1.4.2 Силовые схемы корпусов

На силовые корпуса ГТД действуют усилия, рассмотренные в предыдущих разделах:

- масса всех узлов двигателя;

- газодинамические силы, возникающие при движении газа по тракту;

- крутящие моменты, возникающие на рабочих лопатках, лопатках направляющих и сопловых аппаратов;

- инерционные нагрузки от неуравновешенности деталей ротора и от изменения скорости или направления полёта;

- гироскопические моменты, возникающие при эволюциях самолета.

Часть этих нагрузок замыкается внутри силовой схемы корпуса, а часть передаётся к узлам крепления двигателя к самолёту.

К конструкции силовых корпусов ГТД предъявляются следующие требования:

- корпус должен обладать достаточной прочностью и жёсткостью при минимальной массе;

- свобода температурных деформаций деталей корпусов при изготовлении их из различных материалов или имеющих разную температуру нагрева;

- простота и удобство сборки и разборки как двигателя в целом, так и его узлов;

- наличие специальных люков для возможности контроля состояния деталей без разборки двигателя в процессе эксплуатации.

Основным признаком, определяющим силовую схему корпуса ГТД, будем принимать способ силовой связи между корпусами компрессора и турбины. В качестве элементов силовой связи используются внутренний и наружный корпус камеры сгорания, которые связаны между собой в радиальном направлении, спереди и сзади. Передняя радиальная связь осуществляется чаще всего лопатками направляющего аппарата последней ступени компрессора или специальными стойками. Задняя радиальная связь осуществляется стержнями, стойками, шпильками, расположенными в промежутках между жаровыми трубами в ГТД с трубчато-кольцевыми камерами сгорания или внутри пустотелых лопаток соплового аппарата турбины. В этом случае необходимо надежное воздушное охлаждение. Сами лопатки сопловых аппаратов турбины обычно не включаются в силовую систему двигателя ввиду их высокой температуры и больших температурных деформаций.

Радиальные связи, передающие на внешний корпус и к точкам крепления двигателя поперечные усилия от опор роторов и инерционные силы внутреннего корпуса, будем называть силовыми поясами

Стилизованное изображение силовых элементов корпусов приведено на рис. 1.23.

В силовом поясе может быть одна, две или три опоры. Условное (стилизованное) изображение силовых поясов приведено на рис 1.23.

В зависимости от конструктивных элементов силовых связей различают четыре основные схемы силовых корпусов.

Силовая схема корпуса двойного замыкания

В схемах ТРД с двойной замкнутой связью внешний и внутренний корпуса камеры сгорания являются силовыми и связаны между собой посредством радиальных связей в сечениях за компрессором и перед турбиной (рис.1.24.).

Схема корпуса двойного замыкания позволяет получить большую жесткость при меньшей массе.

Осевые, окружные и радиальные нагрузки компрессора передаются на внешний корпус через лопатки спрямляющего аппарата компрессора 4. Осевые и окружные нагрузки на сопловом аппарате первой ступени турбины распределяются на внутреннем 5 и внешнем корпусе примерно поровну, на остальных ступенях все нагрузки воспринимаются внешним корпусом. В данной схеме необходимо учитывать тепловые деформации деталей корпусов.

Рис.1.23 Условное (конструктивное) изображения элементов статора

Рис.1.24. Силовая схема корпуса двойного замыкания:

1- передний корпус компрессора; 2 – средний корпус компрессора; 3 – задний корпус компрессора; 4 – силовые лопатки спрямляющего аппарата последней ступени компрессора; 5, 6 – внутренний и наружный корпусы камеры сгорания; 7 – силовая связь; 8 – наружный корпус турбины; 9 – внутренний корпус турбины

Рис.1.25. Силовая схема корпуса двойного замыкания:

1 –силовой пояс передней опоры вентилятора; 2 – передняя опора компрессора; 3 – задняя опора компрессора; 4 – корпус подшипника турбины; 5, 6 – внутренний и наружный корпусы камеры сгорания; 7 – силовая связь между корпусами первого и второго контуров; 8 – камера сгорания второго контура

Силовой корпус двойного замыкания ТРДД (рис.1.25.) имеет основные элементы силовой схемы ТРД и, кроме того, имеет разделительный корпус компрессора и внешний корпус второго контура связанный с внутренним корпусом силовой связью.

Силовая схема корпуса внутреннего замыкания

Силовые схемы корпусов, в которых силовая связь корпуса компрессора и турбины осуществляется только с помощью внутреннего корпуса камеры сгорания или корпуса вала турбины, называются внутреннего замыкания.

Такая конструкция силовых корпусов (рис.1.26) включает силовые пояса за компрессором 8 и перед турбиной 4 и применяется в двигателях с трубчатыми камерами сгорания, стенки которых не включаются в силовую схему двигателя.

Рис.1.26. Силовая схема корпуса внутреннего замыкания:

1 - корпус компрессора; 2 - корпус турбины; 3 - одинарная внутренняя связь компрессора с турбиной; 4 - литой корпус газосборника с радиальными связями; 5 - корпус заднего подшипника; 6 - корпус сопловых лопаток; 7 - корпус турбины; 8 - силовой пояс задней опоры компрессора

Все нагрузки, действующие на корпусе турбины и выходного устройства, воспринимаются внутренней силовой связью 3 и передаются на задний корпус компрессора.

Недостаток силового корпуса с одинарной внутренней силовой связью является его большая масса из-за относительно небольшого диаметра внутреннего корпуса и для получения достаточной жёсткости стенки приходится утолщать и усиливать ребрами.

Силовая схема корпуса наружного замыкания

В силовых схемах наружного замыкания одинарная внешняя связь между корпусом турбины 2 и компрессора 1 осуществляется только внешним корпусом камеры сгорания 3 (рис.1.27.).

Рис. 1.27. Силовая схема корпуса наружного замыкания:

1 - корпус компрессора; 2 - корпус турбины; 3 - одинарная внешняя связь - корпус камеры сгорания; 4 - корпус соплового аппарата с силовой связью наружного и внутреннего колец шпильками, проходящими через внутреннюю полость сопловых лопаток; 5 - корпус заднего подшипника с силовой связью за турбиной радиальными профилированными ребрами; 6 – силовой пояс задней опоры компрессора

Этот корпус благодаря большому диаметру может быть изготовлен из листовой стали с малой толщиной стенок. Он получается достаточно жёстким при малой массе.

Возможно применение четырёх конструктивных силовых схем корпусов наружного замыкания:

- силовая схема наружного замыкания и силовыми поясами, расположенными за компрессором и перед турбиной (см. рис.1.27,а);

- силовая схема наружного замыкания с силовым поясом перед турбиной;

- силовая схема наружного замыкания с силовым поясом, расположенным за компрессором и за турбиной (рис.1.27,б);

- силовая схема наружного замыкания с отсутствующими силовыми поясами за компрессором и перед турбиной.

Недостаток первых двух силовых схем наличие радиальных связей находящихся в зоне горячих газов, что, требует их специальной защиты, что усложняет конструкцию и несколько увеличивает массу двигателя.

Силовая схема корпуса разветвленного замыкания

В двигателях с силовыми корпусами разветвлённого замыкания (рис.1.28) внутренний и внешний корпус камеры сгорания не связаны между собой силовым поясом в зоне соплового аппарата турбины.

Рис.1.28. Силовые схемы корпуса разветвлённого замыкания:

1 – корпус редуктора; 2 – лобовой картер; 3 – корпус компрессора; 4 – наружный корпус камеры сгорания; 5 – коническая балка, осуществляющая силовую связь между корпусом подшипника турбины и корпусом компрессора; 6 – стойки, связывающие коническую балку с корпусом камеры сгорания; 7 – корпус турбины

Такое конструктивное решение позволяет убрать силовые элементы из потока горячих газов, поэтому сравнительно просто обеспечить защиту подшипника турбины от действия высоких температур и проще подвести к нему смазку. Осевые усилия от ротора передаются на внешний корпус через внешнюю связь и силовой пояс спрямляющего аппарата компрессора. Газодинамические силы от соплового аппарата газовой турбины нагружают внешний корпус. Радиальные нагрузки, действующие на турбинную опору, изгибают внутренний корпус камеры сгорания как консольную балку.

Недостаток схемы – необходимость весьма прочной и жёсткой связи внешнего и внутреннего корпусов в зоне разветвления, для обеспечения соосности опор. Такие схемы корпусов в основном применяются в двигателях с кольцевой камерой сгорания.

В таблице 4 – приведены упрощённые и стилизованные изображения силовых схем корпусов различного замыкания