Камеры сгорания газотурбинных двигателей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение конструкции и принципа действия камеры сгорания ГТД .

Камеры сгорания ГТД предназначена для преобразования химической энергии топлива в тепловую.

Рабочий процесс в камере сгорания включает смесеобразование, воспламенение и горение топливовоздушной смеси, смешение продуктов сгорания со вторичным воздухом.

По направлению движения газового потока различают камеры сгорания прямой и противоточной схем.

При многообразии конструктивных схем все камеры сгорания имеют внутренний и наружный корпуса, диффузор, жаровую трубу, стабилизаторы, коллектор форсунок, а также устройства, обеспечивающие воспламенение топливовоздушной смеси.

Наибольшее распространение в ГТД получили камеры сгорания трех основных типов: трубчатая, кольцевая и трубчато-кольцевая.

В трубчатой камере сгорания цилиндрическая жаровая труба расположена внутри цилиндрического корпуса.

В кольцевой (тороидальной) камере сгорания жаровая труба расположена концентрично в кольцевом пространстве, образованном наружным и внутренним корпусами.

В трубчато-кольцевой камере сгорания несколько цилиндрических жаровых труб устанавливаются внутри кольцевого корпуса. Жаровые трубы соединены между собой патрубками для выравнивания давления воздуха и газов и переброса пламени.

Жаровые трубы обычно состоят из нескольких секций соединенных сваркой. В целях предотвращения образования трещин от термических напряжений в местах стыков отдельных, различно нагретых, секций делают компенсирующие прорези.

Диффузорные участки, расположенные во входной части камер сгорания, предназначены для снижения скорости потока воздуха на входе в жаровую трубу и преобразования части кинетической энергии во внутреннюю энергию потока.

Для распыливания топлива в камерах ГТД используются, как правило, двухканальные центробежные форсунки, состоящие из корпуса со штуцерами и трубопроводами основного и дополнительного контуров.

Фронтовая часть жаровой трубы и завихрители (стабилизаторы горения) формирует структуру воздушного потока и определяет процессы смесеобразования, стабилизации пламени и выгорания топлива. В ней также расположены один или два ряда отверстий для подвода первичного воздуха.

Завихрители могут быть лопаточного, конусного или струйного типа. Они обеспечивают созданием в головной части жаровой трубы пониженного давления, вследствие чего образуется зона обратных токов, в которой часть горячих газов движется навстречу основному потоку воздуха и распыленного топлива. В результате происходит образование топливовоздушной смеси, ее воспламенение и устойчивое горение.

Масса воздуха, подведенного в эту зону с учетом расхода через фронтовое устройство и пояса охлаждения, составляет 50-60 % от общего расхода через камеру сгорания.

Через отверстия в основной части жаровой трубы через ряды круглых или овальных отверстий подводится воздух, необходимый для завершения процесса сгорания топлива.

Между последним рядом отверстий для подвода воздуха в зону горения и первым рядом отверстий зоны смешения стенка жаровой трубы выполняется сплошной (без отверстий), что необходимо для поддержания высокой температуры процесса без замораживания его струями холодного смесительного воздуха.

В смесительную часть жаровой трубы воздух подводится через отверстия с отбортовками, которые увеличивают глубину проникновения струй вторичного воздуха в газовый поток, что улучшает смешение воздуха с продуктами сгорания и повышает равномерность температурного поля на входе в турбину.

Ресурс и надежность жаровых труб определяются уровнем и равномерностью нагрева их стенок.

Наиболее нагретым (до 1000 - 1300К) местом жаровой трубы является ее середина, где выделение тепла уже заканчивается, а вторичный воздух еще только начинает подмешиваться к продуктам сгорания.

Для поддержания приемлемой температуры стенок жаровых труб применяется комбинированное конвективно-пленочное охлаждение: охлаждение перфорированных стенок, когда охладитель подается перпендикулярно скорости горячего потока газов через большое число отверстий небольшого диаметра, и струйное комбинированное охлаждение, при котором охладитель подается параллельно скорости горячего потока через специальные щели.

Жаровые трубы изготавливаются штамповкой из жаропрочных сплавов на никелевой основе типа Х20Н80Т, ЭИ602, ЭИ868 и др. Для изготовления других узлов камеры сгорания (диффузора, корпусов и др.) используются стали типа Х17Н2, 1Х18Н9Т.

Порядок выполнения работы

1. Дать характеристику камеры сгорания, определить тип завихрителей, количество и расположение форсунок, способ охлаждения жаровой трубы.

2. Выполнить эскизы основных элементов камеры сгорания (жаровой трубы, коллектора форсунок, корпусов) и определить их геометрические характеристики.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят в камере сгорания ГТД?

2. Назовите основные элементы камеры сгорания и укажите их назначение.

3. Назовите методы охлаждения жаровых труб.

4. Из каких материалов изготавливаются основные узлы камер сгорания?

Лабораторная работа №7

СТАТОР ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение конструкции, назначения и основных геометрических характеристик статора осевой турбины ГТД..

Статор осевой турбины, предназначенный для установки сопловых аппаратов и подшипников, обычно состоит из нескольких наружных и внутренних корпусов.

Основное отличие статоров турбины от аналогичных узлов компрессора заключается в том, что сопловые лопатки, входящие в сопловые аппараты, не могут быть звеном, несущим нагрузки. Это объясняется высокими перепадами температур между сопловыми лопатками и корпусами.

Сопловые лопатки, собранные в решетку, образуют сопловой аппарат (СА). Основное назначение сопловых аппаратов - преобразование потенциальной энергии газов в кинетическую и закрутка потока.

Газовый поток, проходя через сопловой аппарат, нагружает его лопатки, которые передают кольцам значительные осевые и окружные силы.

Сопловые лопатки при температуру менее 1000 К выполняют неохлаждаемыми. При более высоких температурах должно применяться воздушное охлаждение.

При этом учитывается, что у сопловых лопаток допустима более высокая температура нагрева, чем у рабочих, поскольку они не нагружены центробежными силами.

Сопловые аппараты, расположенные сразу же после камеры сгорания и подверженные действию высоких температур, для обеспечения свободного теплового расширения чаще всего выполняются составными (состоящими из отдельных лопаток), а сопловые аппараты последующих ступеней многоступенчатых турбин могут выполняться литыми (неразборными).

Сопловые лопатки первой ступени турбины обычно изготавливаются прецизионным (точным) литьем из наиболее жаропрочных сплавов на никелевой (ЖС3, ЖС6-К) или на кобальтовой основе (ЛК4).

Сопловые лопатки последующих ступеней в зависимости от температуры лопаток изготавливаются или из литейных жаропрочных сплавов типа ВЛ7-45У методом прецизионного литья, или горячей штамповкой из деформируемых сплавов типа Х20Н80Т, ХН77ТЮ с последующей механической обработкой.

Поверхность стальных лопаток иногда алитируется (насыщается алюминием) для повышения жаростойкости.

Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкции сопловых аппаратов ГТД.

2. Выполнить эскиз СА с указанием основных элементов и геометрических размеров.

3. Заполнить таблицу 5 и выполнить анализ полученных данных.

Таблица 5

Параметры соплового аппарата	Ступень №	Ступень №
Диаметры сопловой решетки, мм: наружный D внутренний d
Число лопаток СА, z
Высота лопатки СА l=(D - d )/2, мм
Хорда лопатки СА b, мм
Шаг решетки СА, мм: на наружном диаметре t_н = p D /z на внутреннем диаметр t_вн = p d /z на среднем диаметре t_ср =(t_н + t_вн )/2
Относительное удлинение лопатки l/b
Густота решетки на среднем радиусе b/t

Контрольные вопросы

1. Из каких основных элементов состоит статор осевой турбины ГТД?

2. Для чего предназначен сопловой аппарат?

3. В чем отличие соплового аппарата турбины от направляющего аппарата осевого компрессора?

4. Из каких материалов и каким образом изготавливают лопатки соплового аппарата?

Лабораторная работа №8

РОТОР ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение конструкции, принципа действия и основных геометрических характеристик ротора осевой турбины ГТД.

К числу основных параметров ротора турбины ГТД относятся:

· число рабочих колес (ступеней);

· число лопаток в каждом рабочем колесе;

· способ крепления лопаток к диску;

· способ соединения дисков между собой и валом;

· геометрические характеристики рабочих колес.

В газотурбинных двигателях преимущественное применение получили роторы дискового типа, обеспечивающие хорошую работоспособность при больших окружных скоростях и высокой температуре газа.

К числу основных составных частей ротора относятся диски с лопатками (рабочие колеса), валы, цапфы, промежуточные кольцевые проставки и ряд других деталей.

В общем случае диск турбины состоит из обода, полотна, кольцевых и других выступов, фланцев и ступицы.

Обод представляет собой уширенную постоянной или переменной ширины периферийную часть диска, служащую для крепления рабочих лопаток.

На ободе выполняются буртики лабиринтных уплотнений либо выступы для крепления других деталей ротора.

Полотна дисков выполняются переменной толщины, максимальное значение которой достигается в близи оси вращения. На полотне предусматривается выполнение фланцев для крепления дисков между собой и с валами и цапфами, буртов крепления колец лабиринтных уплотнений и балансировочных грузиков.

Соединения дисков и валов должны обеспечивать надежную передачу в стыках всех действующих нагрузок, достаточную жесткость соединений и их соосность.

Крепление рабочих лопаток к диску должно обеспечивать точную установку заданного числа лопаток на диске при достаточной прочности крепления, легкость их монтажа и демонтажа. Чаще всего в современных ГТД применяется крепление рабочих лопаток с помощью хвостовика типа "ёлочка".

Валы роторов турбины всегда делаются полыми. Отверстия внутри валов служат для подвода охлаждающего воздуха от компрессора к дискам турбины.

Для охлаждения дисков используют различные конструктивные приемы, позволяющие снизить разность температур вдоль радиуса, уровень температурных напряжений. Например, организуют подвод воздуха вдоль полотна для охлаждения как самого диска, так и рабочих лопаток, использует обдув обода диска, продувку воздуха через монтажные зазоры елочных замков.

На одном из концов вала выполнены шлицы для соединения с ротором компрессора или редуктором, а на другом - фланец или другое устройство для соединения с диском турбины.

Для изготовления дисков роторов применяют жаропрочные стали типа 4Х12Н8Г8МФБ, ЭИ 424, если температура обода не превышает 875- 925 К. При температурах выше 1000 К используют хромоникелевые сплавы.

Валы турбин изготовляются из стали типа 18ХНВА или 40ХМЮА.

В ГТД, кроме турбины привода компрессора, имеется свободная (силовая) турбина. Она служит для создания крутящего момента, передаваемого через редуктор потребителю.

Конструкция силовой турбины подобна конструкции турбины привода компрессора.

Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкцию роторов турбин ГТД.

2. Выполнить эскизы роторов с указанием их основных элементов.

3. Определить геометрические характеристики турбин и заполнить таблицу 6. Выполнить анализ полученных результатов.

Таблица 6

Характеристика ступени	Ступень	Ступень
Количество лопаток
Диаметр наружный D, мм внутренний d, мм
Высота лопатки l=(D - d)/2, мм
Хорда лопатки b, мм
Шаг лопатки на внутреннем диаметре t = p d /z, мм на наружном диаметре t = p D /z, мм на среднем диаметре t = p (D +d )/2z, мм
Относительная длина лопатки l/D
Относительное удлинение l/b
Густота решетки b/t