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.

1. ze względu na zasadę pracy:

• akcyjne;

• reakcyjne;

2. ze względu na kierunek przepływu spalin:

• osiowe;

• promieniowe;

3. ze względu na ilość stopni:

• jednostopniowe;

• wielostopniowe (z=2÷5);

4. ze względu na ilość wirników:

• jednowirnikowe;

• dwuwirnikowe;

• trójwirnikowe.

Główne zespoły turbiny osiowej

1. Aparat kierujący:

• łopatki kierujące;

• pierścienie osadcze (wewnętrzny, zewnętrzny).

2. Wirnik turbiny:

• wał;

• tarcza;

• łopatki wirnikowe.

3. 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

1. m'- masowe natężenie przepływu spalin;

2. η_T - sprawność efektywna turbiny (0,65÷0,85), uwzględnia wszystkie straty energii w turbinie;

l_T - praca efektywna turbiny;

Δh_{T 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 Δh_{T iż}:

3. 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.

4. k^' - wykładnik izentropy dla spalin (≈1,33);

5. R^' - stała gazowa dla spalin (≈288 J/(kg K));

6. π_T - stosunek ciśnień w turbinie:

średnie wartości π_T 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 Δh_{T 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 z^0,5 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

---