Лекция№2

Лекция №2. Поколения ГТД.

Базовый двигатель и способы его видоизменения.

Поколения ГТД

В течение этих этапов был создан разнообразный парк ГТД от чисто военных авиационных ГТД до ГТД используемых на земле в различных технологических целях, таких как привод нагнетателей природного газа и электрогенераторов, очистка и сушка ВПП аэродромов, вентиляция карьеров.

Разнообразие требований к ГТД обусловило и широкое развитие приемов проектирования. Эти приемы позволяли решать крупные задачи в двигателестроении, которые являлись «событием совершенствования», давая заметное качественное и количественное улучшение всей системы.

Например: переход от ТВД к двухконтурному двигателю, появление двухвальных схем и т.д.

Условно все созданные двигатели можно отнести к одному из пяти поколений. В таблице выделено 4 поколения двигателей находившихся или находящие в эксплуатации и прогнозируются признаки двигателей следующих поколений.

Характерно, что сейчас имеет место уменьшение числа «новых событий», что видимо, указывает признаки «насыщения» ГТД как технической системы, или же на существенное возрастание трудоемкости создания «нового события».

Так на этапе «насыщения» для внедрения одного события разрабатывалось 20-30 двигателей.

На этапе интенсивного развития 4-5 двигателей на одного событие.

Классификация ГТД по поколениям

№ поколения	I	II	III	IV	V
Годы разработки	1945…1952	1950…1960	1958…1970	с 1970	с 1980
Общая характеристика	ТРД, ТРДФ и ТВД с одновальными нерегулируемыми осевыми и центробежными компрессорами и неохлаждаемой турбиной	Военные ТРД, ТРДФ и ТВД и их гражданские модификации с одно и 2-х вальными регулируемыми компрессорами и охлаждаемой турбиной	Гражданские дозвуковые ТРДД и сверхзвуковые ТРДФ для СПС. Военные ТРДФ, ТРДД (m=0,3…2); ТРДДФ (m=0,7…1) одно - и 2-х вальные компрессоры; охлаждаемые турбины с конвективным плёночным охлаждением	Дозвуковые ТРДД (m=4…8) и сверхзвуковые ТРДДФ (m=0,5…2,5), 2-х - и 3-х вальный компрессор, охлаждаемая турбина с конвективным плёночным охлаждением	Дальнейшее развитие ТРДД и ТРДДФ. Появление ТРДДФ с широким регулированием геометрии
Степень повышения давления в компрессоре	3…4	8…13	14…20	20…30	35…40 и более
Температура (К) газа перед турбиной	1000…1150	1150…1250	1350…1450	1500…1650	1800…2000
Применяемые материалы	Стали, сплавы алюминиевые и магниевые	Жаропрочные сплавы, алюминиевые сплавы, начало применения титановых сплавов	Жаропрочные, титановые сплавы	Жаропрочные, титановые сплавы, начало внедрения композитных материалов	Интерметаллиды, керамика, композиты Жаропрочные сплавы, монокристаллы
	J-33, J-47, J-48, РД-45, РД-10, РД-20, РД-500, ВК-1, АЛ-5	J-57, J-75, J-79, РД-3М, РД-9Б, ФИ-20, Р11Ф-300, НК-12	TF-30, JT8D, НК-8, Д-20П, Д-30, Д-30КУ, АИ-25, НК-144	TF-39, СF6, RB-211, RB-199, F-100, F-101	YF-119, PW-100, YF-120, GE-100
Относительная стоимость двигателя	100%	1510%	250%	500%

Изменение основных показателей рабочего процесса ГТД (см. рис. и табл.) наглядно иллюстрирует динамику изменения их и показывает усложнение проблем стоящих перед проектировщиками.

Базовый двигатель.

Базовый двигатель – это новый тип двигателя, на основе которого разрабатывается семейство модифицированных двигателей как в сторону расширения области применения, так и в сторону улучшения технического уровня.

Развитие ГТД, как и для любого вида сложной техники идет по 2-м направлениям:

1-е или главное, связано с разработкой базовых двигателей определяющих новое поколение.

2-е: их модернизация и модификации

Причина разработки базовых двигателей – это стремление значительно повысить эффективности путем резкого увеличения тяги или мощности при снижении массы и стоимости. Однако разработка базового двигателя возможна только при необходимом прогрессе науки и смежных областей техники. Время и стоимость создания базового двигателя высоки, к тому же с момента окончания разработки проекта начинается его моральное старение.

Поэтому непрерывное повышение эффективности достигают другим путем - через обновление двигателей.

Таким образом, одновременно существуют два процесса: обновления базовых двигателей и прогрессивной методологии создания самих базовых двигателей.

Все усовершенствования базового двигателя сохраняются, а появление «новых событий» лишь частично реализуется. Речь идет о событиях появившихся в период между 2-мя поколениями. Такой подход позволяет уменьшить время и стоимость разработки, но не дает скачкообразного изменения технического уровня. Возможности модернизации ограничены, поэтому на определенном этапе эволюционного развития возникает потребность возврата к 1-му пути, т. е. созданию базового двигателя.

Модернизация – это обновление базового двигателя в соответствие с новыми нормами и требованиями.

Модификация – это процесс видоизменения базового двигателя по совокупности или одному из признаков:

целевое назначение,

область применения,

основная характеристика и т. д.

Например: базовый двигатель АИ-24 и его модификации АИ-24А, АИ-24Т, АИ-21ВУ (энергопривод наземных установок)

Количество базовых двигателей невелико (два, три) и должно быть достаточно, чтобы различными модификациями можно было бы закрыть весь диапазон потребностей.

Для авиационных ГТД необходимость модификации диктуется не соответствием располагаемых взлетных и крейсерских тяг потребностям новых самолетов.

Основные приемы модификации по тяги:

1). Изменение степени двухконтурности за счет изменения диаметра вентилятора при неизмененных параметрах рабочего процесса и самого газогенератора.

2). Изменение частоты вращения ротора газогенератора.

3). Увеличение температуры газа перед турбиной.

4). Изменение при прочих неизменных параметрах.

5). Сочетание пунктов с 1 по 4 при неизменной силовой схеме двигателя.

6). Геометрическое моделирование двигателя.

Пример: ТРДД «Пегас» увеличение в 2,5 раза было получено за счет увеличения , раскрутки роторов, впрыска воды практически без изменения схемы и конструкции двигателя.

Модификация является объективной реальностью, поэтому нужно планировать разработку модификации на стадии проектирования базового двигателя. Под планированием модификации понимается:

1). Определение облика будущей модификации на стадий эскизного проектирования базового двигателя;

2). Создание потенциала модификации, т.е. возможности увеличения тяги, снижения . т.д.

3). Применение моделирования на основе резервирования или модульного проектирования.

Метод моделирования заключается в создании модификации двигателя геометрического подобного базовому, но с новым уровнем тяги.

Пример: АМ-3 (ТУ-104) - АМ-5 (Як-25)

Моделирование может быть полным или частичным.

Во 2-м случае модель и оригинал могут иметь подобные газогенераторы и различные геометрические не подобные турбовентиляторы.

Метод резервирования сводится к выбору некоторых параметров ГТД с возможностью дальнейших модификаций.

Модульное проектирование реализует принцип унификации, т.е. на базе единого модуля (газогенератора) может быть разработано целое семейство двигателей с целым диапазоном тяг.