Уплотнения проточной части ГТ

Между вращающимися и неподвижными элементами ГТ предусматриваются зазоры, исключающие возможность касания ротора о статор на всех режимах работы ГТД. Наибольшую важность для характеристик ГТ имеют радиальные зазоры между рабочими лопатками и корпусом ГТ, а также в межступенчатых лабиринтных уплотнениях. Перетекание в радиальном зазоре между рабочими лопатками и корпусом – одна из основных причин потерь, приводящих к снижению КПД ГТ.

При выборе величины монтажного («холодного») зазора между РК и корпусом ГТ следует учитывать его изменение в зависимости от режима работы двигателя. При запуске двигателя радиальный зазор увеличивается, при выключении (особенно выключении в полете) – уменьшается. Для предохранения рабочих лопаток от повреждений при их касании о корпус применяют металлокерамические вставки, которые размещают в трапециевидных пазах корпуса. Обычно вставки выполняются двухслойными: первый слой (железоникельграфитовый) является опорным, второй (никельграфитовый) - рабочим. Он более мягкий и срабатывается лопатками при касании.

Другим вариантом уменьшения монтажного зазора является применение сотовых уплотнений. Поскольку стенки сот имеют малую толщину, то поверхность контакта резко уменьшается, и это дает возможность производить беззазорную сборку ротора и статора.

Эффективным способом снижения перетеканий газа через радиальный зазор является бандажирование рабочих лопаток. Гребешки на бандажных полках образуют лабиринтное уплотнение, повышающее КПД турбины.

В охлаждаемых лопатках с выходов воздуха в радиальный зазор эффективность уплотнения повышается настолько, что можно отказаться от использования бандажных полок; применяется на первых ступенях высокотемпературных турбин.

Экономичность ГТД может быть повышена минимизацией радиальных зазоров на крейсерских режимах полета путем активного управления зазорами. Снижение относительного радиального зазора на 1% приводит к повышению КПД турбины на 1,5-2,0%. Активное управление зазорами достигается охлаждением корпуса турбины воздухом, отбираемым от ОК.

Уменьшение перетекания газа в радиальных зазорах лабиринтных уплотнений достигается использованием металлокерамических вставок и сотовых конструкций. Эффективность уплотнений повышается при уменьшении их диаметра, поэтому их располагают по возможности ближе к валу ротора.

Охлаждение турбин

При использовании углеводородного топлива может быть получена температура 2500-2800 К. В то же время турбинные лопатки из материалов на основе никеля и кобальта могут работать при температуре не выше 1250 К. Обеспечить работоспособность деталей турбины при больших температурах можно только с помощью охлаждения.

Охлаждению в различной степени подвергаются практически все детали ГТ. Способы охлаждения могут быть разными. Основной тип системы охлаждения современных турбин – открытая воздушная система: для отвода тепла используется воздух, отбираемый от ОК и выпускаемый затем в проточную часть ГТ. Эта система относительно проста и надежна, но следует иметь в виду, что с ростом температуры газа увеличивается потребный расход охлаждающего воздуха и, следовательно, эффективность системы охлаждения снижается.

Существует два основных способа воздушного охлаждения: внутреннее конвективное и заградительное. Наиболее широко конвективное охлаждение применяется в рабочих и сопловых лопатках ГТ. К ним относятся лопатки с различными вариантами внутренних каналов. Интенсификация охлаждения и повышение его равномерности достигается оптимизацией расположения каналов, организацией направленного движения воздуха в них (с помощью дефлекторов или петлевого движения воздуха), увеличением поверхности теплообмена (применением оребрения), турбулизацией потока (в лопатках штырькового типа) и т.д.

Конвективное охлаждение применяется и в других элементах ГТ. Так, в конструкции ротора вращающиеся дефлекторы образуют с диском каналы для охлаждающего воздуха, а в конструкции статора между корпусом и проточной частью ГТ создаются полости, продуваемые охлаждающим воздухом.

Более эффективным является заградительное воздушное охлаждение, обеспечивающее уменьшение теплоподвода к детали от горячего газа. Наиболее распространенным типом заградительного охлаждения является пленочное, когда между охлаждаемой деталью и газовым потоком создается пелена охлаждающего воздуха. Применение комбинированного конвективно-пленочного охлаждения позволяет обеспечить работоспособность лопаток ГТ при температуре газа 1550-1650 К.

Дальнейшим развитием пленочного охлаждения является проникающее (пористое) охлаждение. Воздух, проходя через проницаемую оболочку лопатки (поры или системы отверстий), отбирает от нее тепло и создает вокруг лопатки защитный слой. Эффективность такого охлаждения может быть в 1,5-1,6 раза выше, чем при конвективном способе (температура газа может быть увеличена до 1650-1750 К).

Рис. 39. Схемы организации воздушного охлаждения рабочих лопаток турбины: 1- конвективное охлаждение с выпуском воздуха с торца лопатки; 2 – конвективное охлаждение с выпуском воздуха через заднюю кромку; 3 – конвективно-пленочное охлаждение; 4 – пористое охлаждение

В настоящее время ведутся интенсивные разработки других типов систем охлаждения. К ним относятся закрытые системы, в которых охладитель циркулирует по замкнутому контуру, отбирая тепло от нагретых деталей и отдавая его в радиаторе. При использовании закрытых систем за счет резкого возрастания коэффициента теплоотдачи температура газа может быть доведена до 1900-2000 К и выше. Однако эксплуатационная надежность таких систем пока недостаточна для их использования на серийных ГТД.

Анализ систем охлаждения показывает, что их применение ведет не только к усложнению конструкции ГТД, но и требует дополнительных затрат энергии на их функционирование. Очевидно, что использование того или иного способа охлаждения можно считать оправданным только в том случае, когда выигрыш за счет повышения температуры газа существенно перекрывает появляющиеся при этом энергетические затраты.