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

Мероприятия, вводимые в конструкцию дви­ гателя и летательного аппарата, обеспечивают достаточно высокий уровень защиты КВД от по­ падания посторонних предметов.

5.8.3. Особенности конструкций систем защиты ГТД наземного применения от попадания посторонних предметов

Для ГТУ наземного применения в отличие от авиационных ГТД, в силу менее жестких ограни­ чений по габаритам и массе, применяются ста­ ционарные воздухоприемные устройства со сту­ пенчатой системой очистки воздуха.

Типовая схема воздухоочистки состоит из двухступенчатой системы:

- первая ступень очистки воздуха для улав­ ливания частиц размером до 10 мкм - циклонные блоки или щелевые инерционные воздухоочи­ стители;

- вторая ступень очистки воздуха для улав­ ливания более мелких частиц - фильтры тонкой очистки.

На период пуско-наладочных работ (первые 500-1000 ч работы) на лемнискатный воздухоза­ борник ГТУ устанавливается мелкоячеистая сет­ ка для защиты компрессора от попадания эле­ ментов конструкции входного устройства.

5.9. Особенности конструкции компрессоров ГТД наземного применения

Цикл работы промышленного двигателя суще­ ственно отличается от цикла работы авиационно­ го, он характеризуется меньшей нагруженностью и большей продолжительностью. Таким образом, появляется возможность использовать отработав­ шие на авиационном двигателе детали на про­ мышленном двигателе - дать им «вторую жизнь». Этот путь наиболее быстр и наименее затратен, однако не позволяет в полной мере использовать потенциал конструкции компрессора.

Оптимальным с точки зрения затрат и ожидае­ мой эффективности является второй путь - соз­ дание компрессора на базе высокоэффективного компрессора авиационного двигателя, прошед­ шего доводку и всеобъемлющие испытания. По­ добное решение настолько привлекательно, что даже при необходимости создания компрессора другой производительности выгоднее моделиро­ вать (масштабировать) существующий компрес­ сор, чем проектировать новый. Тем не менее спе­ цифика использования компрессора в стационар­ ной ГТУ определяет некоторые особенности конструкции и подходы к проектированию.

При создании компрессора для двигателя лета­ тельного аппарата очень остро стоит вопрос ми­ нимизации массы конструкции. Этим обуславли­ вается необходимость применения материалов с возможно низкой удельной массой и высокими механическими свойствами: титановых сплавов, высоколегированных сталей и специальных спла­ вов. Такие материалы довольно дороги и зачастую труднообрабатываемы. Дополнительно для сни­ жения массы в конструкции узлов авиационных двигателей применяют облегчающие проточки, фрезеровки, используют детали сложной про­ странственной конфигурации.

Для компрессора стационарного двигателя требование минимальной массы отходит на вто­ рой план. В связи с этим применение дорогих труднообрабатываемых материалов для сниже­ ния массы нецелесообразно. Желательно приме­ нение деталей простых форм с необходимым ми­ нимумом механической обработки. Требуемые запасы прочности обеспечиваются увеличением сечения деталей. На рис. 5.74 показаны части корпуса компрессора авиационного двигателя и созданного на его базе корпуса компрессора двигателя наземного применения.

С большой осторожностью следует подхо­ дить к вопросу замены марки материала особо ответственных и сложных в доводке деталей (ва­ лов, дисков, лопаток). Изменение материала этих деталей может потребовать проведения дорого­ стоящих экспериментальных работ - тензометрирования и частотной отстройки лопаток, экви­ валентно-циклических испытаний дисков и ва­ лов и т.п.

В качестве исполнительных механизмов по­ ворота лопаток ВНА и НА могут применяться как традиционные для авиационных двигателей гидро- и пневмоцилиндры, так и электропроводы. В случае использования гидроприводов при­ ходится предусматривать специальный гидрона­ сос, поскольку в отличие от авиационного двига­ теля, где в качестве рабочего тела используется

Рис. 5.74. Часть корпуса компрессора авиационного

двигателя (вверху) и созданный на его базе

корпус компрессора наземного двигателя

Глава 5. Компрессоры ГТД

давление топлива основного топливного насоса, промышленные двигатели чаще всего использу­ ют газовое топливо.

Как известно, на величину требуемых мон­ тажных и рабочих радиальных зазоров между ра­ бочими лопатками и корпусом, между лопатками НА и ротором влияют предполагаемые условия работы двигателя. Цикл работы промышленного двигателя по сравнению с авиационным характе­ ризуется меньшей напряженностью, более узким диапазоном рабочих режимов, большей длитель­ ностью переходных режимов - запуска приеми­ стости и сброса. Это позволяет в компрессоре промышленного двигателя иметь меньшие мон­ тажные и рабочие радиальные зазоры. Уменьше­ ние радиальных зазоров положительно сказыва­ ется на параметрах компрессора - компрессоры промышленных двигателей, созданные на базе авиационных, имеют, как правило, более высо­ кий, чем у прототипа, КПД.

5.10. Особенности работы компрессора в парогазовом цикле

Для эффективного использования ГТЭС в со­ ставе ПТУ необходимо поддержание максималь­ но возможной температуры газа за турбиной (Т*) при снижении температуры наружного воздуха (tH) и при дросселировании ГТД. Основной осо­ бенностью работы компрессора в парогазовом цикле является то, что поддержание Т* обеспечи­ вается прикрытием лопаток ВНА и НА компрес­ сора для снижения расхода воздуха при постоян­ ной частоте вращения.

Особенности работы компрессора в парогазо­ вом цикле рассмотрим на примере компрессора ГТЭ-180.

Компрессор ГТЭ-180 является моделью (Км= 3,477) КВД авиационного двигателя ПС-90А. Основными особенностями его работы в парогазовом цикле, связанными с изменением угла установки лопаток ВНА и НА от основной программы управления, являются:

-изменение запасов устойчивой работы ком­ прессора;

-изменение максимального момента, дейст­ вующего на вал механизации управления ВНА.

Всвязи с тем, что компрессор ГТЭ-180 нахо­ дится на одном валу с электрогенератором, физи­ ческие обороты компрессора всегда постоянны

иравны 3000 об/мин. При изменении температу­ ры окружающей среды tHизменяются приведен­ ные обороты компрессора. Рассмотрим особен­ ности работы компрессора в парогазовом цикле при/н= +15 °С.

На рис. 5.75 приведены зависимости темпера­ туры газа за турбиной Т* от мощности ГТУ при фиксированном положении ВНА и при прикры­ тии ВНА. На рис. 5.76 приведена зависимость от­ носительной мощности ГТУ от прикрытия ВНА. Как видно из рисунков, для поддержания посто­ янной Т* необходимо прикрытие лопаток ВНА. Но при снижении мощности ГТУ ниже 0,5NmM поддержание постоянной Т* невозможно из-за ограничения величины прикрытия ВНА.

Прикрытие ВНА при фиксированной частоте вращения ротора приводит к изменению запасов устойчивой работы компрессора из-за рассогла­ сования в работе отдельных ступеней. Макси­ мальная величина прикрытия ВНА определяется исходя из условия, что запасы устойчивой рабо­ ты компрессора должны быть не ниже минималь­ но допустимого уровня.

Для определения максимальной величины прикрытия ВНА проведены расчетно-экспери­ ментальные работы по определению напорных характеристик компрессора при различных зна­ чениях прикрытия ВНА от исходной программы регулирования.

На рис. 5.77 приведены расчетно-эксперимен­ тальные напорные характеристики компрессора при различных значениях прикрытия ВНА от ис­ ходной программы регулирования компрессора и расчетная линия рабочих режимов. На рис. 5.78 представлены фактические и минимально допус­ тимые запасы устойчивой работы компрессора по критерию:

Из рисунка видно, что прикрытие ВНА от ис­ ходной программы регулирования более чем на 30° приводит к снижению запасов устойчивости ниже допустимого уровня. Поэтому максималь­ ная величина прикрытия ВНА от исходной про­ граммы регулирования при t*x =+15 °С равна 30°.

На рис. 5.79 представлена зависимость макси­ мального допустимого прикрытия лопаток ВНА от исходной программы регулирования. На рис. 5.80 приведена зависимость максимального допустимого прикрытия ВНА от приведенной частоты вращения компрессора.

Прикрытие лопаток ВНА и НА при постоян­ ной частоте вращения приводит к изменению мак­ симального момента, действующего на вал меха­ низма управления BELAи НА. Это изменение в ос­ новном связано с увеличением аэродинамических сил, действующих на лопатки ВНА и НА.

По данным расчета прикрытие ВНА от исход­ ной программы регулирования на 24 градуса

(при ппр= 3000 об/мин) приводит к изменению аэ­ родинамического момента от минус 21,5 кгс-м до 208 кгс-м. Поскольку на данном режиме работы компрессора крутящий момент от аэродинамиче­ ских сил составляет не менее 25 % от суммарного

момента (с учетом момента от сил трения в меха­ низме управления), то работа компрессора в па­ рогазовом цикле требует учета увеличения усилия на штоке механизма управления ВНА и НА.

Глава 5. Компрессоры ГТД

5.11. Материалы, применяемые для деталей компрессоров

Выбор материалов компрессора осуществляет­ ся исходя из свойств материала в рабочих условиях эксплуатации. Деталь, изготовленная из выбранно­ го материала, должна удовлетворять нормам проч­ ности при заданных надежности и ресурсе.

5.11.1. Характеристики применяемых материалов

В компрессоре применяются четыре основ­ ные группы материалов:

-алюминиевые сплавы - в диапазоне темпе­ ратур, не превышающих 250 °С;

-титановые сплавы - в диапазоне темпера­

тур, не превышающих 500 °С;

-стали и жаропрочные сплавы - в диапазоне температур, превышающих 450...500 °С;

-полимерные композиционные материалы -

вдиапазоне температур, не превышающих 150...250 °С.

Некоторые свойства перечисленных материа­

лов приведены в табл. 5.1.

5.11.1.1. Титановые сплавы

В настоящее время наиболее широко в миро­ вой практике применяются в конструкции ком­ прессоров титановые сплавы. Титановые сплавы при сравнительно небольшой плотности (= 4,5 г/см3 против = 7,8...8,3 г/см3 у сталей) обла­ дают соизмеримым со сталями пределом прочно­ сти. Поэтому, заменяя стальные детали на титано­ вые, можно получить заметное снижение массы компрессора, а значит, и всего двигателя в целом.

Вто же время необходимо учитывать, что

сувеличением рабочей температуры механиче­ ские свойства титановых сплавов заметно пада­ ют. Кроме этого, титановые сплавы чувствитель­ ны к концентраторам напряжений, как заложен­ ным в конструкции детали, так и появившимся

врезультате нарушения технологического про­ цесса при изготовлении. Немаловажным факто­ ром является также возможное нарушение тем­ пературного режима при изготовлении и экс­ плуатации деталей из титановых сплавов. Все перечисленное может привести к заметному сни­ жению сопротивления усталости.

Еще одним фактором, который необходимо учитывать при проектировании деталей из тита­ новых сплавов, является так называемый «тита­ новый пожар». Это явление возникает при про­ должительном непрерывном контакте двух вза­ имно подвижных поверхностей из титановых сплавов. При этом детали разогреваются и про­

исходит их сварка и даже возгорание. Для того чтобы освободиться от такого явления, на одну из деталей, находящихся в зоне вероятного кон­ такта, следует нанести прирабатываемое покры­ тие. В некоторых случаях даже принимают реше­ ние изготовить одну из деталей из другого мате­ риала, в том числе из стали, хотя это и ведет к увеличению массы конструкции.

5.11.1.2. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы обладают еще меньшей массой - 2,65...2,85 г/см3. Однако их механиче­ ские свойства и диапазон рабочих температур значительно ниже, чем сталей и титановых спла­ вов, что резко снижает область их применения. Препятствием для применения таких сплавов также является сравнительно низкая коррозион­ ная стойкость. Материал требует применения специальных эмалевых или других покрытий для предотвращения коррозии.

5.11.1.3. Стали и жаропрочные никелевые сплавы

Эти материалы являлись бы оптимальными для изготовления деталей компрессора, посколь­ ку они обладают наилучшими механическими свойствами, самым широким среди рассматри­ ваемых материалов диапазоном рабочих темпе­ ратур, высокими эрозионными и коррозионными свойствами. Все это обусловило их полное доми­ нирование на раннем этапе существования ГТД. Однако задача обеспечения минимальной массы может решаться только применением более лег­ ких материалов.

5.11.1.4. Полимерные композиционные материалы

В настоящее время в авиадвигателестроении все шире применяются ПКМ, обладающие отно­ сительно высокими механическими свойствами при сравнительно низкой удельной массе (табл. 5.1). До недавнего времени главным огра­ ничением их применения являлись невысокие ра­ бочие температуры до 100 °С, но за последний го­ ды этот предел достиг 250 °С (для стеклопласти­ ков), а для отдельных новых материалов и 350 °С.

ПКМ состоит из двух основных компонентов: связующего (синтетической смолы) и волокни­ стого наполнителя (ткань или однонаправленный жгут из угле-, органоили стекловолокна). На­ полнитель воспринимает основные нагрузки, а связующее формирует из отдельных частей на­ полнителя (ткани, жгута, ленты) единое целое и обеспечивает распределение нагрузки. Узлы из ПКМ можно армировать металлическими эле­ ментами. Таким образом, готовый узел можно

получить, практически не применяя механиче­ скую обработку, и иметь при этом коэффициент использования материала, близким к 100 %. Од­ нако стоимость отдельных компонентов мате­ риала и трудоемкость изготовления таких узлов, по сравнению с аналогичным металлическим, в несколько раз выше, что пока ограничивает сферу применения ПКМ в серийных двигателях.

Контрольные вопросы

1.Перечислите требования, предъявляемые

ккомпрессорам ГТД.

2.В чем достоинства и недостатки осевого компрессора с постоянным наружным диамет­ ром проточной части?

3.В чем достоинства и недостатки центро­ бежного компрессора по сравнению с осевым?

4.Какие достоинства и недостатки осецентро­ бежных компрессоров определяют область их использования - малоразмерные ТВД и ТРД?

5.В чем состоит основной недостаток одно­ каскадных осевых компрессоров?

6.С какой целью направляющие аппараты первых ступеней компрессоров выполняют по­

воротными?

7. В чем достоинства и недостатки роторов ба­ рабанного типа?

8. Какой тип шлицевого соединения диска

свалом обеспечивает центрирование диска?

9.Почему не получили распространения свар­ ные роторы компрессоров?

10.Что представляет собой рабочее колесо типа «блиск»? Типа «блинг»?

11.В чем особенности конструкции крепле­ ния к диску крупногабаритных рабочих лопаток вентиляторов?

12.Назовите способы осевой фиксации рабо­ чих лопаток компрессора?

13.В чем достоинства и недостатки шарнир­ ного крепления рабочих лопаток компрессора?

14.В чем достоинства и недостатки широкохордных лопаток вентиляторов?

15.Какие варианты конструкции и техноло­ гии изготовления широкохордных лопаток вен­ тиляторов реализованы в современных ГТД?

16.В чем достоинства и недостатки корпусов компрессора с продольным разъемом?

17.В каких случаях лопатки направляющих ап­ паратов компрессора выполняют консольными?

18.Как решается задача локализации повреж­ дений при обрыве рабочей лопатки вентилятора?

19.В чем основной недостаток обеспечения устойчивой работы компрессора с помощью пе­ репуска воздуха их проточной части?

20.Назовите способы защиты лопаток ком­ прессора от повреждения посторонними предме­ тами.

21.Какие материалы применяются для изго­ товления рабочих лопаток компрессоров?

Англо-русский словарь-минимум

adiabatic - адиабатический aerodynamic - аэродинамика air bleed cavity - полость отбора airflow - воздушный поток airfoil - профиль (лопатки) analysis - расчет

aspiration - всасывание axial - осевой

axisymmetric - осесимметричный bearing - подшипник

blade - рабочая лопатка bleed - отбор (воздуха)

boundary layer - пограничный слой booster - подпорные ступени centrifugal - центробежный

chord - хорда clearance - зазор coating - покрытие cooling - охлаждение

compressor - компрессор core - газогенератор cover - крышка, кожух disc - диск

Глава 5. Компрессоры ГТД

distribution - распределение downstream - вниз по потоку eddy - вихрь

edge - кромка fan - вентилятор

flowpath - проточная часть hatch - люк

heating - нагрев

НРС (high pressure compressor) - КВД (компрессор высокого давления)

honeycomb lining - сотовое уплотнение incidence angle - угол атаки

inlet - вход

IGV (inlet guide vane) - входная направляющая лопатка isentropic - изоэнтропический

leakage - перетекание ledge - выступ

lid - крышка

lip - выступ, фланец load - нагрузка

loss - потери

LPC (low pressure compressor) - КНД (компрессор низкого давления)

Mach number - число Маха noise - шум

nut - гайка

operating line - линия рабочих режимов parameter - параметр

performance - характеристика piece -деталь

pin - штифт

radial - радиальный

ratio - отношение, коэффициент repair - ремонт

Reynolds number - критерий Рейнольдса rib - ребро

ring - кольцо

rod - стержень, тяга, шток roll - ролик

root - корень (хвостовик) лопатки rotation - вращение

rotor - ротор screw - винт, болт seal - уплотнение

secondary flows - вторичное течение section - сечение

shaft - вал shape - форма

shock - удар, скачок уплотнения shroud - бандаж

simulation - моделирование slot - щель, канавка

snubber - демпфирующее устройство span - размах, хорда

spull - барабан

splitter - разделитель, рассекатель stability - устойчивость

stage - ступень stagnation - торможение stall - срыв

stator - статор stream - поток

streamline - линия тока strut - стойка

surge - помпаж thickness - толщина thread - резьба throat - горло thrust - тяга

trailing edge - выходная кромка

tip speed - окружная скорость на периферии РК unit - элемент, единица измерения

valve - клапан velocity - скорость viscosity - вязкость wall - стенка

wave - волна

Список литературы

5.1.Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопе­ редача: учеб, пособие для втузов / Б.Н. Юдаев. - М.: Высшая школа, 1988.

5.2.Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбин­ ных двигателях летательных аппаратов / В.И. Локай [и др.]. - М.: Машиностроение, 1985.

5.3.Основы теплопередачи в авиационной и ракет­ но-космической технике. - М.: Машиностроение, 1975.

5.4.Аэродинамика компрессоров: пер. с англ. / Н. Кампсти. - М.: Мир, 2000.

5.5.Конструкция и проектирование авиационных газо­ турбинных двигателей / под общ. ред. Д.В. Хронина. - М.: Машиностроение, 1989.

5.6.Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной год­ ности двигателей воздушных судов / Межгосударственный авиационный комитет. - М., 2003.

5.7.Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / К.В. Холщевников, О.Н. Емин, В.Т. Митрохин. - М.: Машиностроение, 1986.

5.8.Подубуев Ю.С. Теория и расчет осевых и центро­ бежных компрессоров / Ю.С. Подубуев, К.П. Селезнев. - М.: Машгиз, 1957.

5.9.Методология проектирования осевого компрессо­ ра / Ф.Ш. Гельмедов [и др.] // ЦИАМ. Теплоэнергетика. - 2002. - № 9. - С. 19-28.

5.10.Применение метода установления для расчета низ­ кочастотных течений / Д. Чой, Ч.М. Меркл // Аэрокосмиче­ ская техника. - 1986. - № 7. - С. 29-40.

В«простом» термодинамическом цикле ГТД (см. главу 2) на участке К-Г (рис. 6.1) к потоку ра­ бочего тела подводится тепло.

ВГТД этот процесс осуществляется в камере сгорания (КС) (рис. 6.2). Тепло подводится за счет сгорания топлива, то есть преобразования химической энергии топлива в тепловую, при этом температура рабочего тела возрастает от значения Тк (за компрессором) до Т* (на входе

втурбину).

Реальный процесс в КС отличается от идеаль­ ного наличием потерь давления отРк* до Р*. По­ тери давления в КС складываются из гидравличе­ ских потерь (потерь трения) и потерь от подвода тепла к потоку рабочего тела. Гидравилические потери, в свою очередь, можно разделить на со­ ставляющие потери:

-в диффузоре,

-в кольцевых каналах,

-на втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства (ФУ),

-на смешение струй.

Как видно из диаграммы, приведенной на рис. 6.1, гидравлические потери частично ком­ пенсируются, т.к. работа трения преобразуется

втепло, которое возвращается в работу термо­ динамического цикла. Однако потери давления

вКС приводят к уменьшению степени пониже­ ния давления газа в турбине и сопле и, соответ­ ственно, к уменьшению полезной работы и КПД цикла.

Кроме потерь давления процессы в КС сопро­ вождаются потерями тепла за счет его рассеива­ ния в окружающее пространство и за счет непол­ ного сгорания топлива.

Потери тепла в окружающее пространство по сравнению с количеством тепла, подводимым

к рабочему телу, в КС ТРД составляют 0,005...0,01 %. А в ТРДД эти потери отсутству­ ют, т.к. тепло от корпуса КС подводится к возду­ ху наружного контура и таким образом участвует в работе цикла.

Экономичность двигателя находится в пря­ мой зависимости от полноты сгорания топлива. В современных ГТД процесс сгорания топлива в КС достаточно хорошо организован, поэтому полнота сгорания топлива в них достигает вели­ чины г\г= 0,995.. .0,999. При термодинамических расчетах двигателя тепло, подведенное к рабоче­ му телу, вычисляется сразу с учетом полноты сгорания топлива в КС. Для увеличения эффек­

тивности двигателя и КС, в частности, на стадии проектирования решаются задачи по минимиза­ ции потерь.

Особенностью узла КС является то, что про­ исходящие в нем процессы распыла топлива, перемешивания топлива с воздухом, горения то­ пливовоздушной смеси, теплообмена сложны. Даже новейшее программное обеспечение, по­ зволяющее в настоящее время рассчитывать до тысячи протекающих при работе КС химиических реакций, описывает эти процессы не в пол­ ной мере. Как следствие, результаты расчетов недостаточно точны. Здесь следует заметить, что в расчетах КС используется большое число эмпирических зависимостей и коэффициентов, которые определены для конкретной конструк­ ции и требуют корректировки при расчете дру­ гой. В связи с этим для получения требуемых характеристик КС требуется большой объем до­ рогих экспериментально-доводочных работ. Рабочий проект формируется в результате

Рис. 6.1. Подвод тепла в цикле ГТД:

площадь 2КГ32 - сумма внешнего тепла и тепла трения, лежащая под линией КГ

реального подвода тепла в КС ( 0 ; площадь 2’К Т 32’ - внешнее тепло ( 0 ) , определенное тем же интервалом температур (Тт- Г*)

с учетом полноты сгорания; площадь 2КГК’2’ - тепло трения в реальном процессе подвода тепла в КС