В продолжение нашей первой статьи о истории реактивных двигателей мы расскажем о принципах работы и устройстве различных типов турбин, а также о том, как они используются в современной авиации.
Турбина — это машина для непрерывного производства энергии, в которой колесо или ротор с лопастями приводится во вращение потоком воды, пара, газа или ветра. Турбины являются одним из видов турбомашин, к которым также относят и компрессоры.
Турбомашины часто используются в автомобилестроении (турбокомпрессоры), аэрокосмической отрасли (турбины летательных аппаратов), энергетике (газовые и паровые турбины).
В зависимости от направления потока турбины можно разделить на радиальные, осевые и диагональные, а рабочее тело определяет тип турбины. Четыре основных типа — паровые, газовые, водяные и ветровые турбины.
В осевой турбине рабочее тело течет параллельно оси вращения вала и преобразует энергию рабочего тела в механическую энергию вращения. В радиальной турбине поток направлен перпендикулярно оси вращения и приводит турбину в движение подобно тому, как вода приводит в движение колесо водяной мельницы. В результате снижается механическая нагрузка (и тепловая нагрузка в случае горячих рабочих тел), что позволяет радиальной турбине быть более простой, надежной и эффективной по сравнению с осевой турбиной в аналогичном диапазоне мощностей.
Диагональные турбины объединяют черты осевых и радиальных — поток рабочего тела проходит частично в осевом, частично в радиальном направлении.
Осевые турбины и компрессоры состоят из нескольких ступеней. Ступени представляют собой пару «вращающаяся лопатка-неподвижная направляющая лопасть». Лопатки соединены с ротором, а лопасти — с отливкой (корпусом). Основная функция вращающихся лопаток — обеспечивать передачу энергии между рабочим телом и ротором. Лопасти, в свою очередь, перенаправляют поток рабочего тела к следующей ступени. В результате направленный поток рабочего тела протекает через турбину/компрессор для передачи максимального количества энергии.
Осевые турбины и осевые компрессоры — это типы турбомашин, работающих по одному принципу, но в разных направлениях. Через турбину подается рабочее тело большой температуры и давления, которое передает свою энергию лопаткам ступень за ступенью. Проходящее через ступень рабочее тело охлаждается и расширяется, в результате чего лопатки и лопасти увеличиваются в размерах вдоль осевого пути потока рабочего тела. Энергия передается лопастям и, таким образом, ротору, чтобы в конечном итоге привести в движение другую машину. Например, при производстве электроэнергии на электростанциях турбина подключается к генератору для выработки электричества. Компрессор работает в обратном направлении и приводится в действие двигателем. Воздух всасывается вращающимися лопастями и прогоняется через компрессор. Каждая следующая ступень компрессора немного меньше предыдущей, благодаря чему рабочее тело получает больше энергии и сжимается.
В авиационных двигателях есть и компрессор, и турбина, а между ними находится камера сгорания. Воздух поступает в компрессор, сжимается, поступает в камеру сгорания, смешивается с топливом, сгорает, и в результате истечения из сопла горячего газа возникает тяга. За камерой сгорания перед соплом располагается турбина. Она приводится в действие потоком выхлопных газов. Крыльчатка турбины соединена с компрессором валом и таким образом действует как механический двигатель, приводящий компрессор в движение. Однако основная энергия горячих выхлопных газов используется для создания тяги за счет увеличения скорости их прохождения через сопло.
Этот принцип также используется в турбореактивных/реактивных двигателях - простейших типах авиационных газовых турбин.
Турбовентиляторные газотурбинные двигатели - самый распространенный тип газотурбинных двигателей, используемых в самолетах сегодня. Принцип работы тот же, но задействованы дополнительные элементы - имеется вентилятор и два контура воздушного потока вместо одного, которые еще больше повышают эффективность и стабильность работы двигателя.
Турбовальные двигатели широко используются в системах, требующих стабильно высокой мощности, высокой надежности, небольших размеров и веса. Они находят применение в вертолетах, вспомогательных силовых установках, катерах и кораблях, танках, судах на воздушной подушке и стационарном оборудовании.
В процессе работы элементы газотурбинного двигателя – в частности, лопатки – испытывают колоссальные нагрузки, именно поэтому так важен контроль их геометрии. Контроль лопаток проводится на различных этапах производства, может быть входным, межоперационным и выходным. Объем контроля зависит от типа производства: в опытном производстве контролируется 100% продукции, в серийном производстве - выборочно . Требуемая точность системы составляет 10-30 мкм в зависимости от лопатки, а длина лопаток может варьироваться от 30 мм до 1000 мм и более. В следующей статье будут описаны проблемы контроля геометрии турбинных лопаток, а также предложены пути их решения.
