книги из ГПНТБ / Пономарев Б.А. Двухконтурные турбореактивные двигатели

Для смешения потоков воздуха внешнего контура и газа внут­ реннего контура необходим длинный обтекатель канала внешнего контура, причем с увеличением степени двухконтурности и общей степени повышения давления диаметр и длина, а следовательно, гидравлические потери в канале обтекателя и его вес возрастают. Поэтому при повышенных величинах степени двухконтурности бо­ лее рационально применять раздельные сопла для воздуха п газа

с /п«;4) целесообразнее использовать ДТРД с коротким обтекате­ лем внешнего контура, а значит, и с раздельным истечением пото­ ков. Применение короткого обтекателя внешнего контура позво­ ляет также снизить вес двигателя.

Ранее было показано, что оптимальная величина степени повы­ шения давления во внешнем контуре с увеличением степени двух­ контурности снижается. Вследствие этого при прочих равных усло­ виях, в частности при неизменной окружной скорости в перифе­ рийном сечении лопаток компрессора внешнего контура, число ступеней его уменьшается. При повышенных значениях степени двухконтурности величина я* „ о п т снижается настолько, что этот компрессор (вентилятор) удается выполнить одноступенчатым. Это существенно упрощает конструкцию и вес компрессора. Такая кон-

40

струкция реализована на двигателях с большой степенью двухкон­

ся одновальные и трехвальные ДТРД.

Одновальный двигатель имеет простую конструкцию, малый вес, малое число опор, низкую стоимость, однако такая схема пред­ определяет низкую величину я* 2 и обусловленный ею повышен­ ный удельный расход топлива. В настоящее время во Франции создается военный одновальный ДТРДФ M 53 с общей степенью повышения давления 8,5 при степени двухконтурности 0,4. Как известно, для самолетов-истребителей необходимо обеспечить боль­ шую лобовую тягу, а она достигается при максимуме удельной тяги. Для двигателей, используемых на таких самолетах, приме­

ния применяются двухили трехвальные схемы двухконтурных двигателей. Большое распространение получила двухвальная схе­ ма двухконтурных двигателей.

Для двигателей с высокой степенью двухконтурности приме­ няется двухвальная схема, в которой вентилятор и компрессор га­ зогенератора (компрессор высокого давления), имеющий высокую степень повышения давления, приводятся самостоятельными тур­

компрессора высокого давления.

Для двигателей с низкой и средней степенью двухконтурности широко применяется и двухвальная схема, в которой вентилятор соединен с компрессором низкого давления газогенератора и, кро­ ме того, имеется компрессор высокого давления газогенератора [27]. Каждый из каскадов компрессора имеет среднюю величину степени повышения давления. Однако в целом такая схема также позволяет достигать высоких величин я* 2 [16]. В этой схеме вен­ тилятор и компрессор низкого давления приводятся общей турби­ ной низкого давления, а компрессор высокого давления — турби­ ной высокого давления. Недостатком такой схемы двигателя является невысокая окружная скорость лопаток компрессора низ­ кого давления даже при больших сверхзвуковых скоростях в пе­ риферийном сечении лопаток вентилятора. В результате работо­ способность ступеней компрессора низкого давления снижается и для получения заданных параметров компрессора требуется боль­ шое число ступеней. Кроме того, большие сверхзвуковые скорости на лопатках вентилятора снижают эффективность его работы. Для

41

двигателей этой схемы также характерно применение регулируе­ мых направляющих аппаратов в компрессоре. Например, на двухвальном двигателе F101 имеются регулируемый входной направ­ ляющий аппарат вентилятора и регулируемые направляющие аппараты компрессора высокого давления [13].

Наконец, имеются трехвальные ДТРД, в которых вентилятор, компрессор низкого давления и компрессор высокого давления приводятся тремя самостоятельными турбинами через соосные валы. Такая схема применяется в двигателях с высокой степенью повышения давления и позволяет получить каждую турбокомпрессорную часть с близкими к оптимальным для ее назначения пара­ метрами. На двигателях трехвальной схемы может применяться регулируемый входной направляющий аппарат (ВНА) компрессора низкого давления (в частности, так сделано на двигателе RB 199). Трехвальная схема ДТРД начинает применяться на двигателях с различной ( т = 1 - н 5 ) степенью двухконтурности (двигатели RB 199, «Трент» и RB211) [16], [21].

Вопрос о выборе числа валов турбокомпрессорной части дви­ гателя в настоящее время не имеет однозначного решения. На его решение влияют не только общие тенденции развития двигателестроения, технические и финансовые обстоятельства, но и тради­ ции фирмы.

Примерами различного решения при выборе числа валов могут служить Д Т Р Д с большой степенью двухконтурности американ­ ской фирмы «Пратт-Уитни» (двухвальный двигатель JT9D) и ан­ глийской фирмы «Роллс-Ройс» (трехвальный двигатель RB 211). Оба двигателя являются высокоэкономичными Д Т Р Д большой тяги и предназначены для современных межконтинентальных самоле­ тов. Двигатели имеют сравнимые параметры рабочего процесса, примерно одинаковые уровень тяги и экономичность: степень двух­ контурности приблизительно 5, общая степень повышения давле­ ния более 22, взлетная тяга более 18 тс.

По мнению специалистов фирмы «Пратт-Уитни», для такого перспективного ДТРД, как JT9D, предпочтительнее двухвальная схема с регулируемыми сечениями компрессора высокого давления и нерегулируемым компрессором низкого давления, соединенным общим валом с вентилятором, нежели трехвальная схема без ре­ гулирования проходных сечений компрессоров низкого и высокого давлений. Сравнительные исследования этих двух компоновочных схем, выполненные американской фирмой «Пратт-Уитни», показа­ ли преимущества двухвальной схемы перед трехвальной для дви­ гателя JT9D [28], и в частности более простая конструкция и мень­ шее число основных деталей, меньший вес, меньший расход топ­ лива, лучшая приемистость, большие возможности для дальнейшего увеличения тяги и существенно меньшие трудности в разработке. Ряд преимуществ двухвальной схемы двигателя обусловлен су­ ществованием регулируемых сечений компрессора (лучший расход топлива на крейсерском режиме полета, хорошая приемистость). Кроме того, двухвальный двигатель имеет меньшее число опор и

42

подшипников. Созданный по двухвальной схеме двухконтурный двигатель JT9D производится серийно и эксплуатируется на пас­ сажирских самолетах.

Двигатель RB211 английской фирмы «Роллс-Ройс» также про­ изводится серийно и эксплуатируется на пассажирских самолетах.

чивается.

Специалисты фирмы «Роллс-Ройс» считают компоновочную схему Д Т Р Д с тремя валами турбокомпрессорной части без регу­ лируемых направляющих аппаратов компрессора наиболее пер­ спективной для двигателей с высокой общей степенью повышения давления и отмечают ряд газодинамических, конструктивных и эксплуатационных преимуществ подобных двигателей перед дру­ гими [21].

Г а з о д и н а м и ч е с к и е п р е и м у щ е с т в а . Компрессор вы­ сокого давления является простым нерегулируемым узлом с не­ большим числом ступеней и со средней степенью повышения дав­ ления (примерно 4,5). Газодинамические и геометрические пара­ метры каждой ступени этого компрессора могут быть выбраны из условия оптимальной или близкой к ней окружной скорости. Ана­ логичные характеристики имеет и компрессор низкого давления. Вследствие высоких окружных скоростей роторов низкого и вы­ сокого давления и умеренных степеней повышения давления в каждом каскаде компрессора турбины, приводящие эти компрес­ соры, могут быть выбраны одноступенчатыми с небольшим числом охлаждаемых венцов.

Отсутствие регулируемых направляющихаппаратов в компрес­ соре упрощает конструкцию двигателя, сокращает до минимума потери от утечек и перетечек воздуха и позволяет выполнять кон­ струкцию достаточно ' прочной, чтобы противостоять попаданию посторонних предметов в воздухозаборник, например птиц. Кроме того, трехвальная схема двигателя имеет преимущества по срав­ нению с двухвальной по уровню шума, в частности шума ротора вентилятора, который в Д Т Р Д с большой степенью двухконтурно­ сти является преобладающим. Снижая скорость вращения ротора вентилятора при заходе самолета -на посадку уменьшением пло­ щади реактивного сопла, можно существенно уменьшить уровень шума от вентилятора и его турбины. При этом необходимая тяга двигателя достигается увеличением скорости вращения компрессо­ ра высокого давления.

К о н с т р у к т и в н ы е п р е и м у щ е с т в а . Укороченные каска­ ды компрессоров низкого и высокого давления уменьшают возмож­ ность прогиба барабанов и валов, что снижает уровень вибраций. Кроме того, при коротких узлах вращения, смонтированных на упругих опорах с масляным демпфированием, обеспечивается более плавное вращение, уменьшается износ, а следовательно, увеличи-

43

В периферийных сечениях при очень тонких профилях лопатки удается достичь приемлемых значений к. п. д. в ступени даже при числе М~1,4 по относительной скорости. Во втулочных сечениях лопаток вентилятора сочетаются большие углы поворота потока •с высокими коэффициентами напора, достаточно высокими чис­ лами M набегающего потока и высоким коэффициентом расхода

.воздуха (отношение осевой составляющей скорости потока к ок­ ружной скорости лопатки). Существующие во втулочных сечениях

.вентилятора с линейным распределением работы по радиусу ^уменьшение работы к втулке).

Для компенсации невысокой степени повышения давления во втулочных сечениях целесообразно применять дополнительную под­ порную ступень в области втулки. Такая компенсация возможна также и благодаря повышению работы первых ступеней компрес­ сора внутреннего контура. На двигателе TF 39 имеется «половин­ ная» дополнительная ступень, установленная перед основной вен­ тиляторной ступенью. Эта мера позволила получить минимальные диаметр и вес вентилятора при практически одинаковой по высоте лопатки величине степени повышения давления. На двигателе CF6-50 применены три подпорные ступени, установленные за сту­ пенью вентилятора.

Проектирование компрессоров для Д Т Р Д сопровождается труд­ ностями, присущими созданию авиационного осевого компрессора •с высокой степенью повышения давления при умеренном числе ступеней [1], [13].

Создание турбин для Д Т Р Д также имеет свои трудности [21]. В современных авиационных ГТД применяют высокие температу­ ры газа перед турбиной и, как следствие этого, охлаждаемые тур­ бины, причем только с воздушным охлаждением их деталей. Ра­ нее было показано, что для получения высоких параметров в двух­ контурных двигателях температура газа перед турбиной в них должна превышать температуру газа перед турбиной в однокон­ турных двигателях.

Применение воздушного охлаждения деталей турбин сопровож­ дается дополнительными газодинамическими потерями, связанны­ ми с выпуском охлаждающего воздуха в проточную часть турбины v. его утечками и конструктивными изменениями элементов про­ точной части, в частности утолщением сопловых н рабочих лопаток и введением коммуникаций подвода охлаждающего воздуха. Кро­ ме того, отбор некоторого количества воздуха высокого давления для охлаждения и самолетных нужд увеличивает нагрузку тур­ бины.

Турбина компрессора выполняется охлаждаемой и имеет высо­ кую окружную скорость (более 400 м/с). Это предопределяет ма­ лое число ее ступеней (одна-две). Вследствие высокой окружной

45

скорости и увеличенной газодинамической нагрузки ступени в од­ ной ступени такой турбины срабатываются большие теплоперепады,. что существенно снижает температуру газа перед следующей сту­ пенью. В результате этого, несмотря на высокие значения темпе­ ратуры газа перед турбиной, достигающие на серийных двигателях:

ступень турбины, несмотря на очень высокую Т* (~1650°К) - Дальнейшее увеличение окружной скорости затруднено, так как очень сложно обеспечить необходимую прочность рабочих лопа­ ток и дисков.

Для турбины компрессора Д Т Р Д характерны несколько пони­ женные значения к. п. д. из-за малой высоты лопаток (а следова­ тельно, увеличенных концевых потерь), высокой нагрузки на сту­ пень и сверхзвуковых скоростей потока в проточной части.

Турбина вентилятора, особенно Д Т Р Д с большой степеньюдвухконтурности, имеет невысокие окружные скорости на среднем диаметре (до 300 м/с). Пониженная окружная скорость этой тур­ бины определяется невысокой скоростью вращения ротора венти­ лятора, что является следствием его большого диаметра, несмотря на высокую окружную скорость на периферии рабочих лопаток

степенью двухконтурности оно равно пяти-шести. В ряде случаевдля увеличения окружной скорости турбины вентилятора увеличи­ вают средний диаметр этой турбины по сравнению со средним диа­ метром турбины компрессора. Для Д Т Р Д с большой степенью^ двухконтурности это может быть осуществлено с помощью пере­ ходного диффузорного канала (двигатели TF39, CF6, TF34) или с помощью широкого соплового аппарата первой ступени турбины вентилятора (двигатели RB211, «Трент»). Турбина вентилятора. ДТРД имеет достаточно высокий к. п. д., однако большая газоди­ намическая нагруженность ступеней и большие относительные осе­ вые скорости препятствуют достижению максимально возможных: значений к. п. д.

Ввиду большого снижения температуры газа в турбине ком­ прессора турбина вентилятора, как правило, выполняется неохлаждаемой, однако в некоторых случаях возможно применение и охлаждаемых первых венцов этой турбины [3].

В двухконтурных двигателях шум реактивной струи значитель­ но ниже, чем в ТРД. Шум от турбины также снижается вследствие-

46

меньших относительных скоростей в проточной части и меньших размеров турбины при равной с ТРД тяге. Однако шум, распро­ страняющийся от вентилятора назад, весьма увеличивается. Шум от вентилятора и шум от турбины определяются в основном чис­ лом M потока, набегающего на лопатки, поэтому на режимах ожи­ дания и захода на посадку целесообразно уменьшать обороты ротора вентилятора.

Применение вентиляторов без входного направляющего аппа­ рата обеспечило исчезновение «воющего» звука, который возни­ кал при прохождении рабочих лопаток вентилятора через аэро­ динамический след лопаток входного направляющего аппарата. Кроме того, существенное увеличение расстояния между рабочим колесом вентилятора и спрямляющим аппаратом снизило уровень шума вентилятора. Некоторого снижения шума можно также до­ биться выбором целесообразного числа лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата. С этой целью в одноступенчатых вен­ тиляторах Д Т Р Д осевой зазор между задней кромкой рабочего колеса и передней кромкой спрямляющей решетки делают равным удвоенной хорде лопаток.

Применение в авиации двухконтурных двигателей обусловли­ вает некоторые особенности расположения их на самолете и про­ ектирования воздухозаборников, реактивных сопел и других эле­

(ДТРДФ) меньше удельной тяги сравнимого ТРД (ТРДФ), а сле­ довательно, расход воздуха в двухконтурном двигателе больше, чем в одноконтурном. Кроме того, преимущество в экономичности, характерное для Д Т Р Д по отношению к ТРД, снижается влиянием увеличенных размеров и веса мотогондолы, а также ее лобового сопротивления [2].

В настоящее время на военных и гражданских самолетах при­ меняются следующие способы установки Д Т Р Д или ДТРДФ: в фю­ зеляже, в мотогондолах под крылом или у хвостовой части фюзе­ ляжа и комбинированный (на основе первых двух способов).

На .самолетах тактической авиации широко распространен спо­ соб установки двигателя (или двух двигателей) рядом в фюзеля­ же. Такое расположение силовой установки применено на двух-

двухдвигательном истребителе-бомбардировщике «Ягуар» и т. д. Однако на разрабатываемых истребителях F-14 и F-15 принята компоновка с разнесенными двигателями, вследствие того что при расположении реактивных сопел рядом в тени фюзеляжа на неко-

47

торых сверхзвуковых скоростях полета может происходить потеря тяги, достигающая 30% [41].

На самолетах дальней авиации с мощными Д Т Р Д или ДТРДФ применяется установка двигателей в мотогондолах на пилонах под крылом (дозвуковой стратегический бомбардировщик В-52 имеет ДТРД, установленные на пилонах под крылом, разрабатываемый сверхзвуковой стратегический бомбардировщик В-1А проектирует­ ся с четырьмя ДТРДФ, попарно устанавливаемыми под крылом). На военно-транспортных самолетах, имеющих мощные Д Т Р Д с большой степенью двухконтурности, также наиболее распространен •способ установки двигателей на пилонах под крылом (самолеты ВТА С-141, С-5А и др.). Такой способ установки Д Т Р Д обусловли­ вается числом двигателей, их размерами и невозможностью исполь­ зования фюзеляжа для этой цели.

В настоящее время принято, что на пассажирских самолетах малой и средней дальности полета устанавливаются два-три дви­ гателя; на самолетах средней и большой дальности — три-четыре двигателя.

Для самолета с двумя двигателями уже не является обяза­ тельной применявшаяся ранее установка двигателей на пилонах под крылом, особенно для Д Т Р Д с большой степенью двухкон­ турности.

Компоновка самолетов с двумя двигателями под крылом и у хвостовой части фюзеляжа показана на рис. 24. Исследования по­ казали, что кроме заметного различия в компоновке по высоте над землей крыла, фюзеляжа, верхней точки киля и самих двигателей имеется некоторое преимущество в весе при установке двигателей у хвостовой части фюзеляжа. Такая компоновка самолета и двитателей является более приемлемой и по числу дверей в пассажир­ ском салоне (при расположении двигателей у хвостовой части фюзеляжа—две двери, при расположении двигателей под кры­ лом— только одна дверь) [21].

Кроме того, меньший уровень шума в пассажирском салоне,

.лучшие летные характеристики самолета при полете на одном дви­ гателе и большая безопасность при вынужденной посадке на фю­ зеляж делают установку двигателей у хвостовой части фюзеляжа более предпочтительной, чем под крылом.

Возможности установки третьего двигателя более ограничены. Центральный двигатель устанавливается обычно в хвостовой ча­ сти фюзеляжа. На самолете L-1011 двигатель установлен в хво-

48

Рис. 24. Сравнение компоновок транспортных самолетов с дву­ мя' ДТРД под крылом и у хвостовой части фюзеляжа

Охлаждение турбин двухконтурных двигателей

Применение охлаждаемых турбин позволило реализовать вы­ сокоэффективный термодинамический цикл двухконтурного газо­ турбинного двигателя (ГТД) и обеспечило широкое распростране­ ние двигателя этого типа в военной и гражданской авиации. Вслед-