Введение

Курс «Конструкция и прочность авиационных двигателей» (КиПАД), является одним из основных курсов в системе подготовки специалистов для гражданской авиации специальности 160901. Изложение курса ориентировано на студентов получивших достаточную подготовку по общеинженерным дисциплинам и специальным техническим дисциплинам. Данный курс является логическим продолжением курса «Теория авиационных двигателей».

Курс охватывает вопросы конструктивного выполнения основных типов и узлов авиационных двигателей, определения нагрузок действующих на элементы двигателя в процессе эксплуатации, прочность и динамику основных узлов газотурбинного двигателя, освоение которых необходимы для успешной работы в гражданской авиации.

При определении нагрузок, рассмотрены силы и моменты, возникающие в основных деталях двигателя от действия газового потока, инерционных сил и моментов при работе двигателя на земле в полете и эволюциях самолета.

При изложении вопросов конструкции газотурбинных двигателей (ГТД) рассматриваются вопросы основных технических, эксплуатационных и экономических требований, предъявляемые как к самим ГТД, так и основным узлам. Приводятся подробные конструктивные решения и сравнительный анализ, применимости, достоинств и недостатков основных узлов двигателя: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины, выходного устройства, редуктора.

Определение прочности двигателя ограничивается вопросами расчёта самых высоконагруженных узлов газотурбинного двигателя, определяющих надежность его работы: рабочих, спрямляющих (направляющих) и сопловых лопаток турбин и компрессоров, дисков и барабанов роторов, узлов соединения лопаток с дисками, элементов роторов между собой и с валом, стяжные болты, валы, корпусы камер сгорания.

При изложении вопросов колебаний двигателя рассматриваются основные нагрузки, вызывающие колебания в лопатках, дисках, роторах, экспериментальные и теоретические методы их определения. Также рассмотрены вопросы экспериментально и теоретического определения критических скоростей вращения роторов, влияющие факторы и способы борьбы с опасными колебаниями.

На самолётах гражданской авиации используются в основном два типа ГТД:

прямой реакции - турбореактивные одноконтурные двигатели без форсажной камеры сгорания (ТРД), с форсажной камерой сгорания (ТРДФ), турбореактивные двухконтурные двигатели без форсажной камеры сгорания (ТРДД) и с форсажной камерой сгорания (ТРДДФ)

непрямой реакции – турбовинтовые двигатели (ТВД), турбовальные двигатели (ТВаД).

ТРД широко применяются на гражданских самолётах различного назначения при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полёта из-за существенного роста тяги с увеличением скорости полёта, конструкторской и технологической простоты а, следовательно, и меньшей стоимости изготовления.

ТРД применяются на самолётах со скоростями полёта М и высотах до 12…14 км. ТРДФ расширяет эту область до М = 3,2…3,5 на высотах до 22…25 км.

Основной недостаток ТРД и ТРДФ – высокий расход топлива, который ограничивает их применение на гражданских самолётах из-за удорожания стоимости эксплуатации.

ТРДД обладают значительными преимуществами по экономичности и уровню шума перед ТРД и в настоящее время являются основным типом двигателей для самолётов гражданской и транспортной авиации, несмотря на большую конструктивную сложность.

Двухконтурные двигатели выполняются, как правило, с двумя (тремя) роторами, с передним (в основном) и задним расположением вентилятора, с выходом газа из контура через общее сопло (со смешением потоков), или через раздельные сопла.

Выбор оптимальной степени двухконтурности двигателя зависит от относительного влияния удельного расхода топлива, массы силовой установки и её лобового сопротивления на экономическую эффективность, надёжность и эксплуатационный ресурс самолёта.

В двигатели непрямой реакции (ТВД, ТВаД) мощность, отбираемая с вала, используется для привода воздушных винтов.

ТВД и ТВаД выполняются одновальными, с общей турбиной для привода компрессора и винта, двухвальными, с приводом компрессора и винта от разных турбин (турбина винта называется свободной), двухвальными с приводом винта от турбины компрессора низкого давления.

ТВД по сравнению с ТРД имеют большую взлётную тягу, и преимущества по экономичности на скоростях полёта до 700 км/ч, при прочих равных условиях, что обеспечивает самолётам успешный взлёт и посадку на аэродромах с укороченной взлётно-посадочной полосой.

Наличие в ТВД, ТВаД редуктора, воздушного винта, сложной системы автоматики и средств защиты делают его изготовление и доводку более дорогим и сложным кроме этого они имеют большую удельную массу и стоимость технического обслуживания и ремонта по сравнению с ТРД. С разработкой ТРДД позиции ТВД для применения на самолётах значительно утрачены. Однако ТВаД являются в настоящее время основным двигателем для вертолётов.

Основные требования к ГТД

1. Возможно большая тяга (мощность) на взлёте и наборе высоты.

2. Высокая экономичность в полёте.

3. Малые габариты, особенно поперечные.

4. Малая удельная масса двигателя.

5. Высокая технологичность изготовления и ремонта.

6. Высокая надежность в эксплуатации.

10. Большая долговечность (ресурс) и живучесть

11. Допустимые нормы влияния на человека и окружающую среду.

Как известно тяга Р - равнодействующая всех сил приложенных к двигателю:

Р (1)

где = - массовый расход газа на выходе из сопла ( - массовые расходы воздуха и топлива соответственно); с - скорость истечения газа из сопла; - скорость летательного аппарата; - коэффициенты полезного действия компрессора, камеры сгорания и турбины.

Скорость истечения газа определяется теплотворной способностью топлива (k - показатель адиабаты, R – газовая постоянная), температурой газов за турбиной Т_Г и отношением давления на входе Р₁ и выходе Р₂ из сопла :

(2)

Увеличение тяги (мощности) возможно за счёт повышения: расхода воздуха , температуры газа перед турбиной, и коэффициентов полезного действия в компрессоре, камере сгорания и турбине( ).

Повышение тяги за счёт увеличения без возрастания диаметра входа D_ВХ (при скорости полёта ) ограничено возможно достижимой величиной удельного расхода воздуха . Увеличение диаметра входа увеличивает лобовое сопротивление двигателя, усложняет конструкцию и снижает технологичность, а также повышается опасность газодинамической неустойчивости компрессора.

Увеличение температуры газа перед турбиной Т_Г на 100 К обеспечивает повышение удельной тяги двигателя на 10…15 % и является весьма эффективным методом повышения тяги. Однако в настоящее время рост температуры газа ограничен жаропрочностью материалов лопаток турбин и эффективностью их охлаждения.

Таким образом, повышение тяги ГТД в настоящее время возможно за счет увеличения диаметральных размеров двигателя, применения более эффективных топлив, повышения жаропрочности материалов горячей части двигателя, степени повышения давления в компрессоре и КПД всех элементов проточной части.

Экономичность двигателя оценивается удельной тягой Р_уд - отношение тяги к расходу воздуха Р_уд = и удельным расходом топлива С_уд = – отношение часового расхода топлива к тяге. Таким образом, эффективность двигателя также определяется степенью повышения давления в компрессоре, совершенством проточной части, температурой газа на турбине и применяемым топливом.

Поперечные габариты двигателя (мидель двигателя) увеличивают лобовое сопротивление самолёта, которое оценивается коэффициентом лобового сопротивления Р_лоб – отношение тяги двигателя к лобовой площади двигателя для ТРД и ТРДД и отношением мощности на выходном валу N к лобовой площади двигателя для ТВД и ТВаД. Уменьшить лобовое сопротивление возможно за счёт повышения тяги и совершенствования конструкции двигателя.

Удельная масса двигателя - отношение массы двигателя к тяге Р для ТРД и - отношение массы двигателя к мощности N на выходном валу двигателя для ТВД. Снижение удельной массы двигателя массы проводится за счёт улучшения конструкции узлов, повышения температуры газов на турбине, повышения прочностных качеств материалов и применением более легких материалов.

Затраты на изготовления и ремонт двигателей во многом определяются стоимостью материалов и технологическим совершенством конструкции. Поэтому разработка более совершенных технологий исключающих затратные способы механической обработки деталей является в настоящее время актуальной задачей. Для снижения затрат и времени на ремонт двигателей практически все вновь разрабатываемые двигатели модульной конструкции, а их обслуживание и эксплуатация проводится по состоянию.

Наряду с конструкционным и технологическим совершенством двигателей большое значение имеют параметры: надёжность, ресурс и удобство эксплуатации.

Надёжность двигателей характеризуется несколькими параметрами:

- средним временем наработки на один отказ

,

где - суммарное время наработки на один отказ всех однотипных двигателей, - число однотипных двигателей снятых с производства за время .

- коэффициентом досрочной съёмки

;

- интенсивностью отказов

,

где - число нормально работающих двигателей в начале и конце интервала .

- вероятность безотказной работы = .

Надёжность двигателей определяет и его ресурс.

Различают несколько понятий ресурс – гарантийный, межремонтный и общетехнический.

Гарантийный ресурс устанавливается поставщиком и устанавливает критерии, по которым в случае поломок поставщик возмещает убытки эксплуатирующей организации.

Межремонтный ресурс – увеличенная, по сравнению с гарантийной, продолжительность безотказной работы нового или отремонтированного двигателей. Он устанавливается на основании стендовых, лётных, эксплуатационных испытаний и обобщения данных эксплуатации и ремонта двигателей. После выработки межремонтного ресурса двигатель подлежит ремонту. После каждого капитального ремонта ресурс несколько снижается.

Общетехнический ресурс – суммарная максимальная продолжительность работы двигателя до его снятия с эксплуатации.

В настоящее время предлагается не устанавливать жёстких рамок межремонтных ресурсов, а проводить обслуживание двигателей по состоянию. Однако перевод эксплуатации двигателей по состоянию требует выработки чётких критериев оценки надёжности и исправности деталей и узлов и датчиков непрерывного контроля их состояния.