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

чатой ТВД 7, одноступенчатой ТСД 2 и трехсту­ пенчатой ТНД 3.

Трехвальная конструкция является основной отличительной чертой семейства RB211/Trent. Несмотря на определенные преимущества (более оптимальное распределение аэродинамической нагрузки по турбинам), эта схема имеет сущест­ венный конструктивный недостаток - сложность. В работе [8.1.26] приведено сравнение трехвальной турбины (на примере Trent 900) и двухвальной (на примере GP7200). Сделан вывод, что трех­ вальная турбина проигрывает в массе, ей необхо­ димы дополнительные вал и подшипник, а также дополнительная масляная полость в относительно горячей среде между турбинами ВД и НД.

Роликовый подшипник 4 ТВД и роликовый подшипник 5 ТСД имеют общую опору 6 и мас­ ляную полость 7, размещенные между турбина­ ми. Общая опора 7 проходит через проточную часть с помощью стоек 89 которые совмещены с сопловыми лопатками 9 ТСД. Совмещение опор и масляных полостей позволило несколько упростить конструкцию. Совмещение СЛ ТСД

и стоек опоры позволило избежать удлинения проточной части (и соответствующего увеличе­ ния массы), а также сэкономить расход охлаж­ дающего воздуха (отдельно расположенные стойки потребовали бы не меньшего дополни­ тельного охлаждения, чем СЛ ТСД).

Роликовый подшипник 10 ТНД расположен за турбиной и связан с корпусом через заднюю опо­ ру 77 и ее стойки 72. Масляная полость 7 уплот­ нена лабиринтами и наддувается относительно холодным воздухом промежуточных ступеней компрессора, поступающим между валом 13 ТВД и валом 14 ТСД. Между валом 14 ТСД и ва­ лом 15 ТНД поступает охлаждающий воздух еще более низкой температуры на охлаждение ротора ТНД, одновременно охлаждая со стороны вала ТСД масляную полость 7.

Одноступенчатая ТВД с бандажированной ра­ бочей лопаткой 16 является в определенной сте­ пени уникальной конструкцией. Даже в двухсту­ пенчатых ТВД (которые в связи с меньшей степе­ нью расширения на одной ступени применяют меньшую окружную скорость) бандажирован-

Глава 8. Турбины ГТД

сопловых лопаток ТСД (сравнение профилей этих лопаток с профилями лопаток ТВД приве­ дено на рис. 8.28).

Кроме того, относительно большая осевая ширина лопаток при малой длине приводит к от­ носительно высокому уровню вторичных потерь (известно, что при отношении длины лопатки к осевой ширине профиля менее 1,5 вторичные потери резко возрастают; здесь же это отноше­ ние менее 1,0).

Rolls-Royce сохраняет рассмотренные выше конструктивные особенности (трехвальную схему, бандажированную лопатку ТВД, совме­ щенные со стойками лопатки ТСД) во всех раз­ работках двигателей семейства Trent, сохраняя накопленный опыт по надежности и долговеч­ ности.

8.1.2.7. Конструкции стационарных газовых турбин

Турбины стационарных двигателей наземно­ го применения могут быть как одновальными, так и двухвальными.

Наиболее простой является одновальная схе­ ма, которая и наиболее популярна в стационар­ ных двигателях, особенно в энергетических двигателях большой мощности. В этом случае многоступенчатая турбина одновременно при­ водит компрессор и отдает часть мощности ге­ нератору или механическому приводу. В случае двухвальной схемы одна турбина служит турби­ ной газогенератора (ТВД), а другая турбина (на

отдельном валу) служит СТ и называется также свободной турбиной.

Несмотря на относительную сложность, двухвальная схема со свободной турбиной имеет зна­ чительно большую гибкость для конкретных применений. Одна модель промышленного дви­ гателя может иметь несколько СТ для различных применений: для генератора на 3000 об/мин, для генератора на 3600 об/мин, для механического привода (ГПА, судового винта и так далее).

Одной из особенностей стационарных турбин является активное использование подшипников скольжения (вместо подшипников качения, при­ меняемых в авиационных турбинах). Вместо ша­ риковых подшипников, воспринимающих осе­ вые усилия в авиационных турбинах, применя­ ются упорные подшипники скольжения. Часто это несколько упрощает конструкцию за счет ис­ ключения необходимости применения разгру­ зочных полостей для регулирования осевого уси­ лия роторов, но требует увеличения массы опор и больших расходов масла.

Фирма European Gas Turbines (принадлежа­ щая компании Siemens) производит стационар­ ные двигатели умеренной полезной мощности (до 15 МВт). На рис. 8.29 приведены турбины двух модификаций одного стационарного двига­ теля (Tempest и Cyclone) [8.1.27].

В модификации Tempest все расширение га­ за происходит в двухступенчатой одновальной турбине 1 и полезная мощность (мощность тур­ бины, превышающая мощность компрессора) от-

Эффективность производственных процессов определяет общее количество материалов для ис­ пользования в процессе производства. Из-за по­ терь в процессе производства отношение общей массы использованных материалов к массе во­ шедших в турбину деталей обычно составляет от 6 до 10, часто доходя до 15 или даже 25 [8.1.30]. Соответственно, чем меньше эта величина, тем более эффективны конструкция и производствен­ ная технология, тем ниже себестоимость турбины. Примером эффективной конструкции является турбина двигателя Pratt&Whitney PW6000, для ко­ торой это отношение заявлено на уровне 4.

Себестоимость турбины не может быть опре­ делена без привязки к конкретным условиям производства, так как зависит от его технологи­ ческой базы. Наиболее надежный способ моде­ лирования себестоимости подразумевает использование в качестве базы моделей себе­ стоимости прототипов основных деталей. Управление себестоимостью предполагает со­ вместимость конструкции с имеющимися или планируемыми процессами производства, а так­ же повышение эффективности самих этих про­ цессов.

В процессе проектирования должны рассмат­ риваться с точки зрения себестоимости различ­ ные варианты каждого важного технического ре­ шения. Только вариантный подход может обес­ печить принятие действительно оптимального по себестоимости решения.

Обоснование выбора зависит от имеющегося опыта, принятой в компании практики и наличия соответствующего математического обеспече­ ния для экономической оценки вариантов конст­ рукции. Из опубликованных в открытой литера­ туре методов экономической оценки вариантов конструкции турбины следует отметить работу специалистов Alstom Power Uniturbo [8.1.31].

8.1.З.2. Проектирование на целевую стоимость обслуживания турбины

Статистика [8.1.32] показывает, что полная стоимость обслуживания турбины состоит из стои­ мости запчастей (55.. .65 % - лопатки, 15.. .25 % - роторные детали ограниченного циклического ре­ сурса - диски, валы), стоимости проведения непо­ средственно ремонтов (10.. .20 %) и стоимости об­ служивания в эксплуатации (5 %).

Соответственно, минимизация стоимости об­ служивания достигается уменьшением расходов на запчасти (уменьшением их количества и уве­ личением ресурса) и ремонт (уменьшением коли­ чества ремонтов).

Стоимость замены охлаждаемых лопаток

ГОДможет составлять до 50 % общей стоимости

8.1. Общие вопросы проектирования турбин

ремонта всего двигателя [8.1.33], а цена одной лопатки достигает 3.. .5 тысяч долларов [8.1.34] Практика эксплуатации современных двигате­ лей (ПС-90А, PW2000 [8.1.35], PW4000 [8.1.36], CFM56 [8.1.9, 8.1.37], V2500 [8.1.38]) показывает, что абсолютно все ТВД в ходе эксплуатации под­ вергаются неоднократной модернизации с увели­ чением расхода охлаждающего воздуха для рабо­ чих лопаток, применением материала лопаток с лучшими характеристиками, внедрением тепло­ защитных покрытий, улучшением систем охлаж­ дения лопаток и даже уменьшением температуры газа за счет увеличения расхода воздуха через га­ зогенератор двигателя. Все эти меры направлены на увеличение долговечности именно лопаток,

и все они оправданы увеличением их ресурса. Таким образом, экономия в процессе проекти­

рования на охлаждающем воздухе, на стоимости материала, на трудоемкости системы охлажде­ ния не оправдывается в эксплуатации. Поэтому лопатки должны проектироваться с максималь­ ным запасом по температуре газа, который и дол­ жен обеспечить их долговечность и ремонтопри­ годность.

Уменьшение количества лопаток турбины

тоже уменьшает стоимость обслуживания (и се­ бестоимость), так как уменьшает количество необходимых запчастей. Поэтому уменьшение количества лопаток стало одним из основных на­ правлений при проектировании турбин. Для это­ го разрабатываются и уже применяются техноло­ гии аэродинамического проектирования решеток с «высокой» и «ультравысокой подъемной си­ лой» (Rolls-Royce, MTU), а также «редких» и «ультра-редких» решеток (GE Aircraft Engines). Эти технологии сокращают количество лопаток на 10...20 %, при сохранении эффективности турбины.

Максимальный циклический ресурс ротора турбины. Увеличение допустимой наработки дисков, валов, дефлекторов (а она варьируется в диапазоне от 10 000 до 25 000 циклов) распре­ деляет стоимость их замены на больший срок эксплуатации и снижает стоимость обслужива­ ния летного часа.

Циклический ресурс деталей при проектиро­ вании увеличивается за счет:

- оптимизации уровня и размаха напряже­ ний в рабочем цикле при помощи методов моде­ лирования нестационарного теплонапряженно­ го состояния и методов конечно-элементного анализа;

- оптимизации уровня рабочих температур деталей за счет системы охлаждения.

Стабильность параметров турбины в экс­ плуатации замедляет выработку запаса по темпе­

Глава 8. Турбины ГТД

ратуре за турбиной и увеличивает наработку на ремонт.

Стабильность параметров обеспечивается:

-оптимальной величиной радиальных зазо­ ров РЛ и СЛ в рабочем цикле;

-защитой от окисления и обгорания торца ра­ бочих лопаток ТВД и корпусных вставок над ни­ ми за счет эффективного охлаждения и примене­ ния стойких к окислению и коррозии материалов.

8.1.З.З. Минимизация риска проекта

Основные методы минимизации риска:

-Эволюционный подход к проектированию.

-Создание и использование базы накоплен­ ного опыта.

-Обеспечение готовности применяемых тех­ нологий.

-Использование запасов по температуре газа

ичастоте вращения.

Эволюционный подход (выбор оптимально­ го варианта конструкции с использованием од­ ной из уже разработанных конструкций в качест­ ве базовой) является основным в технической по­ литике любой фирмы. Он дает возможность существенно уменьшить риск, так как затраты на доводку новой конструкции турбины (так назы­ ваемой турбины с осевой линии) могут быть (и очень часто бывают) неприемлемо велики.

Яркий пример эволюционного подхода дает Rolls-Royce. В двигателях семейств RB211 (в эксплуатации с 1972 г.) и Trent (в эксплуата­ ции с 1995 г.) практически сохранены базовые размеры и конструктивные особенности тур­ бин (трехвальная конструкция, одноступенчатая ТВД с бандажированной рабочей лопаткой, од­ ноступенчатая ТСД, сопловая лопатка которой совмещена с опорой подшипников роторов ТВД и ТСД). Для семейства Trent впервые было при­ менено прямое геометрическое моделирование турбины. При этом с 1545 до 1850 К выросла тем­ пература перед ротором ТВД [8.1.39].

Несмотря на увеличение конструктивной и технологической сложности турбины, преемст­ венность конструкции обеспечила уменьшение риска доводки.

Образцом реализации эволюционного подхо­ да можно считать и одноступенчатую ТВД GE Aircraft Engines, разработанную для F101, ис­ пользованную в F110, в семействе CFM56-2/-3/ -5А/-5В/-5С/-7 и смоделированную для исполь­ зования в F414, CF34-10.

База накопленного опыта

Независимо от подхода, реализуемого в кон­ кретном проекте, один из принципов конструи­ рования остается неизменным - это максималь­

ное использование накопленного опыта - базы знаний. Опора на прошлый опыт является самым надежным способом снижения технического

ифинансового риска нового проекта.

Укаждой фирмы этот опыт складывается ис­ торически, и далеко не всегда он формализован

ввиде документации. Носителями его являют­

ся специалисты, математическое обеспечение и процедуры, используемые в процессе проекти­ рования.

На практике использование базы знаний озна­ чает «проектирование в пределах накопленного ранее опыта технических решений»:

-сохранение проверенной эксплуатацией технологии проектирования;

-сохранение принципов конструирования отдельных узлов и деталей, то есть освоенных производственных технологий.

База знаний является одним из основных ус­ ловий успешной реализации целых семейств тур­ бин в рамках эволюционного подхода к проекти­ рованию.

Готовность применяемых технологий

Новые материалы и новые технологии явля­ ются ключевым фактором для успеха новых раз­ работок. Использование новой технологии при проектировании турбины требует предваритель­ ной - по крайней мере, на трех уровнях - провер­ ки ее готовности к использованию.

Первый уровень - это исследовательский уро­ вень (определение концепции и оценка ее потен­ циала).

Второй уровень - это технологическая демон­ страция в узле (оценивается реализуемость и эф­ фективность технологии при модельных испыта­ ниях узла).

Третий уровень - испытания в системе двига­ теля (включая длительные циклические испыта­ ния).

Зарубежные компании ориентируются на шкалу NASA (Национального агентства по аэро­ навтике США), которая оценивает уровень го­ товности технологии в баллах от 0 до 9. Уровень готовности оценивается в зависимости от уровня экспериментальной проверки технологии. Мак­ симальный (9-й) уровень готовности соответст­ вует минимальной степени риска - проверке тех­ нологии в реальной конструкции в летной экс­ плуатации.

Успешное проведение всех испытаний, к со­ жалению, еще не дает гарантии надежной экс­ плуатации с предсказуемым уровнем стоимости обслуживания, так как все условия будущей ра­ боты ни предусмотреть, ни воспроизвести невоз­ можно. Однако внедрение новой конструкции