4 Конструктивные особенности и краткие требования к основным узлам

4.1 Вентилятор – имеет следующие расчетные параметры:

q_в расч=199 , Dв = 3112 мм, 0,28, uв0=370 м/с, *в расч.=1,498;

η*в ад≥0,935; Gв∑0=1512 кг/с.

Расчетный режим – максимальный крейсерский при Н=11 км, М=0,85, МСА Рабочие лопатки вентилятора выполнены с обратной стреловидностью на периферии. Рабочие лопатки могут быть выполнены полыми из титанового сплава или из композиционного материала с титановой облицовкой кромок. Выбор материала будет осуществлён на последующих стадиях разработки.

Передняя опора с НА вентилятора будет выполняться с применением композиционных материалов типа «углерод/углерод».

Поскольку окружная скорость вентилятора в варианте с прямым приводом вентилятора относительно высока- 370 м/с, потребуются дополнительные мероприятия для обеспечения допустимых уровней шума.

4.2 Компрессор СД – 4-ступенчатый - с параметрами:

G_кнд0=102,3 кг/с; *_кнд=3,05; η*_кнд ад ≥0,91.

Проработать возможность применения композиционных материалов.

4.4 Компрессор ВД – 9-ступенчатый, используется КВД ТРДД-2005, моделированный по диаметрам с коэффициентом К_D=1,4 и с добавлением 9ступени сзади – с параметрами:

D_квд= 990 мм; G_квд0=40,2 кг/с; *_квд расч.= 13,1; η*_кнд ≥0,844, t*_к макс=815 оС.

Места и величины перепусков и отборов воздуха на охлаждение турбины из промежуточных ступеней КВД, принятые аналогично, ТРДД-2005,могут быть уточнены после проработки.

4.4 Камера сгорания.

4.4.1 Описание конструкции

Камера сгорания спроектирована на базе многомодульной (многофорсуночной) камеры сгорания двигателя НК-93 и результатов экспериментов , проведенных по программе НТЗ «Малоэмиссионная камера сгорания». По этой программе в 1991...1993 гг были испытаны камеры, у которых форма и геометрические размеры основных узлов близки к форме и размерам потребной камеры.

Предлагаемая для установки на двигатель камера сгорания состоит из следующих основных узлов: наружного и внутреннего корпусов, наружного кольца диффузора, жаровой трубы и двух воспламенителей.

Д иффузор камеры сгорания образован наружным кольцом диффузора, установленным на фланец компрессора ВД, и профильной поверхностью расположенной за передним фланцем внутреннего корпуса.

Наружный корпус передним фланцем, через наружное кольцо диффузора, крепится к статору компрессора с помощью призонных болтов, а задним фланцем — к статору турбины. На наружном корпусе имеются приваренные встык фланцы подвесок, два фланца крепления воспламенителя, фланцы крепления уплотнительных пакетов штуцеров подвода топлива, фланцы смотровых лючков.

Жаровая труба состоит из фронтового устройства, включающего в себя корпус головки и 98 форсунок, расположенных в двух рядах. Во внутреннем ряду расположены 50 форсунок, в наружном — 48 форсунок из 50-ти возможных мест расположения. Неиспользуемые места установки форсунок расположены за топливопдводящими штуцерами 1-го и 2-го контуров топлива. Для предотвращения перегрева стенки фронтового устройства между штуцерами и плитой имеются зазоры, проходя через которые воздушный поток попадает в «лепестковые» охлаждающие каналы, выполненные в плите, а затем во внутрикамерное пространство. Штуцеры подвода топлива I-го и II-го контура расположены в диаметрально противоположных местах, что позволяет снизить температуру топлива в наиболее удаленных от места подвода местах.

В передней части головки имеются топливные коллекторы. Наружный

(меньшего сечения) соединяется с 25-ю форсунками I контура, а внутренний — со всеми остальными форсунками (II контур). Для уменьшения нагрева топлива на участках от коллекторов до гнезд форсунок в подводящих отверстиях установлены керамические втулки. Топливные коллекторы со стороны диффузора защищены экраном от теплового воздействия. Экран крепится на радиальных штифтах, которые позволяют термические перемещения. В средней части фронтового устройства, со стороны зоны горения, расположен воздушный коллектор, имеющий отверстия для снабжения воздухом первичной зоны горения.

Жаровая труба крепится к наружному корпусу с помощью десяти фиксаторов, которые при взаимных термических перемещениях наружного корпуса и жаровой трубы могут передвигаться в сферических подшипниках, не вызывая опасных напряжений в элементах подвесок. Фиксаторы крепятся с помощью сквозных винтов к вваренным в оболочку жаровой трубы бобышкам. Сферические подшипники стянуты двумя обоймами через пакет тарельчатых пружин резьбовой заглушкой. Пружины и разрезная сфера обеспечивают выборку зазоров по стыку с фиксатором и тем самым предотвращают износ стыковочных поверхностей.

Для улучшения аэродинамики камеры на фронтовом устройстве жаровой трубы установлены съемные козырьки-обтекатели, которые крепятся с помощью проволочных фиксаторов. Образуя воздушный коллектор они формируют равномерное поле давлений на входе в форсунки.

К головке камеры сгорания приварены наружный и внутренний кожухи жаровой трубы, на внутреннюю поверхность которых нанесено керамическое термобарьерное покрытие толщиной 250 мкм. Стенки кожухов могут быть выполнены двойными для организации конвективно пленочной системы охлаждения стенок.

Наружный и внутренний кожухи имеют по 75 смесительных патрубков, приваренных точечной сваркой к внешней части кожухов. Соединение кожухов с сопловым аппаратом — телескопическое, обеспечивающее осевое перемещение от теплового расширения. Места телескопических соединений, в отличие от изображенной конструкции, могут быть разнесены в «холодные» зоны, подальше от газовой струи продуктов сгорания.

Выбор материалов и толщин оболочек корпусов и кожухов жаровых труб осуществляется исходя из проектировочных прочностных расчетов на основные эксплуатационные нагрузки узла в составе полноразмерного двигателя.

Форсуночный модуль состоит: из двух завихрителей с противоположным направленим закрутки потока, двух конических втулок, образующих внутреннее и внешнее сопла, и центробежного распылителя топлива. Во внутреннем сопле форсуночного модуля имеются отверстия, через которые часть конусного потока капель топлива, выходящего из распылителя, попадает в наружный канал форсунки, образуя зоны «бедной» топливо- воздушной смеси. На срезе внутреннего сопла форсуночного модуля имеется кольцевой буртик, попадая на который крупные капли топлива, не унесенные воздушным потоком, растекаются и стекая в сторону среза сопла пневматически распыливаются и испаряются, что не только способствует повышению равномерности окружного распределения топлива из форсунки, но и охлаждает кромку внутреннего сопла.

На входе в каждую форсунку установлен цилиндрический фильтр из ленты 0,2-ХН60ВТ с 407-ю отверстиями диамера 0,3±0,05 мм.

Форсунки устанавливаются в гнезда плиты фронтового устройства со стороны зоны горения и крепятся к плите шлицевыми гайками, одновременно обтягивающими уплотнительные кольца.

Воспламенители по кострукции подобны устанавливаемым на двигателях «Р» и «КВ» состоят из корпуса и внутренней втулки с воздухозаборником и выходым патрубком, на котором размещена спираль топливоподогревателя. Воздух, попадая из воздухозаборника в кольцевой канал, подогревается и через окна в стенке втулки поступает в камеру зажигания. Туда же, через пусковую форсунку, расположенную на корпусе воспламенителя, поступает распыленное топливо. Смешиваясь в различных пропорциях в объеме камеры зажигания они поджигаются полупроводниковой свечой. В распылителе пусковой форсунки кроме центробежной имеется и струйная подача топлива. Она обеспечивает образование мощного, дальнобойного поджигающего факела бьющего из выходнго патрубка в зону горения в сечение выхода из форсунок.

Для обеспечения гарантированного запуска топливо подается в пусковую форсунку порциями, через импульсатор, благодаря чему в районе свечи зажигания в процессе розжига проходит подогретая топливо-воздушная смесь широкого состава, чем обеспечивается гарантированный запуск воспламенителя, в том числе и в высотных условиях.

Камера сгорания оборудована системой утилизации топлива, оставшегося в коллекторах и форсунках после останова двигателя, в виде дренажного бачка, расположенного на наружном корпусе в районе «нижнего нуля».

Камера сгорания имеет съемные лючки для проведения осмотра жаровой трубы и соплового аппарата турбины.

4.4.2 Распределение площади проходных сечений

Воздух, втекающий в жаровую трубу камеры сгорания, делится на три части. В зону горения воздух поступает через каналы фронтового устройства: горелки, каналы воздушного коллектора и отверстия первой щели охлаждения. Площадь всех воздушных каналов во фронтовом устройстве составляет 54% от суммарной площади отверстий жаровой трубы. Вторая часть воздуха предназначена для создания пленочной системы охлаждения стенок жаровой трубы и составляет 22% от суммарной площади. Третья часть воздуха направляется в смесительные патрубки для разбавления продуктов сгорания и формирования заданных характеристик поля температуры на выходе из камеры сгорания. Площадь выходного сечения патрубков составляет 24%.

4.4.3 Характеристики камеры сгорания

На основании опытных данных, полученных на пяти камерах прототипах, в камере сгорания будут получены:

• полнота сгорания ηг = 0,995;

• потери полного давления δкс <6% при λк = 0,29;

• окружная неравномерность полей температур на выходе θj max =1,25 и

θj cр = 1,07;

• характеристики срыва пламени по составу смеси α кс = 2...16;

• параметры запуска в пределах заданного диапазона высот и скоростей;

• Max расчетный ресурс жаровой трубы 20 000 часов;

• обеспечение перспективных норм ИКАО на эмиссию загрязняющих веществ Псо=42 г/кН, Псн 4,35 г/кН, ПNOx =62 г/кН, число дымности не превысит SN=5...10

• камеру сгорания без принципиальных изменений можно использовать в двигателе, развивающем взлетную тягу 40...45 тс.

• время пребывания топливо-воздушной смеси в жаровой трубе 6,4 мс при длине жаровой трубы 240 мм.

- в камере сгорания на всех режимах работы, включая и «малый газ», топливо подается во все форсунки.

Температурное состояние. Многофорсуночным камерам сгорания характерна достаточно низкая температура стенок жаровой трубы по сравнению с камерами традиционной конструкции. Это обусловлено низкими радиационными потоками тепла и удалением топливных факелов от стенок кожухов. Заложенная в проект «бедная» топливо-воздушная смесь форсуночных модулей в первичной зоне обеспечит низкий поток тепла (менее 1 Мвт/м²) и позволит получить требуемый ресурс жаровой трубы.

В случае превышения температуры стенок возможно применение конструкции жаровой трубы с тонкостенной рубашкой охлаждения (двойной стенкой) для создания конвективно - пленочной системы охлаждения. Такая система позволяет снизить температуру стенки на 130ºС в первичной зоне и до 70ºС в газосборнике, однако приводит к удорожанию и усложнению конструкции, а также к ее утяжелению. Решение о ее применении — вопрос доводки.

Перепад давления на стенках жаровой трубы обусловлен требованием обеспечения расхода воздуха на охлаждение деталей турбины и составляет 3% от давления воздуха на входе в камеру.

Эмиссионные характеристики. Принципиальным требованием к камере сгорания являются возможности:

- получения индекса эмиссии NОx на взлетном режиме на уровне 30г/кг и

-работать на малом газе с выполнением норм на эмиссию СО и CnHm c подачей топлива во все форсунки.

«Богатая» топливо-воздушная смесь во внутреннем сопле форсунок первого контура как на взлетном режиме так и на малом газу позволяет организовать процесс горения в камере с большим (Gв пз > 50% Gв кс) количеством первичного воздуха, что снижает температуру пламени, определяющую величину выбросов NОх, и позволяет исключить ступенчатую подачу топлива в камеру для достижения компромисса в эмиссиях СО, CnHm и NОx..

Эксперимент проведенный на укороченной экспериментальной камере сгорания двигателя НК-93 имеющей время пребывания τпр = 6,4 мс при параметрах на входе в камеру сгорания Рк*=21 кгс/см² и Тк* =773К показал уровень ЕJNoх =23г/кг, который при пересчете на Рк*=37 кгс/см² и Тк* =860К достигает уровня ЕJNoх =29г/кг.

Для многофорсуночных камер сгорания индексы эмиссии СО и СnHm наиболее высоки на низких режемах, где «бедная» топливо-воздушная смесь в первичной зоне на малом газе (αкс = 4,68) препятствует полноте выгорания. «Богатая» топливо-воздушная смесь во внутреннем сопле форсунок позволяет на многофорсуночной камере сгорания с двухканальными форсунками при Gв пз = 52% Gв кс повысить температуру пламени и получить индексы эмиссии СО, СnHm и NО х , близкие к значениям двухзонных камер сгорания.

Срывные характеристики. Диапазон устойчивой работы камеры сгорания, по опыту эксплуатации многофорсуночных камер подобной конструкции изд. «Р», «Е», «Д», определяется в диапазоне α кс = 2...16 во всем интервале установившихся и переходных режимов. Запланированное забеднение состава смеси в форсуночном модуле, предназначенное для снижения вредных выбросов, приводит к снижению диапазона устойчивой работы. Для компенсаци этого влияния на пути конуса распыляемого топлива на каждой форсунке сформированы два выступа-препятствия, при попадании на которые в факеле формируются две зоны с более крупными каплями, создающими широкий диапазон состава смеси при испарении.

4.5 Турбина ВД – 2-ступенчатая с САУРЗ, , на компоновке показана с коэффициентом моделирования К_D≈1,40 - с параметрами:

А_са1=0,2678; *_твд=4,82; η*_твд≥0,925; Т*_{г макс}=1845 К (новый двигатель);

Тг макс=1930 К( в конце ресурса)

Для сравнения: Т*_{г макс}=1840 К (новые двигатели Leap-1A и PW1100G).

Освоенные температуры в ТРДД для ДМС составляют Т*_г =2900 ^оF (1866 К): двигатели PW4098, Trent 800, то есть Т*_г redline  1966 К.

Приняты следующие расходы воздуха из компрессора на охлаждение (с утечками) турбины, межтурбинного канала и СА3:

_{охл са1}=12 % из-за 9 ст квд; _{охл рл1}=7,2 % из-за 8ст квд.;

_{охл са2}+ _{охл рл2} +_{охл перех}+ _{охл са3}=6,5 % из-за 7 и 5 ступени квд –

Все расходы возвращаются перед 3 РК (ТНД)

4.6 Турбина СД - 1 ступенчатая со следующими параметрами

А_тсд=1,165; *_{тсд расч}=1,568; η*_{тнд расч}≥0,920; Т*_{са3 макс}=1277 К (новый двигатель);

4.7 Турбина НД - 6 ступенчатая, с горбообразной проточной частью (по внутренним диаметрам) - с параметрами:

А_са3=1,855; *_{тнд расч}=6,25; η*_{тнд расч}≥0,930; Т*_{са3 макс}=1120 К (новый двигатель);

Суммарный отбор воздуха из-за 3 ступени КВД на охлаждение СА3, ротора ТНД и разгрузку – 2,3 % (1,7 % - сбрасывается за ТНД).

Для снижения массы крупногабаритного узла ТНД проработать возможность применения TiAl для рабочих лопаток (последних ступеней ТНД).