TURBINOWE SILNIKI ODRZUTOWE- TURBINY
Turbina gazowa jest maszyną przepływową zamieniającą energię potencjalną czynnika roboczego na pracę mechaniczną odbieraną na wale. W turbinowych silnikach odrzutowych turbina napędza sprężarkę silnika (97÷99% mocy) oraz agregaty zabezpieczające pracę silnika i systemów pokładowych samolotu. W turbinowych silnikach śmigłowych (śmigłowcowych) turbina napędza również śmigło (wirnik nośny i śmigło ogonowe) samolotu (śmigłowca).
Klasyfikacja turbin.
ze względu na zasadę pracy:
akcyjne;
reakcyjne;
ze względu na kierunek przepływu spalin:
osiowe;
promieniowe;
ze względu na ilość stopni:
jednostopniowe;
wielostopniowe (z=2÷5);
ze względu na ilość wirników:
jednowirnikowe;
dwuwirnikowe;
trójwirnikowe.
Główne zespoły turbiny osiowej
Aparat kierujący:
łopatki kierujące;
pierścienie osadcze (wewnętrzny, zewnętrzny).
Wirnik turbiny:
wał;
tarcza;
łopatki wirnikowe.
Kadłub turbiny:
łączy poszczególne podzespoły w jedną całość, przenosi obciążenia z poszczególnych zespołów turbiny (silnika).
Zasada pracy stopnia turbiny
W kanałach międzyłopatkowych aparatu kierującego (AK) następuje rozprężanie strumienia spalin, zmniejsza się ciśnienie i temperatura, rośnie prędkość bezwzględna. Kanały międzyłopatkowe są zbieżne (dyszowe), stąd też AK turbiny nazywany jest również aparatem (wieńcem) dyszowym.
Z AK strumień kierowany jest pod odpowiednim kątem na łopatki wirnikowe, osadzone za pomocą zamków na tarczy turbiny. W wyniku opływu łopatek wirnikowych strumieniem gazu powstaje siła aerodynamiczna, której składowa obwodowa daje względem osi obrotu wirnika moment obrotowy.
W turbinach reakcyjnych kanały międzyłopatkowe wieńca wirnikowego są zbieżne co prowadzi do dalszego spadku wartości ciśnienia i temperatury spalin oraz wzrostu prędkości względnej. Uzyskuje się większą wartość siły aerodynamicznej, je składowej obwodowej a więc i momentu obrotowego.
W turbinach akcyjnych kanały międzyłopatkowe wieńca wirnikowego posiadają stałe pole powierzchni przekroju, strumień zmienia jedynie kierunek przepływu. Powstająca przy tym siła aerodynamiczna ma mniejszą wartość niż w przypadku turbiny reakcyjnej.
W lotniczych silnikach turbinowych stosuje się turbiny reakcyjne.
Wady i zalety turbin
Wyszczególnienie |
Turbina reakcyjna |
Turbina akcyjna |
Moc jednostkowa |
+ |
- |
Masa jednostkowa |
+ |
- |
Sprawność ogólna |
- |
+ |
Siła osiowa |
- |
+ |
Moc turbiny
m'- masowe natężenie przepływu spalin;
ηT - sprawność efektywna turbiny (0,65÷0,85), uwzględnia wszystkie straty energii w turbinie;
lT - praca efektywna turbiny;
ΔhT iż - izentropowy (rozporządzalny spadek entalpii).
Energia, którą ma strumień spalin podczas procesu rozprężania w turbinie od ciśnienia spiętrzenia p*3 do ciśnienia statycznego na wylocie p4 (energia rozporządzalna) jest równoważna rozporządzalnemu (izentropowemu) spadkowi entalpii ΔhT iż:
T*3 - temperatura spalin przed turbiną:
1120÷1170 K - brak specjalnego chłodzenia;
1200÷1300 K - przy stosowaniu chłodzenia łopatek;
1300÷1550 K - przy intensywnym chłodzeniu łopatek.
k' - wykładnik izentropy dla spalin (≈1,33);
R' - stała gazowa dla spalin (≈288 J/(kg K));
πT - stosunek ciśnień w turbinie:
średnie wartości πT dla stopnia turbiny wynoszą 1,7÷2,2 (2,8).
Turbiny wielostopniowe
W przypadku gdy rozporządzalny spadek entalpii przekracza wartość 320÷330 kJ/kg, należy stosować turbinę wielostopniową, w której ogólny rozporządzalny spadek entalpii zostaje rozdzielony między tworzące ją stopnie. Zaleca się aby ΔhT iż<220÷280 kJ/kg a nawet mniej.
Zalety turbin wielostopniowych:
mniejsze straty energii związane z mniejszą prędkością przepływu strumienia;
maleje prędkość obwodowa wirnika; przy niezmienionej prędkości obrotowej powoduje to zmniejszenie jego średnicy w przybliżeniu z0,5 razy i zwiększenie długości piór łopatek wirnikowych co z kolei wpływa na zmniejszenie strat spowodowanych przeciekami w luzie promieniowym; jeżeli średnica wirnika nie ulega zmianie to możliwe staje się zmniejszenie prędkości obrotowej co w przypadku silników śmigłowych i śmigłowcowych upraszcza konstrukcję przekładni redukcyjnej;
w kolejnych stopniach turbiny wykorzystywana jest energia kinetyczna strumienia na wylocie ze stopni poprzedzających;
suma rozporządzalnych spadków entalpii w stopniach turbiny wielostopniowej przewyższa rozporządzalny spadek entalpii w całej turbinie dzięki odzyskiwaniu części ciepła tarcia wewnętrznego w kolejnych stopniach.
wymienione wyżej zalety umożliwiają uzyskiwanie dużych sprawności efektywnych w porównaniu do turbin jednostopniowych.
Wady turbin wielostopniowych
złożona budowa;
wyższe robocze temperatury w pierwszych stopniach spowodowane występującymi w nich mniejszymi spadkami entalpii; jest to zasadniczym powodem chłodzenia łopatek.
Chłodzenie turbin
Od początku rozwoju turbin utrzymuje się tendencja do podwyższania temperatury spalin przed ich wieńcami dyszowymi. Aktualnie znane i stosowane materiały żarowytrzymałe na części turbin, stykające się bezpośrednio z gorącymi spalinami, nie wytrzymują temperatur roboczych , przewyższających 1150÷1200 K. Obok poszukiwań nowych, bardziej odpornych materiałów żarowytrzymałych i pokryć izolująco - ochronnych, stosuje się chłodzenie najbardziej nagrzewających się podzespołów turbin (łopatek kierujących i wirnikowych pierwszych stopni, tarcz nośnych tych stopni oraz części kadłubów).
Najbardziej rozpowszechnione jest obecnie powietrzne chłodzenie podzespołów turbin. Powietrze dostarczane jest przez sprężarkę silnika (może być pobierane z określonego stopnia sprężarki, zza sprężarki lub może to być część powietrza wtórnego z komory spalania.
4