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

Глава S. Турбины ГТД

и разрушению дисков. Удержание осколков дис­ ков (в отличие от лопаток) в пределах корпуса турбины невозможно и вылетевшие наружу ос­ колки могут привести и чаще всего приводят к катастрофическим последствиям, особенно ес­ ли это случилось в полете.

Практика испытаний и эксплуатации двухвальных авиационных двигателей показывает, что при поломке вала газогенератора (на стенде или в полете) ротор ТВД не уходит в раскрутку, а сдвигается назад (это допускает конструкция роликового подшипника) под действием разни­ цы давлений и тормозится о статор. Для рас­ крутки ротору ТВД не хватает мощности, в том числе из-за уменьшения оборотов и помпажа компрессора.

В отличие от ТВД роторы ТНД и СТ при поте­ ре кинематической связи с компрессором обыч­ но имеют достаточную мощность для быстрой раскрутки, так как продолжающий вращаться ротор газогенератора обеспечивает сохранение значительной части давления и расхода газа на входе в турбину. Как показывает опыт, для достижения оборотов разрушения ротору ТНД (не имеющему конструктивных мероприятий против раскрутки) достаточно 0,2...0,3 секунды. За это время частота вращения увеличивается на 3000...4000 об/мин.

Исключение такого развития событий обеспе­ чивается при проектировании турбины и двига­ теля в целом.

Наиболее простым решением является увели­ ченный запас по прочности дисков - так, чтобы лопатки ротора в любом случае оборвались рань­ ше достижения опасной для диска частоты вра­ щения и лишили ротор крутящего момента. Од­ нако такое решение из-за увеличенной массы дисков применимо только для наземных турбин. Оно использовано, в частности, в СТ ПС-90ГП-2 (см. рис. 8.91).

Для авиационных ТНД связанное с утолщени­ ем дисков увеличение массы является неприем­ лемым. Поэтому для остановки ротора авиацион­ ной ТНД применяются специальные меры - от­ сечка топлива (как можно более быстрая) и/или обеспечение увеличенного тормозящего момен­ та ротора о детали статора.

Система с отключением поступления топли­ ва и обеспечением эффективного механическо­ го торможения ротора ТНД о статор (такую сис­ тему называют комплексной) реализована для ТНД ПС-90А. Отключение подачи топлива про­ изводится по сигналу датчиков, контролирую­ щих превышение заранее установленного мак­ симального значения частоты вращения ротора или изменение разности частоты вращения

(«скольжения») роторов ТНД и КНД (вентиля­ тора).

Наиболее эффективным (по простоте) решени­ ем является обеспечение достаточного тормозя­ щего момента для остановки ротора. Это решение применено в большинстве авиационных конст­ рукций и реализуется специальными конструк­ тивными мерами, к которым относятся:

-исключение препятствий для сдвига осво­ бодившегося ротора турбины назад (под дейст­ вием перепада давления) для наиболее полного контакта со статором;

-исключения возможности упора ротора (во время сдвига назад) в небольшое пятно контакта -

вэтом случае под действием сил трения металл

вэтом пятне контакта плавится и образуется вре­ менный «упорный подшипник», на котором ротор практически беспрепятственно раскручивается;

-искусственное увеличение тормозящего момента - выгнутая вперед входная кромка од­ ной из сопловых лопаток (см. рис. 8.18, 8.20), ко­ торая увеличивает площадь зацепления с выход­ ной кромкой лопатки ротора.

8.4.2. Рабочие лопатки турбин

Рабочие лопатки - сложные и дорогостоящие детали турбины. Так же, как и сопловые лопатки, они находятся под воздействием высокотемпера­ турного газового потока. Кроме того, в отличие от сопловых лопаток, рабочие лопатки подверга­ ются воздействию центробежных сил, вращаясь с частотой до 20000 об/мин и окружной скоро­ стью до 600 м/с. Напряжения от центробежных сил делают рабочие лопатки более чувствитель­ ными и к вибрационным нагрузкам. Необходи­ мость противостоять всем этим нагрузкам опре­ деляет конструкцию рабочих лопаток.

Общая характеристика рабочих лопаток

Лопатка (в общем виде - рис. 8.94) состоит из профильной части, замка, нижней и верхней (бан­ дажной) полок, а также ножки, соединяющей про­ фильную часть и нижнюю полку с замком. Основ­ ными и обязательными частями рабочей лопатки являются профильная часть, замок и нижняя пол­ ка. Профильная часть 8 (см. рис. 8.82) рабочей ло­ патки при установке лопаток в диск образует ло­ паточный венец, обеспечивающий необходимый поворот и расширение потока рабочего тела с ми­ нимальными потерями - т.е. выполнение главной задачи лопатки.

Замок 9 рабочей лопатки обеспечивает крепле­ ние лопатки в диске - в пазах 3 между выступами 2 на ободе диска. Соединение лопатки с диском производится с помощью замкового соединения

Глава 8. Турбины ГТД

ствовать. Увеличение длины ножки позволяет уменьшить диаметр обода диска и в общем слу­ чае уменьшить диаметр и массу диска (увеличе­ нию длины ножки может препятствовать умень­ шение поперечного сечения выступов диска и увеличение массы лопатки). Увеличение длины ножки позволяет также снизить поток тепла от проточной части и профильной части лопаток

вдиск. Кроме того, при минимизации уровня вибрационных напряжений в лопатке изменение ее длины за счет ножки предоставляет опреде­ ленные возможности по управлению вибрацион­ ными характеристиками лопатки.

Бандажная полка служит для размещения ла­ биринтного уплотнения радиального зазора над рабочей лопаткой (на полке может быть размеще­ но от одного до трех зубцов). Кроме того, бандаж­ ная полка в большинстве случаев служит средст­ вом управления вибрационными характеристика­ ми лопаток. При проектировании бандажной полки необходимо ее центр тяжести разместить

вцентре тяжести верхнего сечения пера. При этом кромки полки должны иметь минимальное «свисание» относительно профиля - для уменьшения напряжений изгиба от центробежных сил.

Для ТВД проблема дополнительных напря­ жений в профильной части и замке от массы бандажной полки может быть очень острой, так как там уровень напряжений и так высок. Кроме того, в ТВД бандажные полки чаще всего требу­ ют охлаждения из-за высокого уровня темпера­ туры газа. При этом в первой ступени ТВД из двух рассмотренных выше направлений исполь­ зования бандажной полки (уменьшение потерь КПД в радиальном зазоре и демпфирование виб­ раций) чаще всего можно воспользоваться толь­ ко первым. Большая жесткость на кручение короткой и толстой (из-за размещения каналов охлаждения) профильной части лопатки затруд­ няет выбор правильных параметров зацепления (в этом случае трудно выбрать оптимальный на­ тяг из-за опасности возникновения больших на­ пряжений в лопатке). Это приводит к тому, что

вбольшинстве случаев рабочие лопатки ТВД выполняются без бандажных полок (таковы все рассмотренные в подразд. 8.1.2 конструкции ТВД GE Aircraft Engines и Pratt&Whitney). Для рабочей лопатки второй ступени ТВД гораздо больше возможностей для применения полки. Однако и здесь полку применяют сравнительно редко (например, ТВД ПС-90А2). Известным современным исключением из правила приме­ нения бесполочных рабочих лопаток на первой ступени ТВД служат рабочие лопатки ТВД RB211/Trent компании Rolls-Royce (рис. 8.104). Следует, правда, иметь в виду, что одноступен­

чатая ТВД с полочной лопаткой в двигателях Rolls-Royce имеет не очень высокий перепад давлений (около 3.0).

«Разгрузка» профильной части лопатки от напряжений изгиба

На рабочие лопатки действуют как центро­ бежные, так и газовые силы - силы газового по­ тока, возникающие от разницы давлений перед лопаточным венцом и за ним, а также от разни­ цы давления между корытом и спинкой. От дей­ ствия этих сил возникают напряжения изгиба, которые действуют совместно с напряжениями от центробежных сил. Однако для рабочих усло­ вий возможна почти полная компенсация напря­ жений изгиба за счет центробежных сил при конструировании профиля лопатки. При этом центры тяжести расчетных сечений располага­ ют на линии, расположенной под наклоном к ра­ диальному направлению - так, чтобы возникаю­ щий при действии центробежных сил момент был направлен прямо противоположно дейст­ вию суммарного момента газовых сил. Смеще­ ние центров тяжести от радиального направле­ ния определяется в расчетах на прочность. Пол­ ная компенсация газовых сил возможна только для определенных рабочих условий (режима), так как величина газовых сил изменяется в зави­ симости от абсолютных параметров режима ра­ боты турбины.

Обеспечение вибрационной прочности рабочих лопаток

Практика доводки показывает, что случаи об­ рыва рабочих лопаток по причине недостаточной статической прочности встречаются очень редко и чаще всего в результате каких-либо производ­ ственных отклонений. В то же время доводка рабочих лопаток для снижения уровня вибронап­ ряжений является обычным делом. Это объясня­ ется тем, что точность аналитических предсказа­ ний средней температуры и среднего уровня на­ пряжений (необходимых для определения статической прочности лопатки) существенно выше, чем при определении резонансной часто­ ты вращения и уровня вибрационных напряже­ ний. Более того, даже проведение необходимых экспериментальных работ по определению виб­ ронапряжений в лопатках не дает полной уверен­ ности в форме колебаний, их частотном диапазо­ не, уровне и месте возникновения.

Дело в том, что для правильного проведения такого эксперимента (выбора его методологии, типа датчиков и их расположения) необходимо предварительное моделирование вибрационных характеристик лопаток в инженерном пакете вы­

сокого уровня (ANSYS, NASTRAN). Однако точ­ ность аналитического моделирования (построе­ ние сеток, задание корректных граничных усло­ вий) не может быть заранее гарантирована. Поэтому такое большое значение при проектиро­ вании рабочих лопаток придается обеспечению приемлемого уровня вибронапряжений и необ­ ходимых запасов по частоте вращения от резо­ нансных частот.

Источниками возбуждения колебаний могут служить форсунки камеры сгорания, сопловые лопатки, стойки промежуточных опор и т.д. По­ скольку точно предсказать источник возникнове­ ния опасной частоты часто невозможно, целесо­ образно исключить саму возможность возникно­ вения колебаний за счет конструкции лопатки. В общем случае необходимо, чтобы конструкция лопатки по своим характеристикам (жесткости, моменту инерции, площади отдельных сечений, массе отдельных элементов) исключала саму возможность появления резонансов в рабочем диапазоне частоты вращения.

В случае неудовлетворительных результатов анализа вибрационных характеристик произво­ дится следующая итерация проекта лопатки с не­ обходимыми изменениями. Иногда необходимо начинать новую итерацию с изменения площа­ дей и момента инерции базовых профилей в аэ­ родинамическом проектировании.

Однако исключение возможности возникно­ вения колебаний за счет конструкции лопатки возможно далеко не всегда и в этом случае при­ меняются два средства управления (с ограничен­ ными возможностями) уровнем вибронапряже­ ний в лопатках.

Первое из них - это применение бандажной пол­ ки на верхнем конце рабочей лопатки, имеющей за­ цепления с полками соседних лопаток специальны­ ми контактными поверхностями (см. рис. 8.94). Контактные поверхности бандажных полок ло­ паток соединяются в колесе между собой с мон­ тажным «натягом» и демпфируют колебания ло­ паток за счет трения. Окружной размер по кон­ тактным поверхностям делают больше шага лопаток в колесе, при этом полку при сборе лопа­ ток в колесо необходимо повернуть и тем самым между полками создается «натяг». Чем меньше жесткость пера лопатки на кручение, тем больше надо делать натяг. Угол контактных поверхно­ стей по отношению к окружному направлению может изменяться от 45 до 15 градусов (см. рис. 8.94). При уменьшении этого угла натяг рас­ тет даже при незначительном увеличении момен­ та, прикладываемого к полке при сборе лопаток в колесо. Все эти величины оптимизируются при прочностном расчете лопатки.

8.4. Роторы турбин

Второе средство управления уровнем вибро­ напряжений - демпферы 7, устанавливаемые под нижнюю полку 2 лопатки (см. рис. 8.95). Для лопаток, не имеющих бандажной полки (или имеющих бандажную полку «аэродинами­ ческого» назначения - без контактных граней), они применяются в обязательном порядке. Кон­ тактными поверхностями 3 демпферы прижима­ ются (за счет центробежных сил) к нижним по­ верхностям полок 2 и за счет трения уменьшают (демпфируют) колебания лопаток. Демпферы влияют в основном на уровень вибронапряже­ ний и относительно слабо - на собственную час­ тоту колебаний лопатки.

Обеспечение малоцикловой прочности рабочих лопаток

Запас по малоцикловой усталости рабочих ло­ паток реализуется при анализе и последующей оптимизации циклической долговечности конст­ рукции лопатки в 20-постановке (для отдельных сечений по длине лопатки) и 3D-постановке (для лопатки в целом и ее отдельных наиболее напря­ женных - по тепловым и центробежным нагруз­ кам - элементов). При моделировании типового рабочего цикла турбины моделируются размах (изменение местного уровня напряжений от ми­ нимального до максимального с учетом знака) и темп изменения напряжений в отдельных эле­ ментах лопатки за весь рабочий цикл. Для от­ дельных сечений и пространственных элементов лопатки большое значение имеет уровень ста­ ционарных и нестационарных температурных напряжений.

При моделировании напряжений в рабочем цикле особую трудность представляет собой дос­ товерное моделирование граничных условий для всех критических с точки зрения малоцикловой прочности элементов конструкции лопатки. По­ этому на настоящем этапе в оптимизации и до­ водке конструкции лопатки по малоцикловой ус­ талости наиболее важно использовать и правиль­ но интерпретировать свой и чужой опыт.

Изготовление лопаток современных турбин

Лопатки современных турбин почти исклю­ чительно отливаются по выплавляемым моде­ лям. Лопатки ТВД могут изготавливаться по спе­ циальной технологии заливки и охлаждения - с получением отливки с направленной кристал­ лизацией или монокристалла. В отливках рабо­ чих лопаток механической обработке подверга­ ются только поверхности «елочного» замкового соединения, сопрягаемые поверхности бандаж­ ной полки и (в лопатках с пленочным охлаждени­ ем) отверстия перфорации.

Глава S. Турбины ГТД

При проектировании лопаток особое внима­ ние должно уделяться возможностям производ­ ства. Это относится к выбору толщины профиля в каждом сечении, диаметру входной и особенно выходной кромок. Для охлаждаемых лопаток важны минимальная толщина стенки и возмож­ ность изготовления каналов охлаждения внут­ ренней полости и выходной кромки. Только так может быть обеспечен экономически оправдан­ ный процент выхода годного литья.

В настоящее время сложности в обеспечении экономики литейного лопаточного производства привели к сосредоточению основных мощностей по литью лопаток в руках субподрядчиков. На­ пример, компания Howmet выполняет заказы на отливки лопаток основных двигателестроитель­ ных фирм (GE Aircraft Engines, Pratt&Whitney) и крупнейших производителей стационарных турбин (Siemens, Alstom).

8.4.2.1. Соединение рабочих лопаток с диском

Соединение рабочих лопаток с диском - на­ пряженное и ответственное место в конструкции турбины.

В настоящее время крепление рабочих лопа­ ток в диске турбины выполняется в виде так на­ зываемого «елочного» замка. Конструктивная форма «елочного» замка с тремя парами зубьев показана на рис. 8.96.

Зубья под действием центробежной силы

иизгибающих моментов работают на срез, изгиб

исмятие, а сечения по впадинам замка лопатки

ивпадинам выступов в диске - на растяжение. Зубья в лопатке и в диске выполняются с боль­ шой точностью, чтобы обеспечить равномер­

ность контакта зубьев по всей поверхности - как по длине, так и ширине. Например, допуск на шаг зубьев составляет порядка 0,008...0,016 мм. Так обеспечивается равномерное нагружение всех зубьев соединения и избегается опасная пере­ грузка отдельных элементов замка.

«Елочный» замок нашел исключительное применение на практике благодаря своим сле­ дующим достоинствам:

-клиновидная форма замковой части лопат­ ки и периферийной части диска обеспечивает близкое к равномерному распределение напря­ жений (толщина обода и масса диска с лопатками получаются минимальной).

-свободная посадка лопатки в замке (с зазо­ ром) устраняет возникновение температурных напряжений в соединении;

-возможна легкая замена лопаток в колесе при переборках узла или их повреждении.

При построении «елочного» замка основными параметрами являются шаг лопаток по наружно­ му диаметру диска, угол клина и количество зубьев.

-Угол клина замка выбирается, как правило,

впределах 30.. .45°, число зубьев - от двух до пя­ ти. С увеличением числа зубьев уменьшается ве­ личина нагрузки на каждый зуб, но увеличивает­ ся концентрация напряжений, так как при боль­ шем числе зубьев величина радиуса впадин зубьев уменьшается. Поэтому меньшее число пар зубьев предпочтительнее.

-Наиболее нагруженное поперечное сечение

вперемычке выступов диска находится у основа­ ния выступов, а у лопатки - в первой впадине замка. Для снижения напряжений в элементах

замкового соединения ширину обода диска дела­ ют несколько больше толщины полотна.

-Пазы в диске изготавливаются протяжкой,

азамковая часть лопаток - фрезерованием или шлифованием. Для повышения усталостной прочности поверхности «елочного» замка лопат­ ки могут быть упрочнены, например, обдувкой микрошариками.

Закрепление рабочих лопаток в диске (от пе­ ремещения вдоль паза) производится нескольки­ ми способами (рис. 8.97).

Прежде всего, замок 1 лопатки фиксируется от перемещений соседними деталями ротора - ободной частью дефлекторов 2, промежуточных дис­ ков 3, лабиринтов 4. Каждая деталь фиксирует за­ мок от перемещения в одном направлении. Одно­ временно все эти детали могут служить защитой от газового потока и создавать полости для подво­ да охлаждающего воздуха и улучшения охлажде­ ния обода диска и замкового соединения.

8.4. Роторы турбин

Для фиксации от перемещения в двух проти­ воположных направлениях замок может фикси­ роваться специальными пластинами 5 и б, кото­ рые одновременно служат уплотнением замково­ го соединения от перетекания газа через зазоры между замком лопатки и выступом диска.

Наиболее простым элементом фиксации зам­ ка служат пластинчатые замки - двусторонние 7

иодносторонние 8.

8.4.3.Охлаждение рабочих лопаток

Схемы охлаждения лопаток отличаются боль­ шим разнообразием. В основном выбор схемы охлаждения определяется температурой газа в конкретной турбине. Выбор должен быть опти­ мизирован по расходу охлаждающего воздуха, характеристикам турбины и долговечности ло­ патки - с точки зрения характеристик двигателя и себестоимости конструкции.