ГЛАВА XIII. ТУРБИНА

### НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Газовая турбина предназначена для преобразования кинетической и тепловой энергии газа, выходящего из камеры сгорания, в механическую работу, необходимую для вращения ротора компрессора и агрегатов, устанавливаемых на коробках приводов двигателя.

Турбина является одним из основных узлов двигателя. Она работает в условиях высоких температур, больших нагрузок и потому в значительной степени определяет надежность и ресурс всего двигателя.

Основными узлами турбины (рис. 93) являются сопловой аппарат а и ротор б.

Газ, имеющий высокую температуру и давление, из камер сгорания, проходя через сопловой аппарат, попадает на рабочие лопатки турбины. На рис. 94 показаны изменения давления P, температуры T, скорости C газа в ступени турбины и треугольники скоростей.

Лопатки соплового аппарата турбины спроектированы так, что образуемые ими межлопаточные каналы сужаются по направлению движения газа, а скорость газа возрастает. В соответствии с ростом скорости давление газа и его температура снижаются. Таким образом тепловая энергия и энергия давления преобразуются в кинетическую энергию газа. После соплового аппарата газ с большой скоростью направляется на рабочие лопатки турбины и, воздействуя на них, приводит во вращение ротор турбины, который вращается с окружной скоростью U. Поэтому относительная скорость газа на входе в рабочее колесо W3 (скорость относительно лопатки) определяется геометрическим вычитанием вектора окружной скорости U из вектора абсолютной скорости C3'. В рабочем колесе турбины межлопаточные каналы выполнены сужающимися, что приводит к дальнейшему расширению газа, вследствие чего относительная скорость потока W3' возрастает до W3", а давление и температура уменьшаются. Ввиду того что в рабочем колесе значительная часть кинетической энергии газового потока преобразуется в механическую работу, абсолютная скорость C3" на выходе из него меньше скорости C3'.

Рис. 93. Принципиальная схема ступени газовой турбины:

а — сопловой аппарат; б — ротор; 1 — корпус соплового аппарата; 2 — лопатка соплового аппарата; 3 — корпус турбины; 4 — лопатка турбины; 5 — диск турбины; 6 — внутренний бандаж соплового аппарата

Величину и направление абсолютной скорости газа C3" на выходе из рабочего колеса находят из треугольника скоростей. Она равна геометрической сумме относительной скорости W3" и окружной скорости U. Чем меньше скорость C3", тем большая часть кинетической энергии газа преобразована в механическую работу на валу турбины.

Суммарное окружное усилие, действующее на лопатки рабочего колеса и создающее крутящий момент, является результатом активного и реактивного воздействия газового потока.

Сущность этого процесса заключается в том, что при обтекании лопаток рабочего колеса газом на каждой лопатке создается активная (аэродинамическая) сила Pл как разность давления газа на вогнутую и выпуклую стороны лопаток (рис. 95). Величина этого усилия тем больше, чем больше относительная скорость потока и угол его поворота (т. е. угол атаки).

Одновременно на лопатки рабочего колеса действует реактивная сила, возникающая в результате ускорения потока газа в межлопаточном канале рабочего колеса. Разложив эти силы на окружное и осевое направления, получим окружные и осевые их составляющие. Сумма окружных составляющих активной и реактивной сил, приложенная к лопаткам рабочего колеса, создает крутящий момент, под действием которого вращается рабочее колесо и совершается механическая работа.

Рис. 94. Проекция ступени турбины с треугольниками скоростей на входе и выходе из лопаток турбины. Изменение параметров потока в элементах турбины

Рис. 95. Схема действия сил на лопатку турбины

Величина окружного усилия на рабочих лопатках турбины пропорциональна изменению количества движения газа в межлопаточных каналах рабочего колеса, т. е.

PU = |  |
Gв
g
| D WU, |

где D WU — сумма окружных составляющих относительных скоростей газа на входе и выходе из колеса.

Мощность, развиваемая турбиной, равна произведению окружного усилия на окружную скорость

Nт = |  |
PU × U
75
| л. с. |

### ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТУРБИНЫ

Турбина двигателя М701с-500 одноступенчатая (рис. 96). Она состоит из неподвижной части (статора) и ротора. Статор включает в себя газосборник 1, сопловой аппарат и корпус 3 турбины.

Ротор турбины включает рабочее колесо 6 с лопатками 8 и втулку диска.

Газосборник является силовым элементом статора. Он состоит из корпуса газосборника и семи патрубков, прикрепленных к корпусу с помощью шпилек. Корпус газосборника литой, имеет форму усеченного конуса с двумя фланцами (внутренним и внешним).

Внутренним фланцем корпус газосборника крепится к силовому конусу 12, а внешним — к наружному бандажу соплового аппарата 4. Горловины корпуса газосборника отлиты за одно целое с корпусом, и их продольные оси совпадают с осями камер сгорания.

Патрубки газосборника 11 предназначены для плавного объединения отдельных круговых газовых потоков, выходящих из камер сгорания, в единый кольцевой поток и направления его в сопловой аппарат. Каждый патрубок состоит из двух сваренных между собой частей.

Сопловой аппарат состоит из 47 лопаток 9, закрепленных на одинаковом расстоянии между наружным и внутренним бандажами. Лопатки соплового аппарата имеют профильную часть и две полки для крепления в бандажи. Лопатки отливаются из жаростойкого сплава ЛВН-9 (ЖС6К).

Рис. 96. Газовая турбина:

1 — газосборкик; 2 — выходной диффузор; 3 — корпус турбины; 4 — корпус соплового аппарата; 5 — внутренний бандаж соплового аппарата; 6 — диск рабочего колеса турбины; 7 — дефлектор; 8 — лопатка турбины; 9 — лопатка соплового аппарата; 10 — полость слива топлива; 11 — патрубок газосборника; 12 — силовой конус; 13 — регулировочная прокладка

Наружный бандаж соплового аппарата изготавливается из жаростойкой стали 21-11-2,5 в форме кольца с фланцем. К внутренней его стороне приварено направляющее кольцо с профилированными прорезями для установки лопаток соплового аппарата и с отверстиями для прохода охлаждающего воздуха. Крепится бандаж к своим фланцам между фланцами корпуса газосборника и корпуса турбины.

Внутренний бандаж изготавливается из той же стали и представляет собой усеченный конус с двумя фланцами. Передним (малым) фланцем он крепится к корпусу газосборника, а к заднему фланцу с помощью девяти винтов крепится дефлектор 7, обеспечивающий направление потока воздуха для охлаждения диска турбины.

При сборке соплового аппарата лопатки подбираются по толщине профиля таким образом, чтобы обеспечивалась площадь проходного сечения в пределах 337,5±2,5 см2. Измерение площади проходного сечения осуществляется специальным приспособлением. Перемещения лопаток при тепловом расширении обеспечиваются за счет их установки с зазорами. Осевой зазор должен быть в пределах 0,1...0,3 мм радиальный — 0,5...1,3 мм. Спереди в осевом направлении лопатки фиксируются направляющими кольцами, сзади — корпусом турбины.

Корпус турбины (рис. 97) изготовлен из жаропрочной стали в форме кольца с двумя фланцами. Передним фланцем корпус турбины крепится к корпусу газосборника 5, а к его заднему фланцу крепится выходной диффузор двигателя. Центрируется корпус турбины относительно корпуса газосборника 12 штифтами, равномерно расположенными по окружности фланца. По внутреннему диаметру передней части корпуса выполнена кольцевая проточка для фиксации лопаток соплового аппарата в осевом направлении.

Рабочее колесо турбины (см. рис, 96) состоит из диска 6 и 61 лопатки 8 турбины. Диск турбины изготавливается из жаропрочного хромомолибденованадиевого сплава ЭИ-4Г5. Рабочие лопатки турбины устанавливаются в елочные пазы диска, имеющие по пять зубьев. Зубья изготавливаются с большой точностью и высоким классом чистоты обработки поверхности, чем обеспечивается равномерное распределение нагрузки между ними.

Рис. 97. Корпус турбины:

1 — корпус газосборннка; 2 — наружный бандаж соплового аппарата; 3 — лопатка соплового аппарата; 4 — корпус турбины; 5 — выходной диффузор

На ступице диска выполнен центровочный буртик и имеется 12 отверстии для крепления фланца диска.

В плоскости сопряжения фланца и диска имеются пазы для прохода охлаждающего воздуха в полость заднего вала, которые также уменьшают площадь контакта фланца с диском, что способствует уменьшению теплопередачи от диска к подшипнику турбины.

На задней части диска имеется технологический фланец, используемый для монтажных и демонтажных работ. На этом же фланце имеются резьбовые отверстия, в которые при балансировке собранного ротора ввертываются специальные балансировочные пальцы. Допускается динамическая неуравновешенность собранного ротора не более 5 гсм.

Лопатки турбины изготавливаются из жаропрочного сплава ЭИ-617. Конструктивно лопатка состоит из пера, полочки и ножки. Поскольку лопатка турбины работает под воздействием больших центробежных и аэродинамических сил при высокой температуре, к материалу лопаток и точности их изготовления предъявляются весьма высокие требования. От действия центробежных сил в лопатках возникают напряжения растяжения, изгиба и кручения. Действие аэродинамических сил вызывает в них напряжения изгиба и кручения. Из всех перечисленных напряжений наибольшее напряжение растяжения от центробежных сил. Напряжения кручения и изгиба невелики. Кроме того, за счет рационального расположения профилей пера лопатки по высоте газовые силы уравновешиваются изгибающими моментами от центробежных сил.

При прохождении лопаток рабочего колеса мимо неподвижных сопловых лопаток на них в результате импульсного воздействия потока газов возбуждаются вибрации, частота и амплитуда которых зависят от числа сопловых лопаток, частоты вращения ротора турбины, а также степени неравномерности расхода газа через каналы соплового аппарата.

Крепление рабочих лопаток на ободе диска осуществлено с помощью елочного замка. Этот вид крепления наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к замку. Способность передавать большие усилия от центробежных сил с лопаток на диск при наименьшей массе самого замка обеспечивает легкий монтаж и демонтаж лопаток и создает наилучшие условия для работы диска, так как позволяет применять охлаждение замка и обода продувкой воздуха через зазоры между ободом и нерабочей частью зубцов. Кроме того, при свободной посадке (качка на конце пера лопатки должна быть в пределах 0,1...0,6 мм) лопатки самоустанавливаются в замке под действием центробежных сил таким образом, что напряжения изгиба от этих сил оказываются минимальными, а силы трения в соединении демпфируют колебания лопаток.

От осевого перемещения лопатки фиксируются пластинчатыми замками, усики которых загибаются на обод диска. При работе двигателя эти стопорные устройства практически не испытывают нагрузок, так как сила трения в замке от действия центробежных сил больше осевой силы, действующей на лопатку.

Ножки лопаток между полкой и замком в осевом направлении спрофилированы таким образом, что после установки лопаток между соседними ножками образуются каналы для поступления охлаждающего воздуха. Охлаждение замковой части сокращает приток тепла от лопаток к диску турбины.

Для упрощения балансировки ротора лопатки подбираются по массе так, чтобы разница в массе противолежащих лопаток не превышала 0,2 г.

Зазор между торцами лопаток и корпусом турбины в холодном состоянии должен быть не менее 0,5 мм, что исключает возможность касания торцов лопаток о корпус турбины при работе двигателя вследствие вытяжки лопаток под действием центробежных сил и теплового расширения. Этот зазор становится минимальным при остановке двигателя.

### ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ТУРБИНЫ,
ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ

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 неусиленного 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 газосборника;

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 неусиленной конструкции. Несмотря на кратковременность работы двигателя на резонансном режиме, при относительно высокой частоте колебаний (более 2000 Гц) 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 неусиленные 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 нызвать разрушение топливных, масляных трубопроводов и пожар двигателя.

Основ) причинами разрушения рабочих лопаток турбины двигателей М701с-500 является возникновение и развито усталостных трещин под действием динамических напряжений, обусловленных неравномерностью поля давлении газов вследствие различия проходных сеченнй газовоздушного 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 газосборника. 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.

Большие нагрузки и высокие температуры обусловливают усталостные разрушения лопаток турбин по профильной части пера или по первому пазу елочного замка.

Возникновение и развитие усталостных трещин на профильной части пера лопатки обычно начинается от концентратора напряжений. Такими концентраторами могут явиться забоины на кромках лопаток, эрозионный износ, наличие поперечных рисок от механической обработки или уменьшение радиуса скругления выходной кромки лопатки. Развитие усталостной трещины на пере лопатки турбины является длительным процессом и потому обычно своевременно выявляется в эксплуатации. Обрыв лопатки наступает лишь при длине трещины около 40—50% хорды.

Разрушение лопаток турбины по первому пазу елочного замка происходит из-за возникновения и развития усталостной трещины в местах действия максимальных растягивающих и изгибающих напряжений — в середине паза на торцевой поверхности замка со стороны выходной кромки.

Основной причиной разрушения лопаток по первому пазу замка являются повышенные динамические (вибрационные) напряжения вследствие резонанса по 8-й гармонике на частоте вращения 15 650...15 700 об/мин. Максимальная частота вращения двигателя М701с-500 по техническим условиям должна быть 15 400+75–200 об/мин.

Однако при пробе приемистости возможен заброс частоты вращения до 300 об/мин, что приводит к кратковременной работе лопаток турбины на резонансном режиме с возникновением в них вибрационных напряжений. Изменение заделки привело к увеличению уровня вибронапряжекий, что подтверждается наличием большого количества усталостных трещин по первому пазу диска турбины, в котором произошел обрыв лопатки.

В целях предотвращения случаев возникновения усталостных трещин по первому пазу елочного замка лопаток были несколько изменены геометрические размеры пазов елочного замка диска турбины, что позволило повысить демпфирующие свойства этого соединения. В результате проведенных мероприятий случаев возникновения трещин лопаток по первому пазу елочного замка в условиях эксплуатации не было.

Таким образом, ротор турбины двигателя М701с-500 в настоящее время работает весьма надежно.

Смещение рабочих лопаток турбины в сторону соплового аппарата («утопание лопаток») происходит вследствие нарушения фиксации их в осевом направлении пластинчатыми замками. Такое нарушение может происходить из-за отгибания усиков пластинчатых замков в результате воздействия вибрационных нагрузок или вследствие неплотного прилегания усиков замков к ободу диска при их установке. Однако основной причиной смещения лопаток является приложение к ним чрезмерных осевых нагрузок при проворачивании ротора двигателя штангой приспособления КВ 503-00. Поэтому для предотвращения смещения рабочих лопаток турбины в сторону соплового аппарата необходимо при проворачивании ротора не допускать сильного давления штангой на лопатки.

Необходимо отметить, что на рабочих режимах работы двигателя перемещению лопаток в осевом направо лении препятствуют силы трения в замке, которые в несколько раз больше силы, сдвигающей лопатку.

Уменьшение радиального зазора между торцами рабочих лопаток турбины и корпусом (бандажом) происходит в результате деформации корпуса турбины из-за неравномерного его нагрева и охлаждения. Уменьшение зазора в процессе эксплуатации может происходить сравнительно быстро, и к концу межрегламентного периода он может уменьшиться настолько, что произойдет касание рабочих лопаток о корпус, что вызовет торможение или заклинивание ротора двигателя, сопровождающееся обгоранием лопаток турбины и соплового аппарата.

Дефект проявляется обычно на двигателях с сегментной конструкцией корпуса турбины. Внедрение бессегментного корпуса турбины, ограничение минимального зазора до 0,5 мм позволили в значительной степени сократить количество случаев проявления этого дефекта, однако полностью его не устранили. Поэтому в эксплуатации необходимо периодически контролировать величину зазора между корпусом турбины и торцами лопаток, а также строго соблюдать требования инструкции по прогреву и охлаждению двигателя.

Трещины и коробление выходных кромок лопаток соплового аппарата возникают вследствие воздействия термических напряжений при изменении режимов работы двигателя или местном увеличении температуры газов. Высокие температуры газов перед турбиной и значительная неравномерность температурного поля на выходе из жаровой трубы обусловливают нагрев до различных температур даже тех лопаток, которые расположены в зоне одной жаровой трубы. Температура нагрева сопловой лопатки изменяется как по высоте, так и по ее хорде. Наибольшая температура на входной кромке лопатки соплового аппарата, наименьшая — на расстоянии 50...70% длины хорды от входной кромки. Перепад температуры между этими точками достигает нескольких десятков градусов. Кроме того, лопатка соплового аппарата со стороны вогнутой поверхности нагревается больше, чем с выпуклой. Более интенсивный нагрев входной кромки и вогнутой поверхности объясняется эффектом местного нагрева за счет частичного торможения потока.

Изменение температуры газов перед турбиной на переходных неустановившихся режимах работы двигателя приводит к соответствующему изменению степени нагрева сопловых лопаток. При запуске и пробе приемистости двигателя, сопровождающихся забросами температуры, возникают большие перепады температур по высоте и хорде сопловой лопатки.

Быстрые и неравномерные (по высоте и поперечному сечению), циклически повторяющиеся нагревы и охлаждения сопровождаются высокими термическими напряжениями, которые являются основной причиной появления третий в материале лопаток соплового аппарата. Величина этих напряжений зависит от степени неравномерности температуры, возможности свободного перемещения лопатки при нагреве и охлаждении, а также способа ее крепления. Степень неравномерности температуры газового потока перед турбиной зависит от особенностей конструкции индивидуальных камер сгорания, от состояния жаровых труб, от величины зазоров между жаровыми трубами и кожухами камер сгорания, от площади проходных сечений деталей й узлов газовоздушного тракта двигателя, от параметров рабочих форсунок. Но основным фактором обеспечения надежной работы лопаток соплового аппарата является строгое соблюдение температурного режима двигателя при запуске, а также обеспечение необходимого прогрева и охлаждения.

Трещины корпуса газосборника (обычно около 4-й камеры сгорания) возникают под действием тангенциальных статических напряжений вследствие некачественной отливки корпуса при его изготовлении. Для повышения надежности корпусов газосборника промышленностью проведен ряд мероприятий по совершенствованию технологии их изготовления, однако отдельные случаи появления трещин в эксплуатации еще имеются. Поэтому при выполнении регламентных работ необходимо производить тщательный осмотр корпусов газосборника для своевременного выявления трещин.

Разрушение шпилек крепления корпуса турбины к газосборнику происходит в результате воздействия знакопеременных нагрузок, возникающих при вибрации узлов турбины под воздействием газового потока при работе двигателя. Способствующими факторами являются также термические напряжения в деталях из-за неравномерности их нагрева и охлаждения при изменении режимов работы двигателя или при местном увеличении температуры газов. Строгое соблюдение рекомендуемых режимов прогрева и охлаждения двигателя, а также обеспечение запуска без превышения допустимого заброса температуры газов способствует повышению надежности работы шпилек. Однако их разрушение возможно и при соблюдении всех требований по температуре газов, поскольку является следствием конструктивного несовершенства узла.

### СИЛОВОЙ КОРПУС ДВИГАТЕЛЯ

Силовой корпус двигателя (статор) состоит из корпуса компрессора и корпуса турбины, соединенных между собой силовым конусом (рис. 98).

После сборки корпусных деталей двигателя образуется жесткая система, внутри которой на опорах размещается ротор. При работе двигателя на земле на его узлы и детали действует масса двигателя и различные по величине и направлению газовые силы. Суммарные силы через статор передаются на узлы крепления двигателя к самолету.

В полете на двигатель дополнительно действуют инерционные силы, которые по величине в несколько раз могут превосходить массу двигателя, а также гироскопический момент ротора, пропорциональный угловой скорости эволюции самолета и перпендикулярный оси ротора.

Таким образом, статор двигателя воспринимает целый ряд сил и моментов, действующих в разных направлениях. Часть этих сил и моментов замыкается на статоре и на узлы крепления двигателя не передается, а суммарная составляющая осевых сил, равная тяге двигателя, передается на узлы подвески двигателя.

Силовой конус двигателя изготовлен из жаростойкой стали 1Х18Н9Т и имеет форму усеченного конуса с тремя фланцами.

Рис. 98. Силовой конус:

1 — фланец; 2 — штуцер измерения давления воздуха в силовом конусе; 3 — силовой конус; 4 — трубка суфлирования задней полости корпуса подшипника; 55 — задний подшипник; 6 — трубка суфлирования передней полости корпуса; 7 — штуцер подвода масла; 8 — патрубок охлаждающего воздуха из компрессора; 9 — штуцер отвода масла; 10 — штуцер измерения давления перед турбиной; 11 — патрубок отвода охлаждающего воздуха с диафрагмой для регулирования осевого усилия

Передний фланец 1 приварен к основанию конуса герметичным силовым швом.

На внутренней поверхности этого фланца имеется выступ, с помощью которого обеспечивается центровка соединения конуса с задним корпусом компрессора. К меньшему основанию силового конуса приварен внутренний фланец, к которому крепится корпус заднего подшипника. К боковой поверхности конуса у его вершины приварен двойной кожух, к наружной части которого приварен фланец крепления силового конуса к корпусу газосборника. Между фланцами силового конуса и корпусом газосборника устанавливается регулировочное кольцо для обеспечения необходимого осевого, зазора между лопатками турбины и соплового аппарата.

Внутренний и наружный фланцы соединены между собой-конусной приставкой с отверстиями для прохода воздуха и трубопроводов масляной системы.

С внутренней стороны силового конуса на его боковой поверхности приварены три профиля жесткости. Между первым профилем и большим фланцем снаружи приварен штуцер 10 для замера давления воздуха в силовом конусе. В нижней части силового конуса приварен патрубок 11 для отвода охлаждающего воздуха. К фланцу патрубка крепится диафрагма с калиброванным отверстием в центре. Диаметр отверстия подбирается на заводе в процессе испытания двигателя для обеспечения необходимого давления воздуха внутри силового конуса. Величина этого давления зависит от того, какую компенсирующую силу надо создать для уменьшения осевой силы, действующей на шарикоподшипник передней опоры.

К внутренней стенке двойного кожуха привареньг два патрубка 8 для подвода охлаждающего воздуха. К нижней части внутренней стенки приварена уплотняющая втулка трубопровода откачки масла, а в верхней части имеются две одинаковые втулки: одна — для трубки подвода масла, другая — для трубки лирования.