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

тіуса, но и обеспечить на всех режимах работы приемлемые вели­ чины радиальных зазоров, что привело к некоторому снижению удельного расхода топлива.

Двухконтурные двигатели, применяемые на серийных гражданских самолетах

В настоящее время имеется большое количество самолетов и

.двигателей для них, эксплуатируемых в гражданской авиации. На­ значение этих самолетов очень разнообразно (служебные, малой, •средней и межконтинентальной дальности, воздушные автобусы, •специальные и т. д.), и это привело к многообразию газотурбин­ ных двигателей, в том числе и ДТРД, которые отличаются между собой по их тяге, удельному расходу топлива, схеме, весу, габа- •ритам и другим параметрам.

Для американского «воздушного автобуса» — самолета Мак Доннелл Дуглас DC-10-10 фирмой «Дженерал Электрик» разрабо­ тан и серийно производится Д Т Р Д CF6-6D с высокой степенью двухконтурности со взлетной тягой 17 750 кгс при удельном рас­ ходе топлива 0,34 кг/кгс-ч. Степень двухконтурности его прибли­

ваемого вентилятором, применены звукопоглощающие панели из стекловолокна, покрывающие внутренние поверхности канала внешнего контура. По этой же причине выходной спрямляющий аппарат вентилятора. установлен с большим осевым зазором, а входной направляющий аппарат вообще отсутствует.

Компрессор двигателя имеет 16 ступеней, обеспечивающих вы­ сокую степень повышения давления. В компрессоре применены регулируемые ВНА и направляющие аппараты первых пяти сту­ пеней. В конструкции компрессора применены титановые сплавы, причем для предотвращения пожара при касании вращающимися деталями (концы рабочих лопаток) неподвижных деталей (кор­ пус) применено специальное покрытие.

В камере сгорания двигателя применены осевые завихрители, способные пропустить большое количество воздуха в зону горения, в результате чего обедняется топливовоздушная смесь и снижает­ ся уровень дымления камер даже по сравнению с TF39, имеющим допустимую величину дымления. Как отмечается в иностранной авиационной литературе, фирма «Дженерал Электрик» добилась

80

устранения частиц углерода на выхлопе и теперь ее усилия направ­ лены на снижение содержания в реактивной струе окиси азота, количество которой увеличивается с ростом я* 2 .

Турбины двигателя CF 6-6D подобны турбинам TF39, однако вследствие уменьшения мощности, потребной для привода венти­ лятора и увеличения числа оборотов ротора низкого давления, тур­ бина низкого давления двигателя CF6-6D имеет не шесть, а пять ступеней. В двигателе применен реверс тяги внешнего контура с помощью кольцевого реверсивного устройства с решетками откло­

няющих лопаток и с блокирующими створками. Кроме того, имеет­ ся нейтрализатор тяги внутреннего контура—так называемый спойлер, решетчатого типа, устанавливаемый за турбиной. Схема действия нейтрализатора тяги показана на рис. 39.

В последнее время разрабатываются другие модификации дви­ гателя, в частности CF6-50A, имеющая повышенную величину л* s (29,9) и несколько пониженную величину m (4,3) на крейсерском режиме. Взлетная тяга двигателя увеличивается до 21 775 кгс.

На американском пассажирском самолете «Боинг» 747 приме­ няются четыре двухконтурных двигателя JT9D фирмы «Пратт-Уит­ ни» (рис. 40). Взлетная тяга двигателя модификации JT9D-7 со­ ставляет 20 640 кгс при удельном расходе топлива 0,355 кг/кгс • ч. Двигатель имеет степень двухконтурности 4,9 при общей степени

двухвальным двигателем большой тяги, предназначенным для меж­ континентальных гражданских пассажирских самолетов большой, пассажировместимости. Этот Д Т Р Д имеет одноступенчатый вен­ тилятор без ВНА. Рабочее колесо его консольно расположено пе­ ред передней опорой вала низкого давления. Рабочие лопатки вентилятора снабжены двумя поясами антивибрационных полок.

82

В конструкции этого узла применяются титановые сплавы (рабочие лопатки, диск, спрямляющий аппарат, корпус). Трехступенчатый компрессор низкого давления имеет барабанно-дисковую конст­ рукцию, жестко соединенную с диском вентилятора. Входные на­ правляющие лопатки компрессора низкого давления поворотные и могут устанавливаться в два положения. Компрессор высокого давления состоит из 11 ступеней, его ротор также барабанно-дис- ковой конструкции. Направляющие лопатки первых трех ступеней компрессора высокого давления регулируемые.

Рис. 40. Схема двигателя JT9D

В конструкции компрессоров низкого и высокого давлений так­ же достаточно широко применяются титановые сплавы (рабочие лопатки компрессора низкого давления и первых девяти ступеней компрессора высокого давления, корпус компрессора низкого дав­ ления).

Камера сгорания двигателя — кольцевая, с 24 сдвоенными фор­ сунками, причем ось жаровой трубы имеет некоторый угол по отно­ шению к оси двигателя. Для сокращения длины двигателя, его веса и пролета валов головная часть камеры сгорания конструктивно объединена с корпусом диффузора, устанавливаемого за компрес­ сором высокого давления. При техническом обслуживании двига­ теля имеется возможность осмотра внутренних поверхностей ка­ меры сгорания с помощью бароскопов, вводимых через специаль­ ные люки и гнезда форсунок.

Турбина низкого давления — двухступенчатая. Вследствие до­ статочно высокой температуры газа перед турбиной ( ~ 1450° К) сопловые лопатки обеих ступеней и рабочие лопатки первой сту­ пени охлаждаются воздухом. Турбина низкого давления — четы­ рехступенчатая, имеет ротор барабанно-дисковой конструкции.

Реактивное сопло внутреннего контура — нерегулируемое, с цен­ тральным телом увеличенных размеров, что сделано для укороче­ ния кожуха внешнего контура без превышения необходимой пло­ щади сопла и получения приемлемого профиля задней части кожуха. Реактивное сопло внешнего контура — дозвуковое, уста­ новлено непосредственно за вентилятором.

Двигатель JT9D снабжен реверсивными устройствами решетча­ того типа в обоих контурах. На рис. 41 приведены схемы их дей­ ствия для внешнего (а) и внутреннего (б) контуров. При реверси­ ровании тяги во внешнем контуре задняя подвижная часть кожуха сдвигается назад и освобождает отклоняющую лопаточную решет­ ку. Одновременно ряд блокирующих створок выдвигается с по­ мощью стержневого механизма и перекрывает выпускной канал.

б

отклоняющая реактивную струю; 4 — подвижная часть кожуха; 5 — створки, блокирующие

При этом воздушный поток поступает через отклоняющую решетку в направлении, противоположном движению потока.

Каждый ротор двигателя JT9D имеет две опоры, передний под­ шипник упорный, задний подшипник опорный. Таким образом, всего в двигателе четыре опоры.

При доводке двигателя JT9D на режимах больших тяг выявил­ ся дефект, достаточно характерный для Д Т Р Д с большой степенью двухконтурности, у которых передняя часть двигателя имеет уве­ личенные габариты и вес. У двигателя наблюдалось задевание рабочими лопатками компрессора высокого давления и турбины высокого давления корпусов, наблюдалось также срабатывание

84

гребешков уплотнений. Причиной этих дефектов было отклонение передней части двигателя вниз, вызывающее овализацню корпусов.

Усилением корпусов и установкой колец, повышающих жест­ кость корпусов, не удалось полностью устранить этот дефект. По­ этому было применено крепление двигателя в мотогондоле самоле­ та «Боинг» 747 с помощью фиксирующих подвесок, имеющих форму перевернутой буквы Y с углом 60° (рис. 42) [29], [33]. Все нагрузки

от силы тяги передаются через силовую раму на конструкцию пи­ лона: вертикальные и боковые нагрузки передаются спереди через задний корпус вентилятора, а сзади вертикальные нагрузки вос­ принимаются скользящими стержнями пилона через задний корпус.

На пассажирском самолете Локхид «Тристар» L-1011 применя­

чен для гражданских самолетов большой пассажировместимости к является единственным в мире серийным трехвальным двигателем

Двухконтурный турбореактивный двигатель RB211 имеет одно­ ступенчатый вентилятор без ВНА; рабочее колесо расположено консольно. Конструкция корпуса вентилятора и вала способна про­ тивостоять нагрузкам, которые могут возникнуть при обрыве ло­ паток вентилятора. Рабочие лопатки вентилятора изготавливаются

85

из титанового сплава, однако начиная с 1973 г. предусмотрено применение композитного материала «хайфил», что должно умень­ шить вес вентилятора примерно на 140 кгс. Вентилятор приводится трехступенчатой турбиной, ротор которой опирается на три под­ шипника.

Компрессор низкого давления состоит из семи ступеней и при­ водится одноступенчатой турбиной низкого давления. Он имеет регулируемый ВНА. Ротор компрессора низкого давления барабан- но-дискового типа, сварной. Переходной корпус между компрессо­ рами является месторасположением средних опор двигателя, транс­ миссии к агрегатам, а также передает тягу двигателя к подмоторной раме. Наддув кабины осуществляется через полые стойки' пе­ реходного корпуса. Ротор низкого давления ^опирается на три под­ шипника.

Компрессор высокого давления состоит из шести ступеней и при­ водится одноступенчатой турбиной. Ротор компрессора высокого давления барабанно-дисковой конструкции, сварной. От третьей ступени производится отбор воздуха для охлаждения турбины и вентиляции некоторых полостей двигателя. Ротор опирается на два подшипника.

В конструкции компрессоров широко используются титановые сплавы (рабочие и направляющие лопатки компрессора низкого давления, все диски компрессоров, за исключением последнего ди­ ска компрессора высокого давления). Корпуса и рабочие лопатки компрессора высокого давления стальные.

Камера сгорания двигателя кольцевая, имеет одноканальные топливные форсунки с воздушным распылом. При разработке ка­ меры сгорания фирма «Роллс-Ройс» провела большие исследования по снижению уровня дымления и сокращению длины камеры. Кон­ струкция камеры сгорания двигателя RB211 показана на рис. 44.

Турбина высокого давления охлаждаемая. Сопловые лопатки полые и имеют профилированные вставки (дефлекторы) для под­ вода и направления охлаждающего воздуха. Выпуск этого воздуха осуществляется в выходную кромку. Рабочие лопатки имеют полу­ петлевую схему охлаждения, при которой охлаждающий воздух набегает на переднюю кромку лопатки и выпускается через выход­ ную кромку. Такая система охлаждения обеспечивает среднюю рабочую температуру металла лопаток турбины двигателя RB211 на уровне температуры металла лопаток более ранних ДТРД фир­ мы «Роллс-Ройс» (например, ДТРД «Спей»). При этом температу­ ра газа в двигателе RB211 существенно выше.

Турбина низкого давления имеет сопловой аппарат, охлаждае­ мый воздухом по схеме, аналогичной схеме охлаждения сопловых лопаток турбины высокого давления (см. рис. 26). Характерной особенностью сопловых лопаток турбины низкого давления являет­ ся их увеличенная относительная ширина, что связано с необхо­ димостью размещения радиальных стоек опор турбин и трубопро­ водов системы смазки опор. Кроме того, этот сопловой аппарат имеет форму конического переходника с увеличивающимся к вы-

86

ходу средним диаметром, что позволяет при заданных оооротах

роторов турбин низкого давления и вентилятора увеличить окруж­ ную скорость этих турбин.

Турбина вентилятора неохлаждаемая. Ротор этой турбины ба- рабанно-дисковой конструкции. Для снижения веса рабочие ло­ патки турбины вентилятора изготовлены полыми. В отдельных

источниках сообщается, что и сопловые лопатки этой турбины по­ лые. Рабочие лопатки всех ступеней снабжены бандажными пол­ ками с двумя гребешками уплотнений. Каждый из роторов турби­ ны имеет по одному роликовому подшипнику. Таким образом, всего в двигателе RB211 восемь опор.

Двигатель оборудован раздельными реактивными соплами. Реактивное сопло внутреннего контура двухпозиционное. При за­ ходе на посадку сопло прикрывается, в результате чего частота вращения ротора вентилятора снижается, а следовательно умень­ шается шум от двигателя. Сопло внешнего контура нерегулируе­ мое и устанавливается за коротким обтекателем. Реверсирование тяги осуществляется во внешнем контуре с помощью реверсив­ ного устройства решетчатого типа. При этом тяга внутреннего кон­ тура нейтрализуется с помощью двухстворчатого отклоняющего устройства. На двигателе также предусмотрено применение шумо­ глушителя и использование шумоглушащих материалов по внут­ ренним обводам воздушных каналов и части тракта горячих газов.

Фирма «Роллс-Ройс» разработала на базе двигателя RB211 ряд модификаций для самолетов различного назначения. В частности, для пассажирского самолета ВАС311 («воздушный автобус») была

87

предложена модификация RB 211-61, имеющая увеличенную взлет­ ную тягу 22 780 кгс.

Кроме новых мощных двигателей на пассажирских и транспорт­ ных гражданских самолетах применяются Д Т Р Д со средним уров­ нем тяги, созданные ранее, и в частности модификации двигателей Пратт-Уитни JT3D и JT8D и Роллс-Ройс «Спей»1 .

Для служебных, тренировочных и других легких самолетов с невысокими дозвуковыми скоростями полета применяются мало­ мощные ДТРД . Это двигатели фирмы «Юнайтед Эркрафт оф Ка­ нада» JT15D-1 и «Дженерал Электрик» CF700-2C.

этого двигателя невысокие: общая степень повышения давления 10, температура газа перед турбиной 1283° К; степень двухконтурно­ сти 3,2.

Двигатель JT15D-1 имеет одноступенчатый вентилятор, приво­ димый двухступенчатой турбиной низкого давления и одноступен­ чатый центробежный компрессор, приводимый одноступенчатой турбиной высокого давления. На двигателе установлена кольцевая камера сгорания противоточного типа. Этот двигатель устанавли­ вается на служебных самолетах Цессна «Фэнджет» серий 500 и 600. Предполагается устанавливать его на многоцелевом самолете Сюд/Норд Авиасьон SN600 «Корветт».

Маломощный двигатель CF700-2C — единственный серийно вы­ пускаемый в настоящее время Д Т Р Д с задним расположением вентилятора. Он развивает на взлетном режиме тягу 1870 кгс при удельном расходе топлива 0,65 кг/кгс • ч. Степень повышения дав­ ления в его компрессоре 7,1, степень повышения давления в вен-

1 Особенности конструкции двигателя «Спей» рассмотрены ранее.

88

тиляторе 1,6 при степени двухконтурности 1,9. Этот двухконтурный: двигатель разработан на базе ТРД CJ610, поэтому их газогенера­ торные части аналогичны. Д Т Р Д CF700-2C устанавливается на. служебном самолете Дассо «Фэн Джет Фалкон».

Двигатель CF 700-2С имеет входное устройство, в котором уста­ новлены регулируемые лопатки ВНА компрессора. Компрессор двигателя осевой, восьмиступенчатый, имеет два перепускных кла­ пана. Камера сгорания кольцевая, с единой жаровой трубой. Ком­ прессор приводится двухступенчатой турбиной. Сопловой аппарат первой ступени охлаждаемый. За тур­ биной компрессора установлена одно­ ступенчатая турбовентиляторная при­ ставка, имеющая двухъярусные рабо­ чие лопатки.

задним расположением вентилятора. Сопловые лопатки турбины турбовентилятора и спрямляющие лопатки вентилятора — полые.

Турбовентиляторная приставка на взлетном режиме создает около 30% тяги двигателя.

Интересно отметить, что на базе Д Т Р Д CF700 была разрабо­ тана модификация, способная работать в качестве подъемного дви­ гателя для летающего аппарата фирмы «Белл», предназначенного' для воспроизведения мягкой посадки космического корабля на по­

89>