Устройство турбореактивного двигателя - часть 9

Степень реактивности - это отношение перепада температур, используемого в кана-

лах  колеса,  к  полному  перепаду  температур,  используемому  всей  турбиной  в  сопловом 
аппарате и в каналах рабочего колеса (рис. 31). 

Степень реактивности (в процентах) приближенно определяется по уравнению: 
 
 

%

100

4

3

4

×

−

−

=

Т

Т

Т

Т

а

ρ

 
где Т

а

 — температура газа за сопловым аппаратом; Т

4

 — температура газа за колесом 

турбины; Т

3

 — температура газа перед сопловым аппаратом турбины. 

В турбинах турбореактивных двигателей степень реактивности по среднему радиусу 

лежит в пределах ρ = 30— 45%. 

Турбины, имеющие реактивность до 20%, все же называют активными. 

 

КРУЧЕНИЕ ЛОПАТОК 

Реактивные  газовые  турбины  имеют  длинные  крученые,  лопатки,  которые  характе-

ризуются  тем,  что  сечения  их  по  высоте  смещены  (повернуты,  закручены)  друг  относи-
тельно друга. При этом профиль лопаток от сечения к сечению меняется. 

На рис. 32 показаны сечения лопаток соплового аппарата и рабочего колеса на пери-

ферии (у вершины лопаток) — сплошной линией, и у корня — пунктиром. 

При  течении  газа  по  каналам  колеса  у  частиц  газа  возникают  центробежные  силы, 

стремящиеся  переместить  частички  газа  от  корня  лопатки  к  ее  вершине.  Возникает  воз-
можность течения частичек газа по радиусу в зазоре между сопловым аппаратом и рабо-
чим колесом. Это радиальное перетекание газа является дополнительной потерей энергии 
в турбине. 

Для устранения радиального перетекания газов действие центробежных сил уравно-

вешивается разностью давлений газов по высоте лопатки — давление газов увеличивается 
от корня к вершине лопатки. 

 

Рис. 32. Сечение лопаток у корня и к вершины. Рис. 33. Силы, действующие на объ-

ем газа в зазоре турбины. 

На рис. 33 изображен небольшой объем газа, движущегося в зазоре между сопловым 

аппаратом и колесом. На этот объем газа снизу действует давление Р

 и центробежная си-

ла, возникшая от вращения этого объема газа. Чтобы этот объем газа не мог перемещаться 
от корня лопаток к вершине, давление сверху должно быть больше давления снизу. Избы-
ток давления сверху ∆Р

 уравновешивает центробежную силу. 

Увеличение давления по высоте лопатки достигается за счет различного распределе-

ния перепада давлений между сопловым аппаратом и колесом. Общий перепад давления, 
срабатываемый в каждом сечении, остается постоянным по высоте лопаток. 

В корневом сечении турбины примерно треть общего перепада давления срабатыва-

ется в каналах соплового аппарата, а остальная часть перепада давления в каналах рабо-
чего колеса. 

Изменяя профиль лопаток по высоте и поворачивая профили друг относительно дру-

га (закручивая лопатку), изменяют форму каналов между лопатками соплового аппарата и 
рабочего колеса. Этим изменением формы каналов по высоте добиваются того, что доля 
перепада давления, срабатываемого в сопловом аппарате, уменьшается. 

Следовательно,  изменением  формы  каналов  по  высоте  добиваются  того,  что  газы, 

выходящие из соплового аппарата, имеют большее давление у вершины и меньшее у кор-
ня лопаток. 

Увеличение давления газов в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом 

и  соответствующее  этому  увеличению  уменьшение  скорости  течения  газов  показаны  на  
рис. 34. Это увеличение давления достигнуто за счет круче

 

ния (крутки) лопаток соплово-

го аппарата; оно предохраняет газы от перетекания в радиальном направлении в зазоре. 

 

Рис. 34. Изменение скорости и давления газов по высоте лопаток турбины 

Круткой рабочих лопаток добиваются того, что в каналах рабочего колеса срабаты-

вается оставшаяся доля перепада давления после соплового аппарата, поэтому давление за 
рабочим колесом по высоте лопаток остается постоянным. 

Примерное  изменение  параметров  газа  в  реактивной  турбине  (на  среднем  радиусе) 

показано на рис. 35. 

 

Рис. 35. Изменение параметров газа в элементах газовой турбины 

 

ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА 

Для  получения  хорошей  экономичности  турбореактивные  двигателей  приходится 

применять компрессоры, имеющие высокие степени сжатия. 

Давление воздуха, создаваемое таким компрессором, на Земле составляет 7 - 8 

кг/см

2

. 

Преобразовать  это  давление  в  механическую  работу  в  одноступенчатой  турбине  очень 
трудно, так как эта турбина может использовать давление только 5 - 6 

кг/см

2

 с допусти-

мыми потерями. 

Для возможности использования всего давления, создаваемого   современными   осе-

выми   компрессорами, применяются двухступенчатые газовые турбины. Двухступенчатая 
турбина имеет последовательно чередующиеся два сопловых аппарата и два ряда рабочих 
лопаток. 

Двухступенчатая турбина имеет следующие преимущества перед одноступенчатой: 
- позволяет преобразовывать в механическую работу более высокие перепады давле-

ний;  в  каждой  ступени  используется  меньший  перепад  давления  и  температур;  следова-
тельно, скорости течения газов будут меньшие, благодаря этому потери в турбине умень-

шаются и коэффициент полезного действия двухступенчатой турбины будет более высо-
ким; 

- небольшие перепады давлений в ступенях позволяют применить сужающиеся кана-

лы  сопловых  аппаратов,  которые  вполне  удовлетворительно  работают  на  всех  режимах 
(числах оборотов) двигателя. 

К недостаткам двухступенчатых турбин относятся: 
- конструктивная сложность и большой вес; 
-  первая  ступень  работает  при  более  высоких  температурах,  нежели  последующие, 

поэтому требуется надежное охлаждение ее, что увеличивает потери тепла; 

- большая сложность в производстве. 
На  рис. 36 показана  схема  двухступенчатой  осевой  реактивной  газовой  турбины  и 

графики изменения давления, температуры и скорости газов в ее элементах. 

Поток газа, пройдя через сопловой аппарат первой ступени, за счет понижения дав-

ления и температуры разгоняется - увеличивается его абсолютная скорость движения. 

На рабочих лопатках первой ступени вследствие уменьшения абсолютной скорости 

движения  газа,  падения  его  давления  и  температуры  возникает  окружное  усилие,  вра-
щающее колесо. 

В сопловом аппарате второй ступени продолжается падение давления и температуры 

и происходит вторичный разгон потока газа. Полученная скорость используется в рабочих 
лопатках второй ступени, где за счет ее уменьшения и дальнейшего падения давления и  
температуры  тоже возникает окружное усилие. 

В двухступенчатой реактивной турбине падение давления и температуры газа, при-

ходящееся  на  каждую  ступень,  значительно  меньше,  чем  в

  ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ

  турбине. 

Поэтому потери энергии в ней имеют сравнительно небольшую величиy. 

 

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЛОПАТКИ КОЛЕСА 

Лопатки колеса турбины работают в очень тяжелых успениях. 
Обычно турбины турбореактивных двигателей имеют большую скорость вращения - 

на некоторых двигателях она превышает 15000 

об/мин. 

B  результате  вращения  в  каждой  лопатке  возникает  центробежная  сила,  которая 

стремится  вырвать  лопатку  из  диска  (рис. 37). Величина центробежной силы, действую-
щей на каждую лопатку, достигает 10000- 12000 

кг. 

Кроме этой силы, на каждую лопатку действует окружное усилие (40—50 

кг), стре-

мящееся изогнуть лопатку в сторону вращения, и осевое усилие (15—25 кг), стремящееся 
изогнуть лопатку по движению потока газов. 

Лопатка колеса двигается в потоке газа, вытекающего из соплового аппарата. В связи 

с этим она испытывает переменные нагрузки от струек газа. Так, когда лопатка колеса на-
ходится против канала, то на нее действуют полное давление газа и вся величина скорост-
ной  энергии  газа;  когда  лопатка  колеса  проходит  за  лопаткой  соплового  аппарата,  то  на 
нее действуют меньшее давление и скорость.  

Эти изменения давления и скорости вызывают колебания лопатки и дополнительные 

напряжения в ней. 

Так как лопатка работает в потоке горячих газов, то к материалу, из которого она из-

готовлена, предъявляется требование жаропрочности, т. е. способности выдерживать дли-
тельное время нагрузки при высоких температурах.