Министерство образования Украины

Национальный аэрокосмический университет имени Н.Е.Жуковского «Харьковский авиационный институт»

Епифанов С.В.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОХЛАЖДАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД

Конспект

лекций

Харьков

2011

1 Влияние охлаждения деталей турбин на термодинамическое совершенство и ресурс

1.1 Общие тенденции развития двигателей

Развитие газотурбинных двигателей неразрывно связано с увеличением температуры газа перед турбиной. Как известно из термогазодинамического анализа, это приводит к повышению удельной работы цикла (соответственно, к снижению массы и размеров двигателей).

Для двигателей со средней и большой степенью двухконтурности это приводит также и к снижению удельного расхода топлива. Рост температуры и его влияние на мировое двигателестроение показаны на рис. 1.1-1.4.

П

Рисунок 1.1 - Поколения авиационных двигателей

овышение температуры газа в прочностной части приводит к росту температуры двигателей и снижению предела прочности материалов, их которых они изготовлены. Анализ развития жаропрочных сплавов (рис. 1.5) показывает, что температурный уровень их работоспособности повышается существенно медленнее, чем температура газа. Поэтому становится очевидным, что основным направлением обеспечения работоспособности конструктивных элементов горячей части и повышения их ресурса является совершенствование систем охлаждения.

Рисунок 1.2 - Термодинамические параметры авиационных двигателей

Рисунок 1.3 - Изменение удельного расхода топлива

Рисунок 1.4 - Эволюция конструктивной схемы авиационных двигателей

Рисунок 1.5 - Температурный уровень работоспособности литейных жаропрочных сплавов

1.2 Обеспечение ресурса

О

Рисунок 1.10 - Изменение показателей надежности двигателей

бострение конкуренции на рынке двигателей приводит к необходимости снижения стоимости жизненного цикла (или стоимости владения двигателем). Эффективным способом решения этой проблемы является увеличение ресурса. Для двигателей пассажирских и транспортных самолетов назначенный ресурс достигает 20 тыс. часов и более (см. рис. 1.10).

Ресурс определяется состоянием каждой детали двигателя. Среди них выделяют критические – основные детали. Это такие детали, разрушение которых не локализуется внутри двигателя и может привести к катастрофе (диски, валы, вентиляторные лопатки, корпусы). Рабочие лопатки турбин обычно не относятся к основным деталям. Однако их состояние оказывает существенное влияние на надежность двигателей, например, среднее время наработки на отказ. Поэтому анализу ресурса лопаток турбины уделяется большое внимание.

Для обеспечения ресурса необходимо иметь средства его определения:

- на этапе проектирования;

- при испытаниях;

- в эксплуатации с учетом реальных эксплуатационных условий.

Полномасштабные испытания на ресурс невозможны по двум причинам:

- требуется огромное время (десятки тысяч часов на каждый двигатель);

- требуется испытать большое количество двигателей до разрушения, так как ресурс – понятие статистическое.

Решениями данной проблемы являются:

- ускоренные испытания двигателей;

- поузловые испытания;

- определение ресурса расчетным путем.

Для расчетного определения ресурса требуется очень точно знать температуру и напряжения в деталях: ошибка определения температуры на 3^о или ошибка определения напряжений на 1% приводят к ошибке определения ресурса на 10%.

Из выполненного анализа развития газотурбинных двигателей следует, что оно в значительной мере определяется ростом температуры газа перед турбиной. Соответственно повышается тепловая напряженность деталей проточной части, работающих в высокотемпературной зоне. К этой зоне относятся турбина, камера сгорания и последние ступени компрессора. Многие детали этих узлов не могут надежно работать без охлаждения.

Таким образом, повышение температуры создает ряд проблем, которые снижают положительный эффект:

- необходимость совершенствования системы охлаждения;

- дополнительные потери, связанные с охлаждением;

- увеличение массы;

- увеличение сложности деталей и узлов;

- увеличение стоимости.