книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

двигателей Д-30 (Д-30, Д-ЗОКУ/КП, Д-30Ф6). На базе турбин ПС-90А и ПС-90А2 создано се­ мейство турбин для авиационных и промышлен­ ных СУ.

Базовые характеристики конструкции турби­ ны ПС-90А2 (рис. 8.16, 8.17):

-двухвальная схема (двухступенчатая ТВД + четырехступенчатая ТНД);

-роликовый подшипник и опора ТВД распо­ ложены под КС;

-двухступенчатая высоконагруженная (сте­ пень расширения выше 5,0) ТВД с бесполочной первой рабочей лопаткой и полочной второй;

-высокий уровень максимальной температу­ ры газа перед ротором (оценочно 1700К).

Для GE Aircraft Engines, а также фирмы Snecma, принимающей значительное участие во многих разработках с GE, в том числе на 50 %

впрограмме CFM56, это турбины трех се­ мейств: CF6, GE90 и CFM56. Современная мо­ дель CF6-80C2 представляет семейство CF6, на­ ходящееся в производстве с середины 1960-х гг. (TF39, CF6-6, CF6-50, CF6-80A, CF6-80C2/E1). Многие модели конвертированы в успешные промышленные двигатели (TF39 - в LM2500, CF6-80C2 - в LM6000). Базовые характеристики конструкции турбины (рис. 8.84, 8.89) [8.1.9; 8. 1. 10]:

-двухвальная схема (двухступенчатая ТВД +

пятиступенчатая ТНД);

-роликовый подшипник и опора ТВД под

КС;

-двухступенчатая умеренно нагруженная (степень расширения около 4,0) ТВД с бесполочными рабочими лопатками;

-умеренный уровень максимальной темпе­ ратуры газа перед ротором (оценочно 1650 К).

Самая современная турбина GE90 является основой для новых разработок (GE90-115B, GP7200). Производится серийно с 1995 года. Ба­ зовые характеристики конструкции (рис. 8.20

и8.21) [8.1.11; 8.1.12]:

-двухвальная схема (двухступенчатая ТВД + шестиступенчатая ТНД);

-роликовый подшипник и опора ТВД между ТВД и ТНД; стойки опоры в переходном канале между турбинами;

-двухступенчатая высоконагруженная (сте­ пень расширения около 5,5) ТВД с бесполочными рабочими лопатками;

-высокий уровень температуры газа перед ротором (оценочно 1850 К).

CFM56 является самой успешной и массовой моделью в современном авиационном двигателестроении - в 2003 г. в эксплуатации находилось свыше 13 000 двигателей. Базовые характеристи­

8.1. Общие вопросы проектирования турбин

ки конструкции турбины CFM56-5B (рис. 8.22

и8.23) [8.1.13; 8.1.14; 8.1.15]:

-двухвальная схема (одноступенчатая ТВД

+четырехступенчатая ТНД);

-опоры ТВД и ТНД совмещены, силовые стойки проходят через заднюю опору турбины; роликовый подшипник ТВД - межвальный (раз­ мещен между валами ТВД и ТНД);

-одноступенчатая высоконагруженная (степень расширения около 4,2) ТВД с беспо­ лочной РЛ;

-умеренный уровень температуры перед ро­ тором ТВД (оценочно 1500. ..1650 К в зависимо­ сти от модели).

Для Rolls-Royce это турбины семейства RB211/Trent, сохраняющие на протяжении почти тридцати лет все базовые характеристики конст­ рукции. Эти характеристики приведены на при­ мере турбины Б1В211-535Е4 (см. рис. 8.26 и 8.27) [8.1.16; 8.1.17]:

-трехвальная схема: одноступенчатая ТВД + одноступенчатая ТСД + трехступенчатая ТНД;

-роликовый подшипник и опора ТВД со­ вмещены с роликоподшипником и опорой ТСД; общая опора совмещена с сопловыми лопатками ТСД;

-одноступенчатая умеренно нагруженная (степень расширения около 3,0) ТВД с полочной РЛ;

-умеренный уровень температуры газа пе­

ред ротором (для RB211-535E4 оценочно 1550 К).

Для Pratt&Whitney это модели V2500, PW6000, F119.

Модель V2500 - вторая в мире (после CFM56) по масштабам производства. Принципиально одинаковая с PW2000 и PW4000 схема турбины. Базовые характеристики конструкции турбины (рис. 8.18) [8.1.18; 8.1.19; 8.1.20]:

-двухвальная схема (двухступенчатая ТВД + пятиступенчатая ТНД);

-роликовый подшипник под КС, стойки опо­

ры ТВД совмещены с корпусом КС;

-двухступенчатая высоконагруженная (сте­ пень расширения около 5,0) ТВД с бесполочны­ ми рабочими лопатками;

-высокий уровень температуры газа перед

турбиной (оценочно 1700 К).

PW6000 - самая современная разработка, ставшая базой для новых технологий снижения производственной себестоимости и стоимости обслуживания. Особенности - одноступенчатая безбандажная ТВД с высоким перепадом, под­ шипник ТВД под КС, переходный канал для ТНД (рис. 8.24). Базовые характеристики конструкции турбины (см. рис. 8.24) [8.1.21; 8.1.22]:

размещен за ТНД и его силовая связь с корпусом осуществляется через заднюю опору 8 турбины и ее стойки 9, проходящие за ТНД.

Система охлаждения подшипника и его мас­ ляной полости должна:

-обеспечить изоляцию масляной полости от проникновения окружающей среды с высокой температурой;

-исключить утечки масла;

-обеспечить температуру подшипника на уровне проектной, а температуру стенок масля­ ной полости на уровне, исключающем коксова­ ние масла.

Размещение масляной полости подшипника

иопоры ТВД под КС традиционно применяется в турбинах ОАО «Авиадвигатель». Общей про­ блемой этого варианта является размещение масляной полости и подшипника в области от­ носительно высокой температуры за КВД и вы­ сокого давления, близкого к давлению в осевом зазоре первой ступени ТВД. Поэтому необходи­ ма система охлаждения масляной полости под­ шипника и защиты ее от горячего воздуха высо­ кого давления.

На рис. 8.17 показана (применительно к ТВД ПС-90А2) система охлаждения масляной полос­ ти подшипника 7, стенки 2 которой снаружи ох­ лаждаются холодным воздухом, изолированным от полости лабиринтом 3.

Для защиты полости роликового подшипни­ ка ТВД от окружающей среды применен наддув масляной полости подшипника охлажденным

8.1.Общие вопросы проектирования турбин

вразмещенном в наружном контуре теплооб­ меннике воздухом высокого давления. Чтобы расход охлажденного воздуха в масляную по­ лость подшипника не был слишком велик, ис­ пользуют контактные графитовые уплотнения масляной полости или (для уменьшения требуе­ мого давления холодного воздуха) вводят про­ межуточную «буферную» полость. «Буферная» полость сообщается с наружным контуром или (в промышленном двигателе) с окружающей средой. Она защищает масляную полость от ок­ ружающего воздуха относительно высокого давления, отводя утечки этого воздуха и утечки холодного воздуха наддува за пределы двигате­ ля. Эти утечки могут достигать 1 % расхода воз­ духа через КВД и являются основным недостат­ ком приведенной схемы.

Буферная полость дает возможность исполь­ зовать воздух промежуточных ступеней ком­ прессора с более низкой температурой для над­ дува опоры. Чем ниже давление отбираемого воздуха, тем ниже его температура и больше его возможности по охлаждению масляной полости подшипника.

Размещение роликового подшипника ТНД

вобласти относительно низких давлений (близких

кдавлению за ТНД) позволяет относительно про­ сто решить проблему охлаждения —наддув отно­ сительно холодным воздухом из-за подпорных ступеней. Давления этого воздуха обычно доста­ точно для изоляции масляной полости от окру­ жающей среды, а температуры - для охлаждения

Сброс утечек за пределы газогенератора. Буферная полость

УР=1.2Рм, Т=1.7Тм

Роликовый подшипник 1 ТВД размещен под КС. Масляная полость 2 наддувается относитель­ но холодным воздухом из-за КНД через по­ лость 4. Буферные полости 5 и 6 используются для защиты масляной полости от горячего возду­ ха из-за КВД, направляемого на охлаждение ро­ тора ТВД из вторичной зоны КС через отверстия 7 в корпусе КС и аппарат закрутки 8. Через лаби­ ринт 9 воздух высокого давления попадает в «бу­ ферную» полость, откуда по трубам 10 незначи­ тельный расход отводится в полость ротора ТНД. В результате отвода давление горячего воздуха за лабиринтом уменьшается в несколько раз и, соответственно, уменьшаются его утечки во вторую буферную полость 5. Из полости 5 утеч­ ки воздуха высокого давления и утечки воздуха наддува масляной полости (из подпорных ступе­ ней) сбрасываются за ТНД.

В конструкции ТВД CF6-80C2 использованы бесполочные 1РЛ 11 и 2РЛ 12. По сравнению с ПС-90А2 отказ от использования бандажной полки на второй ступени снижает центробежную нагрузку на профиль и избавляет от необходимо­ сти охлаждения полки. При этом усложняется обеспечение вибрационной прочности лопатки и увеличиваются потери КПД в радиальном зазо­ ре. Уменьшение необходимого расхода охлаж­ дающего воздуха на профиль и исключение не­ обходимости охлаждения полки до некоторой степени компенсируют потери КПД.

Система охлаждения ротора ТВД использует для охлаждения ротора и РЛ обеих ступеней толь­ ко воздух высокого давления (и, соответственно, высокой температуры) из-за КВД. Полость 13 пе­ ред диском первой ступени 14 наддувается через отверстия в опоре 15 1СА16, а лабиринт 17 огра­ ничивает поступление воздуха из-за аппарата за­ крутки в полость 13. Для снижения утечек через лабиринт 17 давление в аппарате закрутки снижа­ ется настолько, что в дальнейшем для подачи воз­ духа из полости ротора 18 в 1РЛ он «подкачивает­ ся» при прохождении между двумя промежуточ­ ными дисками 19 с ребрами. Подача основной части воздуха в полость 13 через отверстия 15 по­ зволяет эффективно контролировать его расход и мало зависеть от износа лабиринтов.

Полость 18 ротора ТВД снабжается воздухом КВД через аппарат закрутки. Использование од­ ного источника для охлаждения (воздуха КВД) упрощает конструкцию системы охлаждения, но увеличивает температуру ступиц дисков по срав­ нению с отбором на вторую ступень ТВД воздуха за промежуточной ступенью компрессора при­ мерно на 50.. .70 °С, а 2РЛ - на 20.. .30 °С.

Только кольцевой лабиринт 20 охлаждается воздухом промежуточной ступени КВД (11-й из

8.1.Общие вопросы проектирования турбин

14)- по трубам 21 через лопатки 22 2СА. Задняя сторона (полость 23) диска 24 2-й ступени охлаж­ дается воздухом 7-й ступени КВД, подаваемым по трубам 25 через переднюю часть внутренней полости 26 ЗСА 27.

ВТНД (рис. 8.89) роликовый подшипник

иего масляная полость 14 расположены в облас­ ти относительно низких давлений и наддуваются воздухом из-за КНД.

Турбина двигателя V2500 (Pratt&Whitney, MTU) [8.1.19] (рис. 8.18) близка к ПС-90А2 по многим конструктивным решениям. Турбина имеет двухвальную схему с двухступенчатой ТВД 1 и пятиступенчатой ТНД 2.

Роликовый подшипник 3 ТВД расположен под КС. Опора 4 роликового подшипника совме­ щена с корпусом 5 КС. Размещение опоры ТВД под КС является традиционным в двигателях Pratt&Whitney (семейства PW2000, PW4000).

Важные отличия от ПС-90А2 по системе охла­ ждения масляной полости 6 роликового подшип­ ника ТВД заключаются в применении контакт­ ных графитовых уплотнений 7. Эти уплотнения выдерживают значительную разницу давлений, позволяя сохранять относительно высокое давле­ ние вокруг полости подшипника и исключая не­ обходимость буферной полости для сброса уте­ чек за пределы газогенератора.

На рис. 8.19 приведены принципы работы сис­ темы охлаждения масляной полости подшипни­ ка 7, в которой внутренняя стенка 2 охлаждается холодным воздухом, а сама полость изолирована от воздуха контактным уплотнением 3.

Такие же (рис. 8.18) контактные уплотнения 8 имеет и масляная полость роликового подшип­ ника 9 ТНД. Стенки полости имеют теплоизоли­ рующее покрытие 10.

ТВД имеет бесполочные рабочие лопатки 11 в первой ступени и бесполочные рабочие лопат­ ки 12 второй ступени. Таким образом, на 2РЛ (в отличие от ПС-90А2) бандажная полка отсут­ ствует. Применение бесполочных рабочих лопа­ ток в ТВД является традиционным решением как для Pratt&Whitney, так и для GE Aircraft Engines.

Турбина двигателя GE90 (GE Aircraft Engines)

(рис. 8.20 и 8.21) имеет двухвальную схему с двухступенчатой ТВД 1 и шестиступенчатой ТНД 2 [8.1Л1; 8.1.12]. РЛ 5 первой ступени и РЛ 4 второй ступени - без бандажных полок.

Роликовый подшипник 5 ТВД и опора 6 ТВД расположены между ТВД и ТНД. Стойки 7 опо­ ры размещены в переходном канале 8 и закрыты обтекателями 9. Эта схема выносит полость под­ шипника из зоны высоких температур и давле­ ний и дает возможность использовать воздух

температуру роторных деталей ТВД и меньший расход охлаждающего воздуха для второй ступе­ ни ТВД по сравнению с использованием для этих же целей воздуха на выходе из КВД.

8.1.2.5.Конструкции газовых турбин

содноступенчатыми ТВД

Одноступенчатая турбина имеет свои преиму­ щества по сравнению с двухступенчатой турби­ ной: простота конструкции, меньшее количество деталей, более низкие себестоимость и стоимость обслуживания, меньший расход охлаждающего воздуха. Для определенных применений (особен­ но в двигателях региональных самолетов, самоле­ тов ближнего и среднего радиуса действия) эти преимущества становятся гораздо важнее упоми­ навшихся выше недостатков.

Турбина двигателя CFM56-5B (GE Aircraft Engines, Snecma) [8.1.13; 8.1.14] Турбина двигателя CFM56-5B (рис. 8.22,8.23) имеетдвухвальную схему с одноступенчатой ТВД 1 (разра­

ботка GE) и четырехступенчатой ТНД 2 (разра­ ботка Snecma). РЛ 3 ТВД без бандажной полки.

Отличительной чертой этой турбины является использование в качестве опоры вала ТВД межвального подшипника 4, расположенного между вспомогательным валом 5 ТВД и валом 6 ТНД. Роликовый подшипник 4 ТВД опирается не на статор турбины, а на вал ТНД. Эта схема позво­ ляет вынести опору ТВД в наиболее холодное место (фактически за ТНД) и совместить опоры ТВД и ТНД - подшипник 4 ТВД и подшипник 7 ТНД расположены в одной масляной полости 8. Конструкция значительно упрощается и удешев­ ляется за счет исключения стоек для опоры ТВД, уменьшения количества масляных полостей и выноса общей масляной полости в зону низко­ го давления. Задняя опора 9 ТНД и ее стойки 10 используются в качестве связи ротора ТВД с кор­ пусом турбины.

Несмотря на все преимущества схемы с межвальным подшипником ТВД, обеспечение рабо-