Вертолетный газотурбинный двигатель (ТВаД) имеет две кинематически не связанные между собой газовые турбины: турбину компрессора и свободную турбину (рис.1). Газовая турбина представляет собой лопаточную машину, в которой энергия сжатого и нагретого газа и преобразуется в механическую работу на ее валу. Рабочий газ на турбину поступает из камеры сгорания. Направление движения газа в турбинах существующих двигателей ориентировано, в основном, по оси двигателя, поэтому такие турбины называются осевыми.
Мощность, экономичность и надежность работы газотурбинного двигателя в значительной степени определяется совершенством конструкции и рабочего процесса турбины. Поэтому к турбинам предъявляются ряд требований, основными из которых являются:
1. Газовая турбина должна иметь большую долговечность и надежность, что обеспечивается: высоким качеством применяемых материалов и тщательным контролем за состоянием основных элементов турбины в эксплуатации; применением специальной системы охлаждения, обеспечивающей отвод тепла от самых нагруженных узлов турбины; точным выполнением требований инструкций по летной и технической эксплуатации двигателя.
2. Газовая турбина должна иметь высокий коэффициент полезного действия. С увеличением КПД турбины, увеличивается работа расширения газа, которая преобразуется в механическую работу и используется для вращения компрессора, несущего, рулевого винтов и вспомогательных агрегатов. Это приводит к уменьшению удельного расхода топлива и удельной массы двигателя. Увеличение КПД турбины достигается: оптимальным выбором числа ступеней турбины компрессора и свободной турбины; уменьшением потерь на трение и предотвращением срыва потока путем тщательной обработки профилей лопаток; уменьшением потерь на перетекание рабочего газа по радиальным зазорам.
3. Газовая турбина должна развивать большую мощность при минимальной массе и габаритах. Мощность турбин современного ГТД достигает 10000 л. с. (7350 кВт) и более. Масса турбин составляет 25—35% массы всего двигателя.
Увеличение мощности турбин обеспечивается: увеличением температуры газов перед турбиной достигающей для современных ГТД 1600 К; применением специальных жаропрочных и жаростойких материалов для изготовления основных высоконагруженных узлов турбин; оптимизацией рабочего процесса расширения газа в турбине.
4. Газовая турбина должна обладать хорошей технологичностью конструкции, обеспечивающей простоту технического обслуживания и эксплуатации.
Рис. 1. Схема турбин и выходного устройства ТВаД:
1— турбина компрессора; 2— свободная турбина; 3— выходное устройство; 4— вал отбора мощности; 5,7— рабочие колеса свободной турбины; 6,8— сопловые аппараты свободной турбины, 9,11— рабочие колеса турбины компрессора; 10,12—сопловые аппараты турбины компрессора
Осевая турбина состоит из неподвижных рядов лопаток (рис.1), образующих сопловые аппараты, и вращающихся дисков с закрепленными на них рабочими лопатками — рабочих колес. Совокупность соплового аппарата и расположенного за ним рабочего колеса называется ступенью газовой турбины (рис.2). Сопловой аппарат (СА) предназначен для разгона и подвода потока газа под определенным углом к лопаткам рабочих колес. В рабочем колесе (РК) происходит отвод энергии от газового потока. При взаимодействии газового потока с лопатками РК образуются силы, создающие крутящий момент на валу турбины.
Расширение газов в турбине происходит при более высокой температуре, чем сжатие в компрессоре, поэтому в одной ступени турбины может быть получена большая работа расширения, чем работа сжатия, сообщаемая в ступени осевого компрессора. Вследствие этого турбины выполняются с меньшим числом ступеней, чем компрессоры.
В турбинах существующих ТВаД газ проходит через несколько последовательно расположенных ступеней. В каждой из них осуществляется преобразование энергии газа в механическую работу. Поэтому для понимания принципа работы турбины в целом необходимо изучить принцип работы одной ее ступени.
