Во второй части статьи об устройстве авиационного газотурбинного двигателя рассказываем, что является рабочим телом авиадвигателя, как работает осевая газовая турбина и как устроена система охлаждения ее лопаток.
Говоря языком конструкторов авиационных двигателей, воздух в двигателе – рабочее тело, то есть именно то, что расширяется под воздействием теплоты и приводит в движение рабочий орган тепловой машины. В авиационном газотурбинном двигателе этот рабочий орган – турбина. Как именно воздух приводит ее в движение?
Как работает воздух в газотурбинном авиадвигателе?
Количество и размер ступеней компрессора определяется расходом воздуха и уровнем его давления, которые необходимо обеспечить для эффективной работы двигателя. После последней ступени осевого компрессора воздух под давлением до 50 атмосфер поступает в камеру сгорания.
После компрессора, перед камерой сгорания, сжатый воздух разделяется на два потока — первичный и вторичный.
Первичный воздух под высоким давлением поступает в основную камеру сгорания, где смешивается с топливом, впрыскиваемым через форсунки коллектора основной топливной системы, образуя топливо-воздушную смесь. Смесь воспламеняется разрядом свечей.
Топливо, сгорая, повышает температуру смеси. Образовавшийся поток расширяющегося газа поступает на лопатки турбины, вращая ее.
Вторичный воздух поступает внутрь камеры сквозь отверстия в стенках жаровой трубы камеры сгорания и создает охлаждающую прослойку между стенками камеры и высокотемпературным потоком. Это необходимо для того, чтобы стенки не деформировались из-за высоких температур рабочего тела, которые могут превышать 2000 градусов Кельвина. Вторичный воздух позволяет поддерживать температуру стенок на уровне порядка 1020-1220 градусов Кельвина.
Вырывающийся из камеры сгорания поток газа движется с большей скоростью, чем поток воздуха, набегающего на двигатель. Газ не только вращает турбину, но и создает реактивную тягу.
Как работает турбина авиадвигателя?
В турбореактивных силовых установках наиболее широкое применение получили одно- и двухступенчатые осевые газовые турбины. Термин «осевые» показывает, что поток газа подводится к лопаткам турбины параллельно оси вращения лопаточного колеса.
Лопатки турбины преобразуют внутреннюю энергию расширяющегося газа, выходящего из камеры сгорания, в механическую работу на валу. Посредством вала турбина вращает компрессор и обеспечивает работу газогенератора двигателя, а также двигательных агрегатов.
Каждая ступень турбины, подобно ступени компрессора, состоит из соплового аппарата и рабочего колеса. Лопатки соплового аппарата являются частью статора. Они поворачивают поток рабочего тела, исходящий из камеры сгорания, для придания ему оптимального угла атаки по отношению к лопаткам рабочего колеса турбины. Лопатки рабочего колеса преобразуют энергию потока в механическую – передают движение с рабочего колеса на вал.
Лопатки турбин подвергаются воздействию мощных центробежных сил и высоких температур: скорость вращения лопаточных колес достигает 60 000 оборотов в минуту, а температура газового потока – до 2000 градусов Кельвина, что превышает температуру плавления материалов, используемых для изготовления лопаток. Лопатки турбины должны в течение длительного времени, не теряя прочности и формы, выдерживать эти воздействия. Поэтому они производятся из жаропрочных сплавов и имеют сложные системы охлаждения.
Как устроена конвективно-пленочная система охлаждения лопаток турбины авиадвигателя?
Для повышения жаростойкости в металлические сплавы, из которых отливаются турбинные лопатки, добавляют легирующие элементы. Среди них — вольфрам, кобальт, хром, молибден, редкие металлы рений, рутений и другие. Количество таких элементов может достигать 15.
Специалистами ОДК для защиты лопаток также применяются термобарьерные и износостойкие покрытия, в том числе керамические — они уменьшают проникновение тепла в тело лопатки и препятствуют газовой коррозии материалов. Однако эти методы не полностью защищают лопатки от перегрева, поэтому применяется система конвективно-пленочного охлаждения.
Хладагентом в этой системе служит воздух, отобранный из-за ступеней компрессора и подающийся через систему охлаждения в проточную часть турбины. Поступая в лопатки турбины по каналам различного поперечного сечения, воздух охлаждает их при помощи конвекции. Затем через отверстия различной конфигурации (перфорация, щели) воздух выпускается на поверхность лопатки. Температура этого воздуха ниже, чем температура газового потока, воздействующего на лопатки турбины, поэтому воздух создает на поверхности лопатки заградительную пленку, которая защищает лопатку от горячего газового потока.
Больше об устройстве современных газотурбинных авиадвигателей вы можете узнать в Телеграм-канале Объединенной двигателестроительной корпорации: https://t.me/uecrus_official.