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

сурсу) замковое соединение с лопатками. Замко­ вое соединение является самымточным поразме­ рам и самым трудоемким в производстве диска. Поломка замкового соединения ведет к обрыву рабочей лопатки, последующему повреждению других лопаток впроточной частиивынужденно­ му выключению двигателя в полете.

В целомприпроектированиидисканеобходимо найти эффективный компромисс между конструк­ тивной сложностью системы охлаждения, затрата­ ми энергоресурсов на охлаждение, свойствами применяемогоматериала, массойистоимостьюпо­ лучаемогодиска. Основнойцелью проектирования (при выполнении всех нормативных запасовпроч­ ности) являетсяобеспечениенеобходимого цикли­ ческого ресурса диска. Циклический ресурс диска определяет величину той части стоимости техни­ ческого обслуживания, которая затрачивается на замену так называемых деталей «ограниченного циклического ресурса» (Life Limited PartsLLP) -

впервую очередь дисков, а также дефлекторов и промежуточных дисков.

Обеспечение циклического ресурса, т.е. запаса прочности по малоцикловой усталости, является

внастоящее времяглавной задачейпри конструи­ ровании диска. Для решения этой задачи модели­

руется изменение по времени (т.е. в нестационар­ ной постановке) механических напряжений

ираспределения температур в деталях ротора

втечение одного рабочего (полетного) цикла. За­ дача решается методом итераций - путем после­ довательных проверок циклического ресурса различных вариантов конструкции (методом ко­ нечных элементов) - с изменением конфигура­ ции, материала, температуры. При оптимизации конфигурации диска и других деталейротора ис­ ключаются или ослабляются концентраторы на­ пряжений - те места, в которых располагаемый циклический ресурс минимален.

Основная часть расчетов проводится в пред­ положении об осевой симметрии основных дета­ лей, что является достаточно близким к истине предположением. Моделирование теплового со­ стояния и напряжений в осесимметричной поста­ новке эффективно по соотношению результатив­ ности и трудоемкости. Окончательная оптимиза­ ция конструкции диска (особенно его фланцевых соединений и замковой части) проводится в пол­ ной пространственной постановке - с моделиро­ ванием распределения нестационарных темпера­ тур и напряжений вспециальновыделенныхпро­ странственных элементах конструкции.

Все эти расчеты проводятсядляротора в целом

-дляучетавзаимодействиядеталейвовремярабо­ ты, котороеиграеточеньважнуюроль. Крометого, все упомянутые деталироторадолжны иметь оди­

8.4. Роторы турбин

наковый ресурс для того, чтобы их можно было за­ менить одновременно, без дополнительной отправки двигателя в ремонт. При этом упрощает­ ся и отслеживание ресурса в эксплуатации с плани­ рованием технического обслуживания.

Максимальная достигнутая величина цикли­ ческого ресурса ротора ТВД составляет 20000.. .25000 циклов. В роторе ТНД может быть достигнуто более высокое значение циклическо­ го ресурса, но с учетом необходимости согласо­ вания этого ресурса с ресурсом роторных дета­ лей ТВД увеличение на 5000 циклов только для ТНД уже не имеет практического значения.

8.4.1.2. Роторы ТВД

Ротор двухступенчатой ТВД ПС-90А2 (рис. 8.83). Конструкцию этого ротора можно счи­ тать во многом типичной для современных авиа­ ционных ТВД по основным характеристикам:

-крепление дисков к валу (передача крутя­ щего момента) болтовыми и шлицевыми соеди­ нениями;

-защита дисков дефлекторами и промежу­ точными дисками от газового потока из проточ­ ной части;

-соединения типа «пушечного замка» для крепления дефлекторов и промежуточных дис­ ков к основным дискам;

-наружное охлаждение дисков и замковых соединений за счет закрытия (наддува) охлаж­ дающим воздухом осевых зазоров между рото­ ром и статором;

-использование нескольких источников ох­ лаждающего воздуха (от разных ступеней ком­ прессора);

-аппарат закрутки для подачи охлаждающе­ го воздуха в ротор;

-цилиндрическая проточная часть над бесполочными рабочими лопатками (для исключе­ ния влияния осевых перемещений ротора на ра­ диальный зазор);

-крепление лопаток к дискам посредством елочных замков.

Диск 1 первой ступени и диск 2 второй ступе­ ни крепятся к валу 3 с помощью болтовых флан­ цевых соединений соответственно с валом 4 и пе­ реходником 5. Переходник передает окружное усилие на вал с помощью шлицевого соединения

6.Рабочие лопатки 7 и 8 крепятся к дискам по­ средством замковых соединений 9 и 10 елочного типа. Проточная часть над бесполочной 1РЛ ци­ линдрического типа.

Передний дефлектор 11 защищает от газа диск 1и замковое соединение 9, а также уплотня­ ет систему подвода воздуха из аппарата закрутки 12 (лопаточной решетки для разгона и закрутки

Глава 8. Турбины ГТД

относительно низким уровнем температуры газа и возможностью использования бандажа для борьбы с вибрациями.

Ротор двухступенчатой ТВД CF6-80C2 (GE Aircraft Engines) (рис. 8.84). Конструкция этого ротора имеет ряд особенностей:

-болты 28 в ободе первого диска 14 для кре­ пления переднего дефлектора29, промежуточно­

го лабиринта 20 и двух промежуточных кониче­ ских дисков 19;

-болты30 вободе второго диска24 длякреп­

ления промежуточного лабиринта 20 и заднего дефлектора 31;

-передача крутящего момента от диска 24

кдиску 14 коническими дисками 19 и промежу­

точным лабиринтом 20;

- передача крутящего момента от ротора к валу 32 ТВД с помощью необычно длинного фланца 33 диска 14 и шлицевого соединения 34

(увеличенная длина затрудняет изготовление, но удаляет шлицы - как концентраторы напряже­ ний - от диска);

-ротор (первый диск, основная часть второ­ го диска, рабочие лопатки) охлаждается возду­ хом из-за КВД; отказ от использования промежу­ точной ступени КВД упростил конструкцию, но увеличил температуру дисков и 2РЛ;

-охлаждающий воздух поступает в ротор че­ рез аппаратзакрутки 8, выполненный не в осевом

(как обычно), а в радиальном направлении;

-полость 13 охлаждается дозированнымрас­ ходом воздуха через отверстия 15, что позволяет

надежно контролировать расход;

-задняя часть диска 24 и дефлектор 31 охла­

ждаются подачей воздуха промежуточной седь­ мой ступени КВД через ЗСА 27 ТНД.

Для охлаждения валов и масляной полости подшипника используются промежуточные от­ боры в компрессоре. Полость 35 между ротором

ТВД и валом ТНД продувается относительно хо­ лодным воздухом из-за КНД, что позволяет хо­ рошо охлаждать вал ТВД и масляную полость. Промежуточный лабиринт 20 охлаждается воз­

духом 11-й ступени КВД (за три ступени до вы­ хода из КВД), который подается через 2СА 22

ТВД (аналогично ПС-90А2). Обе рабочие лопат­ ки ТВД не имеют бандажных полок.

Ротор 2-ступенчатой ТВД V2500 (P&W) (рис. 8.85). Конструкция ротора ТВД V2500 явля­ ется одной из наиболеедолговечных (ресурс 20000 циклов) и производимых в массовом масштабе конструкций. Онаимеетрядособенностейпоотно­ шению к рассмотренным выше роторам ТВД:

-оба диска - первой ступени 1 и второй сту­ пени 2 имеют соответственно длинные фланцы 3

и4 со шлицами 5 для крепления к валу;

Рис. 8.85. Ротор ТВД двигателя V2500 (Pratt&Whitney):

1 - диск первой ступени; 2 - диск второй ступени; 3 - фланец первого диска; 4 - фланец второго диска; 5 - шлицы; 6 - передний дефлектор; 7 - «пушечный» замок;

8 - промежуточный диск; 9 - задний дефлектор второго диска

- дефлектор 6 первого диска имеет сложную форму и крепится к диску «пушечным» замком 7; сложная форма дефлектора обеспечивает мини­ мальные потери давления охлаждающего воздуха.

Конструкции промежуточного диска 8 и зад­ него дефлектора 9 второго диска принципиально одинаковы с ПС-90А2.

Принципиальная конструкция «пушечного» замка показана на рис. 8.86. Фланец диска имеет выступы 1 и пазы 2 между ними. Выступы 3 фланца дефлектора заводятся в пазы и последую­ щим поворотом вводятся в зацепление с высту­ пами 1. В этом положении дефлектор фиксирует­ ся от поворота болтовым соединением или пла­ стинчатыми контровками.

Конструкцию ротора одноступенчатой ТВД целесообразно рассмотреть на примере ТВД CFM56 (GE Aircraft Engines) как самой успешной и распространенной в мире конструкции, а также на примере ТВД PW6000 (Pratt&Whitney) как са­ мой современной конструкции, реализованной с целью минимизации производственной себе­ стоимости и стоимости обслуживания.

Рис. 8.90. Ротор ТНД двигателя PW6000 (разработка

компании MTU):

1 - диски; 2 - фланец диска; 3 - болтовое соединение; 4 - удлиненный фланец диска;

5 - шлицы; 6 - вал ТНД; 7 - дефлектор;

8 - замковое соединение; 9 - полость ротора ТНД; 10 - вал ТВД; 11 - осевой зазор;

12 - балансировочные грузы; 13 - раз1рузочная полость

вых соединениях 9 и лабиринтах 8 охлаждает замковые соединения дисков.

Отсутствие ограничений на массу дисков по­ зволило выполнить диски с достаточным запа­ сом прочности для возможной раскрутки ротора, применить более дешевые материалы и унифи­ цировать конструкцию дисков.

Ротор силовой турбины промышленного дви­ гателя GT10C (см. рис. 8.88). Полезная мощность 29 МВт, частота вращения 6500 об/мин. Двига­ тель предназначен для механического привода

ипривода электрогенератора (через редуктор). Ротор СТ имеет два диска 17, стянутые бол­

том 18, который одновременно крепит диски к фланцу диска 19 и с обоих концов затянут гай­ ками 20 к 21. Ротор не имеет дефлекторов и про­ межуточных дисков. Уплотнение радиального зазора по внутреннему кольцу соплового аппара­ та реализуется с помощью лабиринтов 22, выпол­

8.4. Роторы турбин

ненных заодно с дисками на удлиненных флан­ цах 23 и 24. Ротор СТ не охлаждается.

Обе рабочие лопатки имеют бандажные полки очень малого размера (под один гребешок лаби­ ринтного уплотнения), предназначенные в основ­ ном для контроля вибронапряжений в лопатках.

8.4.1.4. Примеры доводки и совершенствования роторов

Модернизация ротора ТВД CF6-80C2 для увеличения циклического ресурса. Конструк­ ция ротора ТВД CF6-80C2 (см. рис. 8.84) имеет долгую историю доводки в эксплуатации и дос­ тигла ресурса в 15 000 циклов. Модернизация (рис. 8.92) была предпринята с целью увеличения ресурса до 20 000 циклов (это оказалось необхо­ димо для уменьшения стоимости эксплуатации двигателя на коротких маршрутах).

Как видно из сравнения (см. рис. 8.84 и рис. 8.92), основными мероприятиями по уве­ личению циклического ресурса являются:

-исключение отверстий под болты 28 и 30 (см. рис. 8.84) в ободных частях дисков (это ме­ роприятие ликвидировало значительные концен­ траторы напряжений);

-замена лабиринтных уплотнений 29 и 31 (см. рис. 8.84), которые крепились болтами, де­ флекторами / и 2 (см. рис. 8.92);

- замена промежуточного лабиринта 20 (см. рис. 8.84), который через болты передавал свою центробежную нагрузку дискам, полноцен­ ным промежуточным диском 3 (см. рис. 8.92) (этот диск имеет ступицу и сам несет свою центробеж­ ную нагрузку, уменьшая нагрузку на основные диски);

- использование для дисков и дефлекторов нового материала с улучшенными прочностны­ ми характеристиками.

Как видно из сравнения, длина переднего фланца 33 (см. рис. 8.84) диска первой ступени (имеющего шлицы для крепления к валу) практи­ чески не изменилась. Передний дефлектор 1 (см. рис. 8.92) имеет отверстие 4 для воздуха из аппарата закрутки, полость за которым уплотне­ на лабиринтами 5 и 6. Размещение аппарата за­ крутки на большем диаметре позволило снизить температуру охлаждающего воздуха для рабочих лопаток и увеличить их долговечность.

Развитие конструкции ротора ТВД семейст­ ва RB211/Trent (Rolls-Royce). В наиболее совер­ шенных двигателях семейства RB211 (RB211-535Е4 и RB211-524D4C/D) применен ро­ тор ТВД, показанный на рис. 8.93, а [8.4.1]. К его особенностям можно отнести уплотнение аппара­ та закрутки 1 лабиринтами 2 и 5, выполненными заодно с диском. Но такое решение может быть

опасным из-за возможности развития в диск кон­ тактных повреждений в лабиринте и уменьшает ремонтопригодность такой дорогостоящей дета­ ли, как диск (после вполне обычной приработки лабиринта).

Охлаждающий воздух поступает в рабочие ло­ патки из полости 4 за аппаратом закрутки через от­ верстия в ободе диска (показанные на рис. 8.111). Сзади рабочие лопатки закреплены пластинчаты­ ми фиксаторами 5, одновременно уплотняющими замковое соединение от перетеканий газа.

Конструкция ротора ТВД, примененная на са­ мой современной модели Trent (рис. 8.93, б [8.4.2]), тоже использует аппарат закрутки 1. Од­ нако к диску ТВД спереди прикреплен болтовым соединением передний дефлектор 6 с лабиринта­ ми 2 и 3, уплотняющими полость за аппаратом закрутки. Таким образом, из конструкции исклю­ чены лабиринты на самом диске.

Охлаждающий воздух проходит через отвер­ стия в дефлекторе 6 в полость между дефлекто­ ром и диском, откуда сбоку попадает в полость 7

под рабочей лопаткой. Таким образом, в новой конструкции исключены и отверстия в ободе диска, являющиеся концентраторами напряже­ ний. Сзади обод диска уплотнен небольшим де­ флектором 8, фиксирующим лопатку от сдвига назад и уплотняющим от перетеканий газа через замковое соединение.

Новый диск ТВД имеет более широкую ступи­ цу, что может быть связано с увеличением часто­ ты вращения (для парирования увеличения аэро­ динамической нагрузки с увеличением темпера­ туры газа). Передний фланец 9 диска несколько опущен вниз - в место с более низким уровнем на­ пряжений. Обращает на себя внимание и приме­ нение ребер 10 для «подкачки» охлаждающего воздуха на рабочую лопатку.

8.4.1.5. Предотвращение раскрутки и разрушения дисков

Нарушение кинематической связи вала турби­ ны с валом компрессора или потребителя мощно­ сти может привести к раскрутке ротора турбины