Текст книги "Особенности конструкции газотурбинных двигателей"

Силовые схемы ГТД

В современных ГТД, как показано при анализе конструктивных схем, имеется от одного до трех механически не связанных между собой роторов. Роторы турбокомпрессоров состоят из рабочих колес компрессора и турбины, соединенных валом; роторы свободных турбин включают систему валов, соединяющих турбины с ходовой частью редуктора. В зависимости от компоновки ГТД применяются схемы с коаксиальными валами или раздельным расположением соединительных валов.

В зависимости от числа опор различают двух-, трех– и четырехопорные роторы

Роторы турбины и компрессора соединяются в двухоперной схеме жестко.

Схема трехопорных роторов получила более широкое распространение В этом случае ротор компрессора установлен на два, а ротор турбины – на один подшипник (вторым своим концом он опирается на ротор компрессора) Соединение роторов турбины и компрессора осуществляется соединительной муфтой, обеспечивающей передачу крутящего момента, а также осевой и радиальной сил в условиях несоосности роторов.

Силовая схема статора (корпуса) представляет собой систему связанных неподвижных узлов, которая воспринимает нагрузки, действующие в двигателе, и передает их равнодействующие через узлы подвески на воздушное судно. Силовой корпус двигателя состоит из нескольких опор (на которые передаются нагрузки от подшипников роторов), соединенных между собой корпусами компрессоров, камеры сгорания, турбины и наружного контура (в ДТРД). К нему присоединяются элементы входного и выходного устройств (если они не выполнены в виде отдельных узлов со своими элементами крепления к воздушному судну), а также коробки приводов и агрегаты.

Статор двигателя должен обладать необходимой прочностью и жесткостью при минимальных габаритах и массе.

Классификацию силовых схем статоров можно провести в зависимости от способов силовой связи между турбиной и компрессором.

Схема с внутренней силовой связью характеризуется тем, что соединение статоров турбины и компрессора осуществляется с помощью внутренней стенки корпуса камеры сгорания.

Схема с внешней силовой связью отличается тем, что соединение статоров компрессора и турбины осуществляется наружным корпусом камеры сгорания. Последний, благодаря большему диаметру, оказывается достаточно жестким при сравнительно малой массе и более простой конструкции.

Подвеска двигателя осуществляется с помощью специальных узлов, монтируемых на корпусе двигателя, и подмоторных рам, относящихся к конструкции воздушного судна. Узлы крепления двигателя нагружаются силой тяги, силами инерции и другими свободными силами и моментами. В ТВД к ним относятся прежде всего моменты, обусловленные реакцией воздушного винта.

Двигатель крепится к воздушному судну, как правило, в двух плоскостях. Плоскость, в которой осуществляется передача силы тяги, носит название основной. Вторая плоскость подвески соответственно называется дополнительной или вспомогательной. В обеих плоскостях крепления необходимо обеспечить свободные температурные расширения корпуса ГТД в радиальном направлении, а во вспомогательной плоскости – дополнительно и в осевом направлении.

Основная плоскость подвески обычно располагается возможно ближе к центру масс двигателя, дополнительная – как можно дальше от первой.

Компрессор

Компрессор, являясь одним из основных узлов ГТД, во многом определяет конструктивное совершенство двигателя в целом, его экономичность и надежность.

Как известно из теории авиационных двигателей, по направлению движения воздуха в проточной части компрессоры делятся на центробежные, осевые и диагональные. Применяют также кoмбиниpoванныe схемы компрессоров, например, осецентробежные, диагонально-осевые и др.

Конструктивные компоновки компрессоров зависят от типа ГТД, потребной степени повышения давления, степени двухконтурности и других параметров. Они характеризуются числом роторов и ступеней, формой проточной части, числом и расположением опор, конструктивными типами роторов и статоров.

Для ТРД и ТВД малых тяг и мощностей, имеющих низкие параметры рабочего процесса (степень сжатия = 6…8, Т*_г=1150…1250 К), применяют однокаскадные компрессоры, в которых число ступеней не превышает 8…10. Роторы таких компрессоров обычно выполняют по двухопорной схеме. Проточную часть используют с постоянным наружным диаметром, при котором корпус имеет простую в изготовлении цилиндрическую форму, а последние ступени, благодаря возрастанию среднего диаметра, обладают достаточно высокой напорностью.

В ГТД с умеренными параметрами (степенью сжатия = 10…15, Т*_г =1250…1350 К) и относительно высокими параметрами (степенью сжатия = 15…25, Т*_г =1450… 1550 К.) параметрами рабочего процесса применяют двухкаскадные компрессоры с независимыми приводами от отдельных турбин, обладающие повышёнными по сравнению с однокаскадными схемами запасами газодинамической устойчивости. В указанных типах ГТД КНД имеют от четырех до шести ступеней, а число ступеней КВД достигает 6…8 и более.

Трехкаскадные компрессоры используют в ТРДД с большой степенью двухконтурности (m = 4…8) при степени сжатия = 20…30 и выше. Вентиляторы таких ДТРД обычно выполняют одноступенчатыми сверхзвуковыми со степенью повышения давления = 1,4…1,6 (до 1,8).

Ротор – это вращающаяся часть компрессора. Он включает в себя следующие элементы: рабочие лопатки; диски (или барабан), на которых закреплены рабочие лопатки; вал или цапфы, с помощью которых ротор опирается через подшипники на силовой корпус двигателя; элементы крепления дисков между собой и дисков с валом или цапфами.

В настоящее время различают три конструктивных типа роторов: барабанные, дисковые и смешанные (барабанно-дисковые).

Дисковый ротор состоит из отдельных облопаченных дисков, соединенных своими ступицами с общим валом, который служит для передачи крутящего момента на диски и размещения подшипников опор. Каждый диск имеет наружный обод для крепления лопаток, центральную утолщенную часть – ступицу для соединения с валом и среднюю тонкую часть – полотно.

Рабочие лопатки являются главными элементами ротора компрессора. В межлопаточных каналах рабочих колес происходит преобразование работы вращения ротора в кинетическую энергию движения воздуха и одновременно в потенциальную энергию его давления. Все остальные элементы конструкции ротора служат только для передачи механической энергии к рабочим лопаткам с целью сообщения им окружного перемещения в проточной части с заданной скоростью.

В простейшем случае рабочая лопатка состоит из профилированной части-пера и хвостовика, предназначенного для крепления лопатки в диске или барабане. Во многих случаях лопатки имеют также полки хвостовиков, используемые для формирования внутренней поверхности проточной части рабочего колеса.

Для повышения КПД ступени перо лопатки тщательно профилируют в процессе проектирования и изготовления. Линейные и угловые размеры выдерживают с большой степенью точности.

Поверхность пера обрабатывают до высокой чистоты с целью уменьшения гидравлических потерь и повышения усталостной прочности лопатки. Переходы от пера к. хвостовику или его полке выполняют с плавными округлениями для снижения концентрации напряжении.

Крепление рабочих лопаток наиболее часто осуществляют с помощью хвостовиков типа «ласточкин хвост», устанавливаемых в продольные трапециевидные пазы ободов дисков.

Массивные лопатки вентиляторов ДТРД иногда крепят в продольных пазах ободов дисков с помощью хвостовиков елочного типа. Такое крепление обладает повышенной, по сравнению с другими типами креплений, несущей способностью и позволяет разместить на ободе большее число лопаток.

Для повышения жесткости длинных лопаток вентиляторов ДТРД и демпфирования их колебаний на профильной части лопаток выполняют антивибрационные полки, между которыми в рабочем колесе осуществляют плотный контакт. Демпфирование колебаний обеспечивается силами трения, возникающими в зонах контакта полок.

Статор – это неподвижная часть компрессора. В его состав входят следующие основные элементы: направляющие аппараты; корпус компрессора, состоящий из корпусов направляющих аппаратов и корпусов опор; входные направляющие и спрямляющие аппараты; различные оболочковые конструкции, например кок двигателя, оболочки наружного контура и проч.

Направляющие аппараты (НА) устанавливают за рабочими колесами для частичной раскрутки потока воздуха и дальнейшего повышения его давления в диффузорных межлопаточных каналах за счет снижения скорости потока в абсолютном движении.

Входные направляющие аппараты (ВНА) устанавливают перед рабочими колесами первых ступеней для предварительной закрутки воздуха обычно по направлению вращения ротора с целью снижения относительной скорости потока в рабочем колесе. Межлопаточные каналы ВНА профилируют конфузорными. В них происходит увеличение абсолютной скорости потока и его кинетической энергии

Лопатки ВНА часто выполняют с обогреваемыми входными кромками, во внутренние полости которых подводят горячий воздух от последних ступеней компрессора для предотвращения обледенения кромок. Применяют также для этой цели пустотелые лопатки со вставными дефлекторами, обеспечивающими эффективный подогрев лопаток при небольших расходах воздуха.

Спрямляющие аппараты (СпА) устанавливают в некоторых компрессорах за направляющими аппаратами последних ступеней с целью полной раскрутки воздушного потока.

В корпусе любой опоры компрессора (равно как и турбины) можно выделить три характерных группы элементов: внутреннее кольцо, в котором размещен узел подшипника; наружное кольцо, необходимое для соединения корпуса опоры с другими частями силового корпуса двигателя; радиальные силовые элементы, соединяющие между собой вышеназванные кольца, в результате чего образуется жесткая осесимметричная кольцевая рама.

Существенное влияние на КПД компрессора оказывает величина радиального зазора между концевыми профилями рабочих лопаток и элементами корпуса НА, через который происходит непроизводительное перетекание воздуха со стороны выхода из рабочего колеса на его вход под действием разности давлений. Увеличение относительного радиального зазора (отношения зазора к высоте лопаток) во всех ступенях на 1% приводит к уменьшению КПД компрессора на 3%, что сопровождается возрастанием удельного расхода топлива до 10%. Поэтому величину радиального зазора необходимо уменьшать до предельно возможного значения

В процессе работы двигателя величина относительного радиального зазора изменяется в широких пределах под действием эксплуатационных нагрузок и температур, вызывающих возникновение силовых и термических деформаций статора и ротора. Так, например, при запуске и любых переходах двигателя на повышенные режимы менее массивный корпус компрессора нагревается до более высоких температур, чем ротор, поэтому радиальные температурные деформации статора, суммируясь с деформациями от избыточного внутреннего давления воздуха, приводят к существенному увеличению радиального зазора. На крейсерских режимах этот зазор также больше, чем на неработающем двигателе. При выключении двигателя (особенно в условиях низких температур атмосферного воздуха на земле или в полете) корпус охлаждается значительно быстрее ротора, что сопровождается резким уменьшением температуры газов (возможно до нуля и ниже), которое может вызвать заклинивание ротора в статоре, разрушение рабочих лопаток и т. п.

Для предотвращения разрушения рабочих лопаток в случае их касания о корпус на внутреннюю поверхность элементов корпуса НА наносят мягкое покрытие толщиной 1…3 мм, которое называют уплотнительным слоем. При уменьшении зазора до нуля и ниже рабочие лопатки легко срезают часть этого слоя, не получая повреждений.

В состав уплотнительного слоя входят следующие материалы: графит, тальк, асбест, алюминиевый порошок и другие компоненты. Из указанных материалов и специальных лаков изготавливают пасту, которая по составу должна быть различной для первых и последних ступеней в связи с различными температурными условиями. Пасту наносят на специально подготовленную шероховатую поверхность в кольцевые расточки корпуса НА или на рабочие кольца, затем высушивают в электропечи и растачивают на заданные диаметры для всех ступеней одновременно при полностью собранном корпусе НА.

В последних ступенях высоконапорных компрессоров, где температура воздуха может достигать 650…700 °С, вместо мягких покрытий на основе вышеуказанных материалов применяют термостойкие металлокерамические или сотовые вставки, используемые в газовых турбинах.

Для уменьшения перетеканий воздуха под действием разности давлений со стороны выхода из направляющего аппарата в сторону входа через радиальный зазор между НА и ротором компрессора обычно применяют межступенчатые лабиринтные уплотнения.

Для создания межступенчатого лабиринтного уплотнения на элементах ротора между рабочими колесами выполняют заостренные выступы (лабиринтные гребни), относительно которых с небольшим зазором устанавливают внутреннее бандажное кольцо НА с нанесенным на его внутреннюю поверхность уплотнительным слоем.

Для защиты входа в компрессор от посторонних предметов (камней, града, птиц, пыли и т. д.) изучены возможности применения защитных сеток или решеток, устройств струйного и инерционного типов. Несмотря на большую важность данной проблемы отмеченные защитные устройства не получили широкого практического применения, главным образом из-за существенного их отрицательного влияния на топливную экономичность двигателей, обусловленного большими потерями на преодоление гидравлических сопротивлений входа. Защитные устройства применяют, в основном, для вертолетных ГТД, которые работают в условиях запыленной воздушной среды, что приводит к интенсивному эрозионному износу лопаток компрессора. Используют при этом пылезащитные устройства (ПЗУ) инерционного типа с криволинейными входными каналами, сформированными таким образом, что при повороте потока центробежные силы перемещают частицы пыли в пылесборники.

Их используют для предотвращения образования льда в условиях высокой влажности и низких температур воздуха на элементах входной части компрессора: коке двигателя; стойках и кольцах переднего корпуса; лопатках ВНА. Обледенение указанных элементов приводит к искажению геометрии входного тракта, что вызывает существенное ухудшение характеристик двигателя и может стать причиной помпажа компрессора. При обледенении возможно также разрушение деталей компрессора кусками льда, сорванными потоком с элементов его входной части.

Из газовых теплоносителей основное применение в ГТД ГА получил горячий воздух температурой 200…250 °С, отбираемый от последних или средних ступеней компрессора. Этим воздухом осуществляют внутренний конвективный обогрев деталей, для организации которого их выполняют с внутренними каналами или двухстеночной конструкции. После обогрева деталей воздух выпускают в проточную часть для использования оставшейся части его энергии. На теплоизолированном трубопроводе подвода воздуха в противообледенительную систему устанавливают заслонку или воздушный клапан, управляемые с помощью силовых гидро– или пневмоцилиндров и электромагнитного клапана. Включение обогрева производится автоматически по сигналу датчика обледенения или вручную.

Электрические противообледенительные системы практического применения в ГТД не получили, так как электротермические элементы, которые необходимо размещать на деталях входной части компрессора, могут быть подвержены высокой опасности разрушения и износа от попадания в двигатель посторонних предметов. Данные системы применяют, в основном, для обогрева лопастей воздушных винтов ТВД.

Данные устройства обеспечивают на нерасчетных режимах близкое к расчетному соответствие между осевой и окружной составляющими потока воздуха на входе в рабочие колеса с целью предотвращения неустойчивой работы (помпажа) компрессора. В компрессорах применяют два основных типа противо-помпажных устройств: 1) устройства перепуска воздуха в атмосферу или наружный контур ДТРД; 2) механизмы поворота лопаток направляющих аппаратов [2].

Перепуск воздуха осуществляют из средних ступеней компрессора на пониженных (по отношению к расчетному) режимах работы двигателя. В результате этого осевая скорость входа воздуха в рабочие колеса первых ступеней увеличивается, а последних уменьшается, что приближает к расчетным значениям углы набегания потока на рабочие лопатки всех ступеней. При больших значениях степени сжатия (7…8 и более) перепуск воздуха производят последовательно за двумя (иногда даже за тремя) группами первых ступеней, включая при дросселировании двигателя вначале перепуск за первой группой, а затем за последующими.

Отверстия или окна перепуска выполняют в большом количестве, равномерно размещая их по окружности корпуса компрессора в зоне НА или перед рабочим колесом выбранной ступени. Окна перепуска не располагают над рабочими лопатками, так как они могут быть источниками возбуждения колебаний лопаток. (По такому же принципу размещают окна отбора воздуха в противообледенительную систему и для других целей). В зоне перепускных окон крепят к корпусу или выполняют заодно с ним кольцевые коробки или отдельные ресиверы достаточно большого объема, на которых устанавливают запорные устройства какого-либо типа, например гибкую ленту, тарельчатые клапаны, заслонки. Используют также в качестве запорных устройств пластинчатые клапаны, представляющие собой закрепленные к кольцевой коробке упругие пластины с кулачками, на которые в момент открытия перепуска набегают ролики при повороте ведущего кольца.

Силовые приводы запорных устройств могут быть пневматическими (пневмоцилиндры), гидравлическими (гидроцилиндры, работающие на основном топливе) или электрическими. Включение перепуска воздуха производится автоматически по сигналам датчиков физической, приведенной частот вращения ротора или степени повышения давления воздуха в компрессоре.

Более экономичным способом обеспечения газодинамической устойчивости компрессора на нерасчетных режимах является применение регулируемых направляющих аппаратов (РНА). При таком способе осуществляют поворот потока воздуха до направлений, близких к расчетным, за счет поворота лопаток НА вокруг своей оси. Число РНА может достигать 70% и более от общего числа ступеней компрессора. При дросселировании двигателя лопатки НА первых ступеней поворачивают в направлении уменьшения установочных углов, а последних ступеней – их увеличения.

Поворотные лопатки РНА имеют цилиндрические цапфы, с помощью которых они опираются на втулки и полукольца, выполняющие роль подшипников скольжения. Втулки и полукольца изготавливают из антифрикционных материалов – алюминиевых сплавов, бронзы, фторопласта. На наружные цапфы лопаток закрепляют поворотные рычаги, которые шарнирно соединяют с ведущими кольцами, используемыми одновременно и в качестве синхронизирующих элементов. Поворот ведущих колец производят через систему рычагов силовыми гидроцилиндрами. Управление механизмами поворота лопаток автоматизировано. Оно производится по сигналам датчиков приведенной частоты вращения ротора или степени повышения давления воздуха в компрессоре.

Во многих ГТД противопомпажные системы оборудованы как РНА, так и устройствами перепуска воздуха. Такие системы наиболее эффективны. Диапазон работы устройств перепуска воздуха в этих системах удается ограничить только режимом запуска двигателя.

Наибольшее число неисправностей компрессоров связано с попаданием в двигатель посторонних предметов. Крупные предметы, например камни, птицы, крупный град, куски льда с ВПП или РД, могут вызвать локальные забоины и вмятины на деталях проточной части, большие их общие остаточные деформации или даже полное разрушение (обрыв) рабочих лопаток с последующими вторичными разрушениями элементов по всему тракту двигателя. Забоины, вмятины и общие остаточные деформации лопаток приводят к нарушению расчетной формы проточной части компрессора, что сопровождается падением его КПД, увеличением удельного расхода топлива и температуры газа перед турбиной. Искажение расчетной геометрии поврежденных лопаток вызывает разбалансировку ротора и повышение уровня вибраций двигателя, а также может стать причиной появления новых резонансных режимов и автоколебаний лопаток. Механические повреждения создают повышенную концентрацию напряжений в лопатках, что совместно с вышеуказанным увеличением уровня вибронагруженности развивает возможность их ускоренного разрушения от усталости.

Для уменьшения повреждений деталей компрессора крупными посторонними предметами необходимо создавать защитные устройства на входе в двигатель, повышать прочность и жесткость элементов входной части компрессора (особенно рабочих колес первых ступеней), а также размещать воздухозаборники по возможности на большем удалении от поверхности земли. Кроме конструктивных мероприятий по снижению указанных повреждений следует использовать эксплуатационные, такие как тщательная уборка ВПП и РД, уменьшение руления самолетов на аэродроме за счет их буксировки, применение аэродромных средств отпугивания птиц и т. п.

Попадание в двигатель вместе с воздухом большого количества песка и пыли приводит к интенсивному эрозионному износу лопаток компрессора, ухудшающему их аэродинамические и прочностные характеристики. Эрозионному износу (выветриванию) подвержены также мягкие покрытия, применяемые для уплотнения радиальных зазоров проточной части, при котором (как и в случае износа лопаток) падает КПД компрессора и возрастает удельный расход топлива двигателя. Для уменьшения эрозионного износа элементов компрессора применяют пылезащитные устройства на входе в двигатель, рабочие и направляющие лопатки первых ступеней выполняют стальными, используют мягкие покрытия с повышенной эрозионной стойкостью.

Наличие в атмосферном воздухе влажных частиц глины, речного ила и других вязких компонентов может постепенно вызвать сильное загрязнение проточной части компрессора, которое существенно ухудшает параметры двигателя, в том числе его топливную экономичность. В этом случае для восстановления свойств компрессора осуществляют промывку проточной части синтетическими моющими средствами.

Для своевременного обнаружения вышерассмотренных неисправностей компрессоров следует выполнять периодические осмотры всех элементов их проточной части. Поэтому корпусы компрессоров оборудуют необходимым количеством смотровых окон. Окна закрывают легкосъемными заглушками, для крепления которых иногда (в труднодоступных местах расположения окон) применяют цанговые замки, открываемые специальными инструментами. Через смотровые окна осуществляют визуальный контроль деталей проточной части с помощью оптических приборов – эндоскопов. Использование в этих приборах гибких волоконных световодов позволяет через одно окно осмотреть детали нескольких ступеней компрессора.

Кроме повреждений деталей проточной части компрессоров возможны неисправности других элементов их конструкции, в частности износ подшипников опор и деталей приводов агрегатов, разрушение масляных уплотнений подшипников и т. д. С целью обнаружения этих неисправностей в эксплуатации следует применять специальные методы контроля, например контроль параметров маслосистем, спектральный анализ масла и др.