Файл: Методические указания составлены М. М. Зальцманом и отредактированы проф. Ронзиным В. Д.doc

2.3. Двухвальные турбины

В современных авиационных двигателях часто возникает необходимость группировать ступени турбины так, чтобы роторы этих групп могли вращаться независимо друг от друга, с различной частотой вращения.
- 33 -
Чаще всего применяются 2‑вальные турбины, реже встречается на современных двигателях 3‑вальные турбины.

Группу первых ступеней, РК которых связаны между собой и передают крутящий момент на общий вал, называют турбиной высокого давления (ТВД). Группу последующих ступеней, РК которых передают крутящий момент на второй вал, называют турбиной низкого давления (ТНД). (В 3‑вальных турбинах есть ещё турбина среднего давления – ТСД.)

Ознакомимся с 2-вальныки турбинами на примерах двигателей, представленных в лаборатории.
2-вальная турбина ТРДД Д‑20П (рис.2.2, 3)

Вы помните, что компрессор этого двигателя 2‑каскадный: и включает компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД). Секундный расход воздуха через КНД примерно вдвое больше, чем через КВД. Поэтому значительно больше высота лопаток и диаметр КНД. Так как окружная скорость лопаток РК ограничена, то при большем диаметре необходимо уменьшить частоту вращения ротора. Отсюда и вытекает наиболее простое решение – приводить во вращение ротор КВД от ТВД, а ротор КНД от ТНД, как это и сделано в большинстве двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД).

ТВД ТРДД Д‑20П – одноступенчатая, имеет частоту вращения n_max = 11700 об/мин. ТНД этого двигателя двухступенчатая с частотой вращения n_max = 8850 об/мин.

Проточная часть обеих турбин выполнена с примерно постоянным средник диаметром (D_ср  const). При выборе формы проточной части 2‑вальной турбины приходятся учитывать, кроме наложенных выше соображений, ещё и значение отношения U/C₁ в одной ступени, или аналогичный ему параметр y – для нескольких ступеней, т.к. эти величины существенно влияют на к.п.д. турбины.

Примечание. Напомним, что , где C_из – изоэнтропная (адиабатная) скорость истечении газа из СА; U_ср – средняя окружная скорость ступени.
- 34 -
В нашем примере выполнение турбины с постоянным диаметром втулки (

---

D_вт = const) привело бы к значительному увеличению диаметральных размеров корпуса и дисков ТНД, а следовательно, и массы турбины и двигателя в целом.

Если же выполнить проточную часть с постоянным наружным диаметром (D_т = const), то уменьшение D_ср и окружной скорости U_ср приведет к уменьшению параметра y ТНД и снижению ее к.п.д.

При ознакомлении с данной турбиной надо обратить внимание на лабиринтные уплотнения между РК 1‑й ступени и СА 2‑й ступени и между РК 2‑й ступени и СА 3-й ступени. Турбина ТРДД Д‑30 выполнена по аналогичной схеме, но ТВД – двухступенчатая, как и ТНД. Проточная часть ТВД имеет D_вт  const, а ТНД – D_ср  const из тех же соображений, что были изложены выше.
2-вальная турбина турбовального вертолётного двигателя ТВ2‑117А (рис. 2.2, 4)

У этого двигателя два потребителя мощности турбина. Первый из них – это 10‑ступенчатый компрессор двигателя, а второй – в основном несущий винт вертолёта (кроме того, хвостовой винт). В целях уменьшения габаритов и массы двигателя применена высокая частота вращении ротора турбокомпрессора n_max = 21200 об/мин). Несущий винт вертолёта имеет большой диаметр и его частота вращения обычно не превышает 600…700 об/мин. Вращение от вала турбины передается валу винта через редуктор. Чтобы редуктор был проще по конструкции, меньше по габаритам и по массе, надо, чтобы передаточное число редуктора ( ) было как можно меньшим, т.е. частота вращения вала двигателя (турбины) была как можно ниже. Но, как уже было сказано, для уменьшения габаритов и массы двигателя, числа ступеней турбины и повышения параметра нагруженности y (хороший к.п.д.), эта частота вращения должна быть как можно больше. Наиболее простое разрешение этого противоречия очевидно.

Турбине делится на две части. Турбина высокого давления (у этого двигателя она называется турбиной компрессора) двухступенчатая, приводит во вращение компрессор с указанной выше частотой вращения. Турбина низкого давления (в данном случае она называется свободной турбиной) также двухступенчатая, передаёт вращение через редуктор на воздушный винт вертолёта. Улучшение нагруженности ТНД (y) можно обеспечить небольшим увеличением её диаметров.

---

- 35 -
Частота её вращения почти вдвое меньше и составляет n_max = 12000 об/мин. Из соображений удобства компоновки валы обеих турбин направлены в противоположные стороны.

Проточная часть турбина выполнена с D_вт = const. Это выгодно с конструктивной и технологической точек зрения. Малые диаметральные размеры создают трудности в размещении опор и других элементов конструкции и уменьшение D_вт нежелательно. Постоянный диаметр втулки позволяет заполнить часть элементов конструкции ротора одинаковыми или частично одинаковыми, что очень выгодно с технологической точки зрения.

С точки зрения получения оптимального значения параметра y увеличение D_ср свободной турбины тоже выгодно.

При ознакомлении с данной турбиной следует обратить внимание на бандажирование лопаток РК всех ступеней и на лабиринтные уплотнения между ступенями.

Напомним, что эффективность преобразования энергии в турбовальных двигателях более полно учитывается мощностным к.п.д. , который учитывает также потери с выходной скоростью (кинетическая энергия потока за турбиной нигде в двигателе не используется).

Потребителем энергии свободной турбины в турбовальном двигателе может быть не только винт вертолета, но и любой, агрегат на земле или на борту самолета.

На рис. 2.2, 5 изображена схема проточной части двухвальной турбины ТРДД с D_вт = const. Такая схема применяется в ТРДД с больной степенью двухконтурности, т.е. таких, где расход воздуха черев КНД (или вентилятор) значительно превышает расход через КВД. При этом увеличивается разница в диаметральных размерах КНД и КВД. Это в свою очередь приводит к более значительной разнице в частотах вращения роторов низкого и высокого давления и на первый план выступает необходимость обеспечения оптимального параметра y. Кроме того, рассматриваемая схема имеет уже рассмотренные выше конструктивные и технологические преимущества.

На рис. 2.2, 6 изображена схема проточной части 3-вальной турбины ТРДД. В таких двигателях расход воздуха через наружный контур двигателя во много раз (5...8) больше, чем через внут-
- 36 -
ренний, а степень повышения давления в компрессоре достигает .

Приходится иметь вентилятор с большим диаметром лопастей и малой частотой вращения

---

, а дальнейшее повышение давления осуществлять в двухкаскадном компрессоре, состоящем из КСД и КВД. Соответственно, в турбине, изображенной на схеме, имеется одноступенчатая ТВД, одноступенчатая ТСД и трёхступенчатая ТНД. Роторы всех трёх турбин вращаются с разными частотами, существенно отличающимися по величине. Увеличение одновременно внутреннего и наружного диаметров необходимо для получения оптимального параметра y для всех трех турбин и высокого к.п.д. турбины в целом.

2.4. Мероприятия, повышающие к.п.д. турбины

В предыдущих подразделах были отмечены основные мероприятия по уменьшение потерь и повышению к.п.д. турбины.

Обобщим эти мероприятия в едином перечне. К ним относятся:

а) профилирование лопаток РК таким образом, чтобы их форма соответствовала форме треугольников скорости на входе и на выходе;

б) предотвращение отрыва пограничного слоя и вихреобразования на спинках лопаток РК за счет сохранения конфузорности межлопаточного канала на всем его протяжении;

в) выбор закона профилирования лопаток по высоте таким, при котором предотвращается радиальное перетекание газа;

г) уменьшение перетекания газа через радиальный зазор между лопатками РК и корпусом с помощью металлокерамических вставок в корпусе, позволяющих уменьшить зазор до минимума, а также бандажирования РК применением лопаток с полками и устройством лабиринтных уплотнений между бандажом и корпусом;

д) уменьшением утечек газа через осевой зазор между СА к РК устройством торцевых или радиальных лабиринтных уплотнений с минимальным зазором между гребешками и фланцами лабиринтов;

е) проектирование одноступенчатых турбин таким образом, чтобы отношение U/C₁ и степень реактивности были близкими к оптимальным с точки зрения наиболее высокого к.п.д.;
- 37 -
ж) профилирование меридионального сечения проточной части многоступенчатых (и особенно двухвальных) турбин таким образом, чтобы параметр y был близок к оптимальному;

з) проектирование турбин турбовальных двигателей таких образом, чтобы потери с выходкой скоростью были минимальными, а параметр y был оптимальным с точки зрения высокого мощностного к.п.д. – ;

и) уменьшение гидравлических потерь за турбиной, связанных с раскруткой потока до осевого направления, за счет проектирования турбины таким образом, чтобы направление выходной

---

скорости потока было как можно ближе к осевому;

к) обеспечение оптимальной густоты решётки профилей на среднем диаметре РК за счёт размещения как можно большего числа лопарок на ободе диска, что достигается расположением пазов для их крепления под углом к оси ротора;

л) уменьшение потерь на трение за счёт тщательной обработки поверхностей лопаток полированием.

Для сравнения эффективности мероприятия по повышение к.п.д. турбин приведем некоторые сравнительные данные для рассмотренных двигателей.

Наименование двигателя
ВК-1	0,91
РД-ЗМ	0,875
ТВ2-117А		0,896		0,893
Д-20П		0,864		0,899
Д-30		0,897		0,920

Примечание. Значение к.п.д. турбин даны на взлётном (максимальном) режиме.

2.5. Охлаждение турбин

Высокая температура газов, протекающих по проточной части турбины, является одним из основных факторов, определяющих условия работы её деталей. Поверхности, непосредственно омываемые

---