Радиальные зазоры в турбинах

Радиальные зазоры между ротором и статором турбины не обходимы для идеальной работы и оказывают значительное влияние на ее эффективность, это влияние увеличивается при увеличении радиального зазора, величина радиального зазора оказывает большое влияние на КПД турбины, т.к. протекающий через радиальный зазор рабочее тело не вносит своего вклада в мощность турбины, т.е. энергия газового потока не превращается в полезную работу турбины. Величина утечек достаточно точно определяется по формулам, обобщающим многочисленные экспериментальные исследования. Изменение радиальных зазоров в турбине происходит вследствие износа, т.е. рабочий зазор увеличивается, что приводит к снижению КПД. Чаще всего износ бывает местным из за не идеальной формы лопаток или корпуса. Основными причинами износа рабочей лопатки является трение, т.е. врезание в корпус и эрозионный износ. Эрозионный износ в процессе эксплуатации – это главная причина, неконтролируемого увеличения радиального зазора, изменение радиального зазора происходит в зависимости от скорости нагрева детали турбины. Более массивные детали нагреваются и остывают медленнее, а детали с меньшей массой быстрее, это изменение размеров деталей вызвано в основном влиянием температуры. Корпус турбины быстро реагирует на изменение режима двигателя, т.е. быстро изменяет свою температуру. Ротор более массивный, поэтому его тепловая инерционность существенно выше. Поэтому при увеличении частоты вращения ротор нагревается медленнее, радиальный зазор увеличивается, а при уменьшении частоты вращения статор остывает быстрее - радиальный зазор уменьшается. Процесс увеличения и уменьшения зазора зависит от скорости изменения частоты вращения, и соотношения тепловой инерционности ротора и корпуса

(тема пропущенная)

Локальная приработка мягкого керамического материала позволяет сохранить торец рабочей лопатки и соответственно радиальный зазор хвостальной части раб. колеса. Сохранение величины радиального зазора при эксплуатации наиболее важную роль играет предотвращение эрозии, окисление и коррозии торцевой поверхности рабочей лопатки первой ступени ТВД и корпусных вставок над ней. Главную роль в этом процессе играет применение пленочного охлаждения торца и вставок и изготовление лопаток из монокристаллического литья. Монокристаллический материал обладает существенно более высокой устойчивостью к высокотемпературному окислению и коррозии. Задача выбора радиального зазора решается при проектировании турбины и системы активного управления радиальным зазором. В начале устанавливается минимально необходимый радиальный зазор, который обеспечивает возможность сборки и работоспособность конструкции на режимах малого газа, взлетном и крейсерском режимах. После проектирования ротора, корпуса и системы управления радиальным зазором оптимизируется системой охлаждения ротора и корпуса. Конструктивные особенности материала систем охлаждения ротора и корпуса определяет скорость и величину изменения размеров ротора и корпуса, итогом расчета является величина радиального зазора в холодном состоянии для сборки и Оптимальный вариант управления радиальным зазором. Выбор минимального необходимого радиального зазора производится в следующем порядке: в начале определяется минимальный радиальный зазор, обеспечивающий исключения врезания роторных деталей в корпус; на следующей стадии врезания ротора в сотовые уплотнения или в прирабатываемые вставки может быть признан допустимым и даже не обходимым после детального моделирования радиальных зазоров в рабочем цикле, минимальный необходимый зазор определяется отдельно для трех основных режимов работы двигателя(малого газа, взлетного и крейсерского). Величина минимального зазора должна учитывать следующий фактор: производственные допуски на изготовление деталей турбины и отклонения от идеального круга ротора, поэтому изменения зазоров по этой причине может составить 0, 15мм-0, 4мм.

Меньшая величина относится к ТВД, большая к ТНД он обеспечивает сборку конструкции. Изгиб ротора при работе за счет минимальных значений дисбаланса, изменении зазоров по этой причине может составить 0, 05-0, 15мм. Маневренные нагрузки на корпуса и ротора, которые приводят к деформации деталей требует дополнительного зазора, необходимого для совместной работы деталей в двигателе, этот дополнительный зазор достигают на взлетном режиме 0, 05-0, 1 мм. На крейсерском режиме в несколько раз меньше, а на малом газе обычно зазоры не учитываются. При выборе зазоров необходимо предусмотреть возможность запуска двигателя через 1-2 часа после выключения, с учетом эффекта термического изгиба ротора. Термический изгиб ротора возникает из-за накапливания в верхней части турбины тепла. Поэтому термический изгиб ротора может привести к временному заклиниванию роторов двигателя на несколько часов примерно через час после выключения, для исключения эффекта термического изгиба может потребоваться дополнительное увеличение радиального зазора на 0.5мм и более. Это увеличение необходимо для работы двигателя на режиме малого газа.

Оптимизация изменения радиального зазора в рабочем цикле. Рабочий цикл двигателя это основные рабочие режимы и типовые переходные процессы, которые определяют рабочие условия, в которых должны обеспечиваться радиальные зазоры. Необходимо отметить что в основных стационарных режимах работы достаточно иметь достоверные значения размеров ротора и статора, однако, для определения радиального перемещения ротора и статора на переходных режимах работы необходимо произвести осесимметричное моделирование, меняющегося теплового состояния ротора и статора. Для определения условий работы системы управления зазорами, как показывает практика эксплуатации минимальные радиальные зазоры в переходных процессах обычно возникает на режиме взлета и при снижении частоты вращения до режима малого газа, поэтому результаты моделирования зазора позволяет исключить задевание рабочей лопатки за корпус в обоих опасных случаях. Недостатком результатов, полученных при моделировании можно считать несколько увеличенный радиальный зазор на взлетном режиме, но не продолжительность взлетного режима и уменьшенный риск врезания делают результат вполне приемлемым.

Устройство стабилизации радиальных зазоров двигателя АЛ-31Ф. Это устройство предназначено для повышения кпд турбины на повешенных режимах работы, устройство представляет собой кольцо, тепловое состояние которого, стабилизировано охлаждением. На кольце закреплены вставки с сотами, в окружном направлении эти вставки фиксируются радиальными штифтами. При касании лопаток происходит износ вставок, это предотвращает износ лопаток. В полость над вставками через жиклёр подается охлаждающий воздух, который выходит в газовый тракт турбины через зазоры, таким образом происходит охлаждение вставок.