Типы роторов осевых компрессоров (6 видео)

При использовании однокаскадного компрессора для обеспечения необходимой газодинамической устойчивости на всех режимам работы двигателя требуются средства управляемой механизации для регулирования расхода воздуха. Для этой цели используют три мероприятия.

1. Применения поворотных лопатокнаправляющих аппаратов.

2. Перепуск воздуха с помощью клапановразличной конструкции (ленты перепуска, тарельчатые, лепестковые клапаны).

При применении двухкаскадного компрессора специальных средств механизации, как, правило, не требуется, так как вращение роторов низкого и высокого давлений с разными скоростями (скольжение роторов) обеспечивает необходимое регулирование и, следовательно, газодинамическую устойчивость двигателя.

Однако в двухкаскадном компрессоре увеличивается число опор ротора по сравнению с однороторным. Это может несколько снизить его надежность, так как опоры являются сложными и ответственными элементами, влияющими на безотказность работы двигателя.

Лекция 6 (Аудиторная 4 часа)

Типы роторов компрессора

а – барабанный; б – дисковый; в — барабанно-дисковый

Основное требование, предъявляемое к роторам, – большая поперечная жёсткость и её постоянство в окружном направлении.

По конструкции элементов, к которым крепятся рабочие лопатки, различают следующие типы роторов осевых компрессоров:

барабанный (а), дисковый (б) и смешанный — барабанно-дисковый (в).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Содержание

19 Роторы осевых компрессоров
Вопрос № 5. Роторы осевых компрессоров.
Общее устройство и принцип действия ГТД и его составных частей
Литература
🎬 Видео

Видео:Центробежный компрессорСкачать

19 Роторы осевых компрессоров

По конструкции элементов, к которым крепятся рабочие лопатки, различают следующие типы роторов осевых компрессоров: барабанный (а), дисковый (б) и смешанный — барабанно-дисковый (в) (см. рис. 3.23).

Рис. 3.23. Типы роторов компрессора

Ротор барабанного типа представляет собой барабан, на котором крепятся лопатки и две боковые крышки с цапфами, с помощью которых ротор опирается на подшипники (рис. 3.24, а). В зависимости от закона профилирования проточной части барабан может иметь цилиндрическую или коническую форму. Для крепления лопаток на его поверхности прорезаются кольцевые или продольные фасонные пазы (рис. 3.24, б, в). При продольных пазах число лопаток во всех ступенях одинаковое, что не позволяет обеспечить максимальную напорность в каждой ступени. Однако такое расположение лопаток удобно для их монтажа и демонтажа, а изготовление продольных пазов проще, чем кольцевых. Расстояние между лопатками обеспечивается специальными проставками 3.

Ротор барабанного типа:а — принципиальная схема; б — крепление лопаток, установленных в кольцевые пазы; в — крепление лопаток, установленных в продольные пазы: 1— барабан; 2 — рабочая лопатка; 3, 4 — проставка; 4′ — проставка до постановки в паз; 5 — отверстие

Достоинство ротора барабанного типа: простота конструкции и, следовательно, простота изготовления, большая поперечная (изгибная) жесткость и, как следствие, высокая критическая частота вращения.

Недостатком ротора данного типа является его низкая несущая способность, допускающая окружные скорости на среднем диаметре лопаток не более 200 . 250 м/с. Следовательно, ротор барабанного типа — тихоходный, и для получения необходимой степени повышения давления в компрессоре должно быть большое число ступеней. Это ведет к увеличению массы, что противоречит одному из основных требований, предъявляемых к компрессорам, — обеспечению минимальной удельной массы .

Передача крутящего момента в роторах дискового типа. Передача крутящего момента от вала к дискам возможна несколькими способами: при помощи шлиц, трения и призонных болтов.

Для фиксирования осевого положения дисков относительно вала используются кольцевые буртики, проставки — трактовые кольца и другие элементы.

Ротор дискового типа состоит из последовательно расположенных дисков, непосредственно не связанных между собой (рис. 3.27). На внешней части дисков (ободе) крепятся рабочие лопатки. Диски имеют центральные отверстия и из условий прочности выполняются с развитой ступицей (часть полотна диска около отверстия).

Ступица служит для соединения с валом, от которого крутящий момент с турбины передается каждому диску отдельно. Таким образом, ротор дискового типа состоит из дисков 8, лопаток 1 и вала 5.

Полотно диска специальным образом профилируется — утоньшается к ободу — для получения минимальной массы при обеспечении необходимой долговечности. Иногда для упрощения производства полотно диска выполняют постоянной толщины.

Рис. 3.27. Ротор дискового типа: а — конструктивная схема ротора; б — фиксация трактовых колец от проворачивания в окружном направлении; / — рабочая лопатка; 2 — трактовое кольцо; 3 — лопатка направляющего аппарата; 4, 7 — гайки, стягивающие диски; 5 — вал; 6 — шлицы; в — диски; 9 — штифт, фиксирующий трактовое кольцо от проворачивания.

Кроме того, уменьшение массы и хорды лопаток, а следовательно, и обода дисков от первых к последним ступеням компрессора позволяет уменьшить также и толщину дисков в этом же направлении. Для увеличения вибропрочности дисков последних ступеней толщина их полотна может быть увеличена.

Достоинства дисковых роторов:

— дисковые роторы обладают большей несущей способностью, чем барабанные, и допускают на среднем диаметре лопаток окружные скорости 400 . 450 м/с, т. е, дисковый ротор является высоконапорным;

— диаметр турбины хорошо согласуется с диаметром компрессора, что способствует получению двигателем приемлемых диаметральных габаритных размеров;

— число лопаток на разных ступенях выбирается оптимальным. Недостатки дисковых роторов:

— малая изгибная и крутильная жесткость. Для ее увеличения вал необходимо выполнять значительного диаметра, а, следовательно, увеличивать толщину ступиц дисков и утяжелять конструкцию ротора в целом;

— вследствие малой жесткости повышенная склонность к возбуждению колебаний дисков.

— меньшая, чем у барабана, жесткость конструкции требует обязательного применения двух опор для ротора компрессора.

Ротор смешанного или барабанно-дискового типа

Ротор смешанного или барабанно-дискового типа (рис. 3.31) имеет в своей конструкции и диски, и барабанные участки и поэтому сочетает достоинства двух рассмотренных выше типов роторов. Ротор смешанного типа состоит из отдельных секций, включающих в себя либо диск с развитым цилиндрическим (или коническим) буртом (рис. 3.31, поз. 1), выполненным совместно с диском, либо диск и отдельную кольцевую проставку, передающую крутящий момент. Секции соединяются между собой, и бурты или проставки образуют барабан. К передним и задним дискам крепятся цапфы. Для получения высокой жесткости, надежной передачи крутящего момента и центровки целесообразно применять диски с буртами, которые следует располагать на возможно большем радиусе. Однако использование подобных секций существенно усложняет производство. Кроме того, кольцевые бурты дополнительно нагружают диски. Для устранения этого недостатка место расположения буртов определяется из условия равенства радиальных деформаций диска и бурта, что позволяет их взаимно разгрузить.

Ротор, состоящий из дисков и кольцевых проставок, проще в изготовлении, но имеет большое число разъёмов, что снижает его жесткость и увеличивает массу по сравнению с ротором, использующим диски с буртами.

Рис. 3.31. Ротор барабанно-дискового типа: 1 — развитой бурт; 2 — рабочая лопатка; 3 —- радиальный штифт; 4 — диск.

Соединение секций в роторах смешанного типа довольно разнообразно. Все типы роторов можно разделить на два класса — разъемные и неразъемные (в условиях эксплуатации и эксплуатационного ремонта).

В неразъемных роторах секции соединяются при помощи радиальных штифтов 3 и натяга (см. рис, 3.31) и методом сварки.

Разъемные роторы отличаются конструктивным выполнением соединения секций и передачи крутящего момента от ступени к ступени. Наиболее часто используются соединения при помощи призонных болтов и торцевых шлиц со стяжным болтом (болтами).

В роторах с первым типом соединения передача крутящего момента и центровка осуществляются призонными болтами.

Видео:Все о компрессорахСкачать

Вопрос № 5. Роторы осевых компрессоров.

По конструктивному исполнению роторы осевых компрессоров могут быть следующих типов:

Рис. 12. Типы роторов осевых компрессоров:

а — барабанный; б — дисковый; в — смешанный (барабанно-дисковый);

1 — рабочая лопатка; 2 — барабан компрессора; 3 — крышки барабана с цапфами опор;

4 – подшипник, 5- диск; 6 — вал; 7 — барабанные секции.

Схема ротора барабанного типа показана на рис. 12, а.

Несколько рядов рабочих лопаток 1 закрепляются на цилиндрическом или коническом барабане 2, представляющем собой механически обработанную поковку из алюминиевого сплава, титана или стали. Две крышки 3 закрывают барабан с торцев и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники 4.

Крутящий момент к каждой ступени передается через стенку барабана.

Достоинствами ротора барабанного типа являются:

— большая изгибная жесткость;

— высокая критическая частота вращения;

— высокая вибрационная стойкость.

К недостаткам ротора барабанного типа следует отнести:

Читайте также: Мини компрессор ресивер аэрограф

— сравнительно невысокую несущую способность барабана;

— низкую рабочую окружную скорость

Ротор дискового типа (см. рис. 12, б) имеет соединенные с валом 6 диски 5, на периферии которых крепятся рабочие лопатки 1. Диски стянуты в единый пакет гайками, которые накручены на вал.

Достоинствами ротора дискового типа являются:

— большая несущая способность дисков;

— высокая рабочая окружная скорость — до 400 м/с.

Ступени компрессора с дисковыми роторами являются высоконапорными и применяются в ГТД с большими степенями повышения давления воздуха. Крутящий момент к каждой ступени передается через вал.

Недостатками ротора дискового типа являются:

— сравнительно небольшая изгибная жесткость;

— невысокая критическая частота вращения;

Снижение изгибной жесткости ротора дискового типа в сравнении с ротором барабанного типа приводит к снижению критической частоты. Для повышения критического числа оборотов увеличивают потребное сечение вала ротора, но при этом увеличивается и масса компресcopa. Конструкцией, сочетающей в себе достоинства роторов барабанного и дискового типа, является ротор смешанного типа (см. рис. 12, в). В данном случае отдельные секции, имеющие диски 5 и барабанные секции 7, соединяются между собой. Причем соединение делается на таком радиусе, где окружная скорость невелика и допускается по условиям прочности барабана.

Достоинствами ротора барабанно-дискового типа являются:

— сравнительно большая жесткость;

— высокая критическая частота вращения;

— большая несущая способность дисков;

— высокая рабочая окружная скорость — до 400 м/с.

Корпус компрессора является силовой частью двигателя, к нему крепятся спрямляющие аппараты.

На корпус компрессора при работе двигателя действуют газовые силы и моменты. Схема сил и моментов, действующих на корпус, показана на рис. 13.

На лопатках спрямляющего аппарата возникают осевая F_a и окружная F_u газовые силы. Осевая сила передается лопатками СА на корпус. Эпюра этих сил обозначена цифрой 2. Кроме того, в результате разности давления внутри корпуса и давления окружающей среды возникают радиальные силы F_r, эпюры которых показаны на рис. 13 (позиции 1, 4).

Рисунок 13. Силы и моменты, действующие на корпус компрессора.

Рабочие лопатки предназначены для подвода механической энергии к воздуху в ступени осевого компрессора.

Рабочая лопатка (рис. 14) состоит из профильной части (пера 1 лопатки) и замка лопатки (хвостовика или ножки 2).

Профильная часть подвергается крутке, т. е. в каждом поперечном сечении лопатки профили располагаются под различным углом 6 к осевому направлению воздушного потока. Это обеспечивает безударный вход воздуха по высоте лопатки на расчетном режиме и уменьшает перетекание воздуха вдоль лопаток.

1. Основы конструкции авиационных двигателей. А.М. Кабаков, А.П. Полторак, П.И. Свистунов, И.А. Третьяченко. Москва, Воениздат, 1967г.

Видео:Как работаетй осевой компрессор или вентиляторСкачать

Общее устройство и принцип действия ГТД и его составных частей

Рассмотрим принцип работы газотурбинного двигателя (рис. 41 – 43).

Компрессор через входной патрубок всасывает воздух и сжимает его до определенного давления. Воздух с повышенным давлением поступает в камеру сгорания, куда через форсунку непрерывно подается топливо. Топливо в камере сгорания перемешивается с воздухом и сгорает при практически постоянном давлении. При сгорании топлива образуются горячие газы, которые направляются в проточные части газовых турбин. В газовых турбинах энергия продуктов сгорания преобразуется в направляющих лопатках в кинетическую энергию потока газа (газ разгоняется до больших скоростей), а затем кинетическая энергия газа преобразуется в рабочих лопатках в механическую энергию вращения ротора. Турбина приводит во вращение компрессор, находящийся с ней на одном валу. Если в двигателе конструктивно выполнено несколько турбин и компрессоров, то привод каждого компрессора осуществляется от своей турбины. На движитель судна мощность передается через вал отбора мощности, связанный механически с одной из турбин. Турбина, передающая мощность на движитель, может одновременно использоваться для привода одного из компрессоров, либо устанавливаться отдельно и не быть связанной механически с турбинами компрессоров. Так как частоты вращения роторов газотурбинных двигателей достаточно велики и достигают от 5000 до 18000 об/мин, обязательным элементом ГТД является редуктор, понижающий частоту вращения вала двигателя до оптимальной частоты вращения гребного вала.

Продукты сгорания, отдав часть своей энергии в турбинах, направляются в газовыхлопное устройство, откуда могут поступать: в регенератор, осуществляющий предварительный подогрев воздуха перед подачей его в камеры сгорания; в различные теплообменные аппараты (утилизационные паровые котлы и т.д.); либо сразу выбрасываться в атмосферу.

Часть мощности, вырабатываемой газотурбинным двигателем, передается вспомогательным механизмам газотурбинной установки (топливным, масляным насосам, насосам системы охлаждения и т.д.). Привод вспомогательных механизмов осуществляется, как правило, от ротора одного из компрессоров через механическую передачу (коробку приводов).

Компрессором называется машина, предназначенная для преобразования механической энергии двигателя в полезную потенциальную и кинетическую энергию газа.

В судовых ГТД используются компрессоры с динамическим принципом сжатия воздуха – центробежные и осевые. Принцип действия компрессоров динамического типа противоположен принципу действия турбины. Как и в турбине, в таких компрессорах происходит двойное преобразование энергии: сначала в рабочих лопатках компрессора механическая энергия вращения ротора преобразуется в кинетическую энергию движения воздуха (газа), а затем кинетическая энергия воздуха в направляющих лопатках (при торможении потока) преобразуется в потенциальную энергию давления.

Центробежные компрессоры (рис. 44) обычно применяются во вспомогательных ГТД, в последней ступени сжатия осецентробежных компрессоров главных ГТД, и в качестве наддувочных компрессоров дизельных двигателей.

Воздух поступает во входной канал компрессора и через входной направляющий аппарат – на рабочие лопатки. При вращении рабочего колеса и воздействии рабочих лопаток воздух вовлекается во вращательное движение, и под действием центробежной силы перемещается от центра к периферии колеса. При этом повышаются его давление и кинетическая энергия, которая в значительной мере преобразуется в потенциальную в направляющих лопатках. Безлопаточный диффузор служит для выравнивания поля скоростей потока. В улиточном диффузоре поток воздуха окончательно формируется и приобретает дополнительную потенциальную энергию за счет торможения.

Преимуществами центробежных компрессоров являются:

возможность создания высоких степеней сжатия – π _К в одной ступени (значение π К может достигать 5);
простота устройства и надежность эксплуатации;
малые осевые размеры и масса;
широкий диапазон устойчивой работы;
малые изменения КПД на нерасчетных режимах.

К недостаткам центробежных компрессоров относятся:

более низкий (по сравнению с осевыми) КПД на расчетных режимах;
большие радиальные размеры;
сложность осуществления многоступенчатого сжатия.

Основным типом компрессоров, применяемых в судовых ГТД, являются осевые компрессоры (рис. 45). Аэродинамический тракт осевого компрессора состоит из входного устройства, проточной части и выходного устройства.

Входное устройство , включающее воздухозаборник, передний обтекатель, силовые стойки и входной направляющий аппарат, предназначено для формирования потока воздуха с целью оптимального входа его на рабочие лопатки первой ступени. Выходное устройство, включающее спрямляющий аппарат, силовые стойки и выходной кольцевой диффузор, обеспечивает придание потоку воздуха требуемого направления движения и повышение давления воздуха за счет его торможения.

В проточной части компрессора происходит рабочий процесс преобразования механической энергии ротора в потенциальную энергию сжатого воздуха. Поток воздуха входным направляющим аппаратом направляется на первый ряд рабочих лопаток. В процессе взаимодействия вращающихся рабочих лопаток с потоком воздуха часть механической энергии расходуется на повышение давления воздуха, а часть – на увеличение его кинетической энергии. В направляющем аппарате происходит дальнейшее повышение давления воздуха за счет торможения потока и направление его под оптимальным углом на рабочие лопатки следующей ступени.

После прохождения через направляющие лопатки последней ступени компрессора, потоку воздуха придается осевое направление с помощью лопаток выходного спрямляющего аппарата и обеспечивается торможение потока (увеличение потенциальной энергии) в выходном диффузоре.

Ротор осевого компрессора может выполняться барабанным, дисковым или смешанного типа. В судовых ГТД чаще всего применяются компрессоры с роторами смешанного типа, сочетающие в себе простоту конструкции, изготовления и высокую поперечную жесткость барабанного ротора и высокую прочность дискового ротора.

Статор компрессора представляет собой полый цилиндр или усеченный конус, внутри которого размещаются направляющие лопатки. С торцов к статору крепятся корпуса переднего и заднего подшипников. Статор может выполняться неразъемным и разъемным. В разъемный статор ротор устанавливается целиком собранным и отбалансированным. В неразъемный статор направляющие лопатки и ротор заводят с торца. Для обеспечения равномерной жесткости наружная часть статора выполняется оребренной.

Читайте также: Компрессор поршневой воздушный двухцилиндровый ременной

Подшипники крепятся к статору через радиальные связи, роль которых часто выполняют лопатки направляющего аппарата и силовые стойки.

Направляющие лопатки располагают внутри статора консольно или с двусторонним креплением. Обычно они соединяются в полукольца, которые крепятся винтами к корпусу статора.

Рабочие лопатки осевого компрессора являются одним из самых нагруженных элементов ГТД. Они выполняются с высокой степенью точности и с минимальной шероховатостью. Крепятся рабочие лопатки к ротору чаще всего трапециевидным пазом типа «ласточкин хвост», либо креплением елочного типа.

С целью предотвращения перетекания воздуха помимо рабочих и направляющих лопаток, зазоры между рабочей лопаткой и статором и между направляющей лопаткой и ротором делаются минимальными. Обычно радиальные зазоры в осевых компрессорах составляют от 1,35 до 2,92 мм.

С целью уменьшения протечек воздуха между ступенями компрессора и из пространства за последней ступенью применяются уплотнения. Уплотнения, располагаемые между ступенями компрессора, называют промежуточными (внутренними), за последней ступенью – концевыми. Наиболее часто в осевых компрессорах применяют лабиринтовые уплотнения (рис. 46).

Принцип работы лабиринтового уплотнения основан на последовательном расположении по ходу движения воздуха (или другой газообразной среды) узких щелей, в которых происходит процесс разгона потока и дросселирования (потери давления), и расширительных камер, в которых происходит завихрение потока воздуха и потеря им скорости и энергии. Чем большие перепады давлений должно удерживать уплотнение, тем большее количество уплотнительных гребней оно содержит. Для дозвуковых компрессоров в промежуточных уплотнениях размещают от 3 до 5 уплотнительных гребней, в концевых – от 10 до 12 уплотнительных гребней.

Самым эффективным является уплотнение 46.г, но оно наиболее сложно в изготовлении и при сборке. Наихудшим по своим свойствам является уплотнение 46.а; при гладком вале хорошие уплотнительные свойства имеет уплотнение 46.б.

Подшипники компрессора предназначены для восприятия радиальных и осевых нагрузок ротора. Как правило в компрессорах ГТД применяются шарикоподшипники – для восприятия осевых и радиальных нагрузок, и роликовые – для восприятия радиальных нагрузок. Находят также применение и подшипники скольжения.

В связи с экстремальными условиями работы (частоты вращения роторов ГТД составляют от 5000 до 18000 об/мин, температура подшипников может достигать 180 оС), подшипники ГТД имеют увеличенные радиальные и осевые зазоры. Масляные полости подшипников изолируются от проточной части компрессора лабиринтовыми уплотнениями.

Антипомпажные устройства. Важной особенностью лопаточных компрессоров является наличие зоны неустойчивой работы, в которой возникает явление помпажа – срыва работы осевого компрессора, сопровождающееся обратным током воздуха через проточную часть, резкими колебаниями давлений воздуха и температур в проточной части.

При возникновении помпажа резко снижается производительность осевого компрессора, увеличиваются амплитуды колебаний лопаток (явление флаттера), усиливается вибрация всех деталей ротора.

Основными мероприятиями, направленными на предотвращение возникновения помпажа осевого компрессора являются:

устранение неравномерности потока воздуха на входе в компрессор;
уменьшение воздушных объемов после компрессора;
расположение напорной арматуры как можно ближе к компрессору;
снижение частоты вращения ротора при уменьшении расхода воздуха;
использование в конструкции осевого компрессора специальных антипомпажных устройств.

В качестве антипомпажных устройств в судовых ГТД используются:

поворотные лопатки входного направляющего аппарата или нескольких первых рядов направляющих лопаток. Поворот лопаток осуществляется одновременно на заданный угол с помощью специального кольца на корпусе компрессора и рычажной передачи к каждой направляющей лопатке. Привод поворотного механизма осуществляется пневматическими или гидравлическими сервомоторами;
перепуск воздуха из промежуточных ступеней компрессора в атмосферу. Перепуск воздуха выполняется через специальные окна на корпусе, закрываемые лентой перепуска воздуха, или через специальный клапан. Управление закрытием или открытием органов перепуска воздуха происходит с помощью пневматических сервомоторов по сигналу от датчика оборотов компрессора.

К преимуществам осевых компрессоров относят:

высокие подачи воздуха (до 300000 м 3 /ч);
высокий КПД на расчетных режимах (до 86 ÷ 89 %);
относительно небольшие радиальные размеры.

Недостатками осевых компрессоров являются:

узкий диапазон устойчивой работы;
резкое снижение КПД на нерасчетных режимах работы;
низкая степень сжатия – π _К одной ступени (до 1,35) и, как следствие, необходимость использования многоступенчатых компрессоров;
меньшая надежность по сравнению с другими типами компрессоров.

Камера сгорания предназначена для создания газового потока заданной температуры за счет сжигания органического топлива в среде сжатого воздуха и является одним из основных элементов ГТД. Схематично камера сгорания (рис. 47) представляет собой емкость, куда непрерывно поступают топливо и воздух, и из которой непрерывно отводятся продукты сгорания.

К камерам сгорания ГТД предъявляются следующие требования: высокий КПД, малое гидравлическое сопротивление, малые габариты, надежный пуск, обеспечение устойчивости горения топлива, равномерное распределение поля температур, возможно больший срок службы.

В состав камеры сгорания входят следующие элементы: корпус, диффузор, лопаточный завихритель с размещенной в центре форсункой, жаровая труба, пусковое устройство, включающее в себя пусковую форсунку и воспламенитель.

Воздух, поступающий в камеру сгорания, делится на первичный, направляемый через лопаточный завихритель непосредственно в зону горения (20 ÷ 25 %), и вторичный, обтекающий жаровую трубу снаружи и подмешиваемый к продуктам сгорания (75 ÷ 80 %). Вторичный воздух, обтекая снаружи жаровую трубу, охлаждает ее стенки. Часть вторичного воздуха через мелкие отверстия или кольцевые щели поступает на внутреннюю поверхность жаровой трубы и создает заградительную пленку, остальная часть вторичного воздуха через крупные отверстия или сопла подмешивается к продуктам сгорания в зоне смешения и охлаждает газы до температуры, приемлемой для работы материалов проточной части газовой турбины. Распыливание топлива осуществляется через форсунки таким образом, чтобы конус распыла топлива примыкал к зоне обратных токов газов, поджигался, и частички топлива не попадали на стенки жаровой трубы.

Диффузор предназначен для понижения скорости воздуха, поступающего из компрессора, до 50 ÷ 80 м/с;

Завихритель подает в зону горения жаровой трубы первичный воздух и формирует закрученный поток, способствуя турбулизации потока воздуха и лучшему перемешиванию его с топливом;

Жаровая труба служит для ограничения пламенного пространства КС и восприятия тепловых нагрузок. Выполняется обычно многосекционной. В первых по ходу газа секциях размещаются форсунка и завихритель, последние секции могут иметь смесители и стабилизаторы, обеспечивающие формирование потока газа на выходе.

Форсунка предназначена для непрерывной дозированной подачи распыленного топлива в жаровую трубу КС. Форсунка выполняется в виде сопла с центробежным эффектом закручивания топливной струи для обеспечения мелкодисперсного распыла топлива. Для предохранения сопла форсунки от перегрева на нее одевается колпачок, охлаждаемый потоком первичного воздуха.

Запальное устройство предназначено для зажигания топлива в КС в момент пуска ГТД и представляет собой конструкцию, объединяющую пусковую форсунку и свечу зажигания. Факел пламени пусковой форсунки направлен так, чтобы обеспечить надежное зажигание топлива, подаваемого через основную форсунку камеры сгорания.

Все камеры сгорания, используемые в ГТД, можно классифицировать по следующим признакам:

по направлению подачи топлива:

с подачей топлива в направлении движения потока воздуха;
с подачей топлива против направления движения воздуха;

на индивидуальные или трубчатые – выполняются только выносными; Такие камеры сгорания просты, технологичны, удобны в эксплуатации, обладают малым гидравлическим сопротивлением. В судовых ГТД их применяют в основном во вспомогательных двигателях (газотурбогенераторах – ГТГ);
многотрубчатые или секционные КС (рис. 48.а) – состоят из нескольких трубчатых, расположенных по окружности вокруг вала ГТД. Все камеры идентичны, имеют малые массу и габариты, взаимозаменяемы. Применение такого типа КС усложняет разборку двигателя;
кольцевые КС (рис. 48.б) – характеризуются единым огневым пространством. Жаровая труба имеет вид кольцевой полости с многорегистровым фронтовым устройством (число форсунок 10 и более) и расположена вокруг вала двигателя между наружным и внутренним кожухами. По сравнению с многотрубчатыми КС, такая конструкция имеет меньшие габариты и меньшее гидравлическое сопротивление, создает более равномерное температурное поле, но затрудняет доступ к подшипникам ГТД. Применяются кольцевые КС в основном в ГТД малой мощности;
трубчато-кольцевые КС (рис. 48.в) – состоят из нескольких жаровых труб, размещенных в одном общем кольцевом пространстве, по которому проходит вторичный воздух. Запальные устройства в таких КС устанавливаются только в части жаровых труб. В остальных трубах воспламенение факела осуществляется пламяперебрасывающими патрубками, соединяющими между собой жаровые трубы. Одновременно пламяперебрасывающие патрубки осуществляют выравнивание давлений между отдельными жаровыми трубами. Такие КС более ремонтопригодны и проще в настройке, чем кольцевые. Недостатком их является неравномерность температур и давлений по окружности перед газовой турбиной. Эту конструкцию КС наиболее часто используют в корабельных и судовых ГТД.

Читайте также: Компрессор маз 5440 характеристика

по направлению движения основного потока воздуха:

на прямоточные;
противоточные;
поворотные;

по способу распыла топлива:

на камеры сгорания с распылом топлива под высоким давлением центробежными форсунками;
камеры сгорания с пневмоцентробежными форсунками;
камеры сгорания с распылом топлива под низким давлением с применением испарительного устройства;
камеры сгорания с разбрызгиванием топлива через вращающиеся каналы.

Чаще всего в судовых и корабельных ГТД применяются многотрубчатые и трубчато-кольцевые камеры сгорания. В установке ГТУ-20 (рис. 43) применена индивидуальная камера сгорания.

В настоящее время в главных судовых ГТД применяют исключительно осевые газовые турбины с одной, двумя и большим числом ступеней, с охлаждаемыми и неохлаждаемыми лопатками.

Конструкция элементов газовой турбины вытекает из условий и особенностей ее работы:

высокие начальные температуры газа на входе в ГТ обусловливают применение специальных жаростойких материалов и различных способов интенсивного охлаждения лопаток и дисков турбин;
относительно малые начальные давления газа и незначительное увеличение его объема при расширении приводят к незначительной разнице в высотах лопаток первой и последней ступеней;
незначительные срабатываемые теплоперепады (в 3 ÷ 5 раз меньше, чем у паровых турбин) сокращают число ступеней и длину проточной части газовой турбины;
для получения высокого КПД газовые турбины требуют более тщательного исполнения проточной части и профилирования лопаток, чем паровые турбины;
при разработке конструкции корпусов особое внимание уделяют достижению аэродинамического совершенства входного и выпускного патрубков компрессора и турбины.

Основными элементами газовых турбин являются: ротор, рабочие лопатки, направляющие (сопловые) лопатки, корпус, уплотнения и подшипники.

Ротор газовой турбины может выполняться дискового, барабанного или смешанного типов. Дисковые роторы получили наибольшее распространение и состоят из вала и дисков, с закрепленными на них рабочими лопатками (рис. 49). Соединение дисков с валом в многоступенчатых турбинах может быть разъемным и неразъемным. При неразъемном способе диски напрессованы на вал. Разъемное соединение выполняют в виде шлицевой муфты, стянутой болтами или одним стяжным болтом внутри вала.

При работе газовой турбины все элементы ротора испытывают значительные термические и механические напряжения, вызванные: центробежными силами массы диска и рабочих лопаток; силами газового потока, направленными вдоль оси ГТ; неравномерным распределением температур по радиусу и толщине дисков ГТ. Наибольшие механические напряжения возникают при работе ГТД на номинальном режиме. Термические напряжения достигают максимума при динамических режимах: пуск, остановка, неудавшийся запуск ГТД или изменение режимов его работы.

Рабочие лопатки ГТ (рис. 50) состоят из двух частей: пера и замка. В целях усиления вибропрочности часто применяют рабочие лопатки с бандажными полками, на верхней стороне которых выполняют гребни лабиринтового уплотнения. Лабиринтовое уплотнение снижает протечки газа между ступенями газовой турбины, повышая КПД турбоагрегата. Для обеспечения равнопрочности толщина рабочих лопаток уменьшается от корня к периферии.

Замковая часть рабочей лопатки является самым нагруженным элементом в газовой турбине и выполняется обычно елочного типа. В термодинамических циклах с высокими параметрами газа применяют газоохлаждаемые лопатки.

Сопловые лопатки и корпус ГТ образуют составную конструкцию в виде цилиндра или усеченного конуса. К передней части корпуса с помощью фланца присоединяется корпус камеры сгорания или корпус предыдущей турбины, к заднему фланцу корпуса – корпус следующей турбины или диффузор газовыхлопного устройства.

К внутренней части корпуса турбины прикреплены наружные корпуса сопловых аппаратов. Сопловые лопатки шире рабочих и их число выбирается равным или кратным числу рабочих лопаток, чтобы исключить возможные резонансные колебания рабочих лопаток турбины.

Корпус газовой турбины представляет собой цилиндрическую или коническую конструкцию и имеет оребрение для повышения жесткости при неравномерном нагреве и исключения коробления. При работе ГТД внутренняя часть корпуса нагревается до 700 ÷ 800 оС, а наружная обдувается охлаждающим воздухом, поэтому в корпусе возникают большие термические напряжения. Часто с целью удобства монтажа и выполнения работ с элементами проточной части корпуса выполняются разъемными.

Уплотнения в газовых турбинах служат для уменьшения перетекания газа через радиальные зазоры направляющих и рабочих лопаток а также снижения утечки газа из проточной части и охлаждающего воздуха из каналов охлаждения. Обычно в газовых турбинах применяются лабиринтовые и сотовые уплотнения. Лабиринтовые уплотнения турбин по строению и принципу действия аналогичны уплотнениям компрессоров.

Сотовые уплотнения (рис. 51) представляют собой ячеистую конструкцию, выполненную из тонких пластин. Такая конструкция уплотнений имеет высокий уплотняющий эффект и позволяет выполнять беззазорную сборку турбин. Благодаря тонким стенкам ячеек, рабочие лопатки при вращении очень легко прирабатываются к уплотнениям. При этом между ячейками уплотнения и рабочими лопатками обеспечивается зазор ок. 0,2 мм. Часто для повышения качества уплотнения применяется подпор уплотнений воздухом, подводимым от одной из ступеней компрессора и отвод (отсос) газов, прошедших первую группу уплотнений в полость ресивера за газовой турбиной.

Подшипники ГТ работают в очень тяжелых условиях при температуре до 250 °С, что требует подвода значительного количества масла для их охлаждения. Как правило, в ГТД применяются роликовые или шариковые опорные и опорно-упорные подшипники. Для защиты масляных полостей и подшипников от горячих газов применяются несколько рядов лабиринтовых уплотнений.

Теплообменные аппараты применяются в газотурбинных установках, использующих в своей работе сложные циклы: с регенерацией тепла и промежуточным охлаждением воздуха. Как правило, такие циклы ГТУ используются в высокоэкономичных непрямоточных судовых ГТД. Наиболее часто в сложных циклах ГТУ используются регенераторы и воздухоохладители.

Регенератором называется теплообменный аппарат, предназначенный для подогрева сжатого воздуха перед поступлением его в камеру сгорания за счет теплоты уходящих газов. Применение в ГТУ регенераторов значительно повышает экономичность установки в целом.

В судовых ГТУ используются регенераторы поверхностного (рекуперативного) и аккумулирующего (регенеративного) типов.

В рекуперативных регенераторах тепло передается от газа воздуху через разделяющую их стенку. Поверхностные регенераторы исполняются в виде трубчатых и пластинчатых теплообменников.

В трубчатых регенераторах, как правило, внутри трубок протекает воздух, имеющий большее давление, а между трубок – продукты сгорания (отработавшие в газовой турбине газы), имеющие меньшее давление.

Пластинчатыми (рис. 52) называют регенераторы, поверхность теплообмена которых составлена из листов (пластин), разделяющих воздушные и газовые потоки. Поток газа в таких регенераторах направлен перпендикулярно потоку воздуха. Пластинчатые регенераторы более технологичны в изготовлении, компактны и обеспечивают хорошую теплопередачу от газов к воздуху.

В теплоаккумулирующих регенераторах (рис. 53) передача тепла от газа к воздуху происходит на поверхностях, которые периодически омываются горячим газом и холодным воздухом. Обычно используются регенераторы вращающегося и статического типов.

Ротор теплоаккумулирующего регенератора представляет собой полый барабан (диск), заполненный набивкой, в качестве которой могут служить тонкая гофрированная стальная лента, проволочная сетка и другой пористый теплопроводящий материал. Такая набивка образует множество каналов, что позволяет создать огромную поверхность теплообмена при сравнительно небольших размерах самого регенератора. Ротор устанавливается на подшипниках и вращается через редуктор электродвигателем с частотой от 2 до 100 об/мин. При вращении поверхность теплообмена поочередно омывается то горячими газами, то холодным воздухом. В результате этого теплота сначала аккумулируется набивкой, а затем передается нагреваемой среде. Потоки воздуха и газа отделены друг от друга стенкой. Не смотря на специальные уплотнения, при работе вращающихся регенераторов, в них всегда имеют место протечки воздуха в газовый тракт.

Воздухоохладители ГТД (рис. 54), как правило, выполняются в виде трубчатых теплообменников с круглыми или овальными трубками. Причем с овальными трубками они получаются более компактными и легкими. Расположение трубок может быть как шахматным, так и коридорным. В качестве охлаждающей среды используется забортная вода системы охлаждения, которая протекает внутри трубок. Снаружи трубки обдуваются охлаждаемым воздухом, направляемым (в случае применения овальных трубок) вдоль большой оси эллипса.