турбина

Ступень осевой турбины.

турби́на газотурбинного двигателя — узел ГТД, предназначенный для преобразования энергии газа в работу на валу, затрачиваемую на привод компрессора двигателя и в зависимости от назначения ГТД, других устройств (воздушный винт, несущий винт, вспомогательные агрегаты). Применяются в основном одно- и многоступенчатые осевые Т., реже радиальные или диагональные центростремительные Т. В осевой Т. газовый поток параллелен оси вращения, в радиальной Т. — направлен вдоль радиуса. Радиальные газовые Т. применяются при относительно малых расходах газа. Ступень Т. состоит из соплового аппарата, установленного в корпусе, рабочих лопаток, закреплённых на диске ротора, и уплотняющих элементов (см. рис.).

К Т. предъявляются высокие требования по эффективности, надёжности работы, габаритам и массе. Т. работает в широком диапазоне изменения параметров газа и частоты вращения ротора. Требуется сохранение высокой эффективности Т. при изменении режимов работы. Эффективность работы Т. характеризуется тремя кпд; изоэнтропическим, равным отношению действительного теплоперепада в турбине к располагаемому изоэнтропическому теплоперепаду; эффективным, или мощностным, равным отношению получаемой механической работы к тому же изоэнтропическому теплоперепаду; кпд в параметрах заторможенного потока, равным отношению получаемой работы к изоэнтропическому теплоперепаду, определённому по параметрам заторможенного потока за турбиной. В газодинамических расчётах Т. для оценки эффективности её работы чаще всего используется последний кпд. В охлаждаемых Т. кпд определяется с учётом энергии охлаждающего воздуха (см. Коэффициент полезного действия компрессора, турбины). Для получения высоких значений кпд должны быть оптимизированы кинематические параметры ступени (степень реактивности и соотношение между окружной скоростью ротора и скоростью газового потока) и газодинамические параметры лопаточных венцов, а также сведены к минимуму потери от перетеканий газа в радиальном зазоре между лопатками ротора и корпусом Т. Уменьшение потерь в радиальном зазоре достигается применением бандажных полок с лабиринтными гребешками на концах лопаток или уменьшением зазора до минимальных значений, при которых допускается касание лопаток о корпус на некоторых режимах работы Т. в случае применения истираемых вкладышей на внутренней поверхности корпуса. Бандажирование рабочего колеса обычно производится на лопатках с относительно большим удлинением (отношение длины лопатки к её хорде). Бандажные полки используются также для снижения вибрационных напряжений, уровень которых тем больше, чем длиннее лопатки. При относительно коротких лопатках (отношение диаметра Т. к длине лопатки больше 10) важное значение имеют уменьшение радиального зазора и его сохранение на минимальном уровне на всех режимах работы Т. Для этого применяется тепловое регулирование зазора путём программного изменения температуры корпуса и ротора Т. В современной Т. достигнут высокий уровень кпд в параметрах заторможенного потока (90 и 93% для одно- и многоступенчатых Т. соответственно).

Выбор числа ступеней Т. зависит от назначения двигателя, его кинематической схемы и параметров. Для привода компрессора газогенератора используются одно- и двухступенчатые Т., для привода вентилятора при большой степени двухконтурности двигателя или воздушного винта — многоступенчатые Т. (до шести ступеней). При относительно малой степени двухконтурности для привода применяются одно- или двухступенчатые Т. Важными показателями Т. являются удельные значения мощности и массы: мощности, получаемой от 1 кг расходуемого газа, и массы конструкции Т., отнесённой к вырабатываемой мощности. Повышение температуры газа, увеличение скорости газового потока и окружной скорости ротора приводят к увеличению удельной мощности Т. и снижению её удельной массы. Температура газа достигает 1600—1700 К, окружная скорость ротора — 500 м/с, скорости газового потока в высокоперепадных одноступенчатых Т. около- или сверхзвуковые.

Высокие температуры газа в Т. освоены благодаря применению жаропрочных и жаростойких литейных сплавов и интенсивного воздушного охлаждения омываемых газом поверхностей. Дальнейшее совершенствование Т. связано с повышением температур газа, применением более жаропрочных и жаростойких материалов, включая композиционные материалы, и теплозащитных покрытий, более совершенных схем охлаждения двигателей, основанных на применении прогрессивных технологических методов изготовления лопаток, корпусов и дисков. (См. также Радиальная турбина, Рабочее колесо турбины, Ротор турбины, Сопловой аппарат турбины, Ступень компрессора турбины).

Литература:
Холщевников К. В., Теория и расчет авиационных лопаточных машин, М., 1970;
Абианц В. Х., Теория газовых турбин реактивных двигателей, 3 изд., М., 1979.

К. М. Попов.

Ступень радиальной центростремительной турбины.