроме того, при разрушении лопатки вследствие дисбаланса возникает сильная тряска двигателя, которая может вызвать разрушение топливных, масляных трубопроводов и пожар двигателя.
Основными причинами разрушения рабочих лопаток турбины двигателей М70ІС-500 является возникновение и развитие усталостных трещин под действием динамических напряжений, обусловленных неравномерностью поля давлений газов вследствие различия проходных сечений газо-воздушного тракта и производительности рабочих форсунок.
Одним из основных источников возбуждения вибраций лопаток являются импульсы сил при прохождении их через аэродинамический след сопловых аппаратов и стыков патрубков газо-сборника. Динамические нагрузки на установившемся режиме повторяются с каждым оборотом ротора двигателя. Максимальные вибрационные напряжения возникают на резонансном режиме при кратности частоты собственных колебаний лопаток частоте вращения ротора двигателя.