книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Глава 8. Турбины ГТД

Design Report / Е.Е. Halila, D.T. Lenahan, T.T. Thomas //

NASA CR-167955, 1982.

8.5.3.The Jet Engine. Rolls-Royce pic, 1997.

8.6.Радиальные зазоры в турбинах

Радиальные зазоры между ротором и стато­ ром турбины необходимы для нормальной рабо­ ты и оказывают значительное влияние на ее эф­ фективность. Это влияние увеличивается при увеличении как абсолютного, так и относитель­ ного (по отношению к длине лопатки) значения радиального зазора.

8.6.1. Влияние радиального зазора на КПД турбины

Протекающее через радиальный зазор над ра­ бочей лопаткой и через радиальный зазор под со­ пловой лопаткой рабочее тело не вносит своего вклада в мощность турбины. В радиальном зазо­ ре эти утечки теряют свой потенциал по давле­ нию и сохраняют свою температуру, т.е. энер­ гию, не отдавая ее в полезную работу турбины.

Величина утечек достаточно надежно опреде­ ляется на базе эмпирических формул, обобщаю­ щих многочисленные экспериментальные иссле­ дования.

Для турбины с лопатками без бандажных полок можно рекомендовать достаточно простое соотно­ шение из работы [8.6.1]. Согласно этой работе, от­ носительное уменьшение КПД ступени турбины (по параметрам торможения) за счет радиального зазора равно удвоенной относительной величине радиального зазора (величине зазора, отнесенной к средней высоте проточной части, которая вклю­ чает лопатку и радиальный зазор). Авторы обоб­ щили экспериментальные результаты по измене­ нию КПД для относительных величин зазора до 5 %. Важен для конструирования лопаток вывод о том, что величины утечек практически не зависят от конструкции торца лопатки (практически оди­ наковы для плоского торца и торца с канавкой, в том числе с выпуском охлаждающего воздуха).

Указанная зависимость выглядит слишком простой, так как не включает даже степень реак­ тивности. Но ее авторы указывают, что в безбан­ дажной лопатке основную роль играет перетека­ ние газа на торце со стороны давления (корыта) на сторону разрежения (спинку), которое не за­ висит от степени реактивности. Кроме того, зави­ симость [8.6.1] удовлетворительно подтвержда­ ется и другими данными [8.6.2, 8.6.3].

Таким образом, можно сделать важный для практики вывод о равнозначности с точки зрения

утечек двух основных вариантов конструкции торца - сплошного (плоского) и с канавкой. Этот вывод в принципе подтверждается и практикой - использованием в серийных конструкциях лопа­ ток ТВД как торца с канавкой (ПС-90A, CFM56, CF6-80C2), так и плоского торца (PW2000, PW4000, V2500).

Для лопаток с бандажными полками целесо­ образно использовать обычные формулы для оп­ ределения расхода газа через лабиринтные уп­ лотнения [8.6.4].

Эффективность лабиринтного уплотнения увеличивается:

-с заострением верхней части зубца уплот­ нения;

-с увеличением размеров воздушной камеры между зубцами (с увеличением отношения пло­ щадей радиального зазора и межзубцовой камеры увеличивается гидравлическое сопротивление);

-с введением ступенек между соседними па­ рами уплотнений зубец - соты;

-с наклоном зубцов против направления утечки.

8.6.2. Изменение радиальных зазоров турбины в работе

Изменение радиальных зазоров вследствие износа

Износ концевой (торцевой) поверхности ра­ бочей лопатки ТВД является основной причиной увеличения радиального зазора между ротором и статором. Износ ротора (который может иметь место на одном из переходных режимов) приво­ дит к увеличению рабочего зазора и снижению КПД на всех остальных, в том числе основных рабочих режимах двигателя. Износ корпуса чаще всего бывает местным (обусловленным неиде­ альной формой детали) и обычно не имеет столь значительных последствий для эффективности турбины.

Основными причинами износа торца рабочей лопатки являются трение (врезание в корпус) и эрозионный износ. Эрозионный износ торца лопаток (а также и корпусных вставок над этими лопатками) в процессе эксплуатации становится главной причиной неконтролируемого увеличе­ ния радиального зазора для первой (и в опреде­ ленной степени во второй) ступени ТВД [8.6.5].

Изменение радиального зазора от темпа прогрева деталей турбины

Темп прогрева характеризуется величиной, называемой постоянной времени,

т= mcl(aF),

где т - масса; с - удельная теплоемкость материала;

а - коэффициент теплоотдачи; F - площадь поверхности.

Более массивные или имеющие меньшую ин­ тенсивность теплоотдачи детали (например, дис­ ки) нагреваются и остывают медленнее, а детали с меньшей массой или с большим коэффициен­ том теплоотдачи быстрее (например, корпус).

Как показывает анализ, изменения размеров деталей во время работы вызваны в основном влиянием температуры. Влияние центробежных нагрузок (для ротора) в несколько раз менее зна­ чительно.

Корпус в пределе представляет собой быстро реагирующую на изменение режима двигателя тонкую оболочку и обычно достаточно быстро изменяет свою температуру (и, соответственно, размер) при изменении температуры потока газа в проточной части. Ротор представляет собой массивную (за счет дисков) конструкцию, к тому же находящуюся преимущественно в среде охла­ ждающего воздуха (который гораздо медленнее газа реагирует на изменение режима двигателя). Поэтому тепловая инерционность ротора суще­ ственно выше. При увеличении режима отстава­ ние ротора ведет к увеличению радиального зазо­ ра, а при уменьшении (сбросе) режима - к его уменьшению.

Многое в этих процессах зависит от темпа из­ менения режима двигателя и соотношения тепло­ вой инерционности ротора и корпуса. При недос­ таточном радиальном зазоре в сборке или небла­ гоприятном сочетании тепловой инерционности ротора и статора могут возникнуть контакт и не­ допустимый износ как на сбросе режима, так и при быстром увеличении режима (например, на взлете).

Влияние, которое оказывает увеличение ради­ альных зазоров турбины в работе на ее эффектив­ ность, привело к появлению на двигателе систем управления радиальными зазорами.

8.6.3. Управление радиальными зазорами

Целями при управлении зазорами турбины яв­ ляются:

-обеспечение минимально возможного ра­ бочего зазора на основном рабочем режиме (ре­ жиме крейсерского полета) или нескольких ос­ новных режимах, обеспечивающего максималь­ ный КПД турбины;

-исключение неприемлемого износа корпу­ са и особенно ротора при возможном контакте на переходных режимах, которое приводит к увели­ чению радиальных зазоров на величину износа на всех стационарных рабочих режимах.

8.6. Радиальные зазоры в турбинах

Управление радиальными зазорами подразу­ мевает:

-конструктивное обеспечение минимально допустимых радиальных зазоров - так называемое пассивное регулирование радиальных зазоров;

-конструктивное обеспечения минимально­ го износа деталей ротора (лопаток и лабиринтов)

истатора (корпуса и уплотнений) во время экс­ плуатации;

-применение систем активного управления радиальными зазорами (САУРЗ) во время рабо­ чего цикла двигателя.

Существуют исследовательские работы, по­ священные экономической эффективности регу­ лирования радиальных зазоров в турбомашинах двухконтурных авиационных двигателей [8.6.5]. Они показывают, что выигрыш в стоимости жиз­ ненного цикла двигателя от внедрения мероприя­ тий по управлению радиальным зазором в ТВД в два раза больше, чем в КВД и в четыре раза больше, чем в ТНД.

Пассивное регулирование радиальных зазоров

Пассивное управление радиальными зазорами основано на выборе материалов и конструкции ротора и статора турбины, обеспечивающих ми­ нимальное относительное перемещение.

В конструкциях авиационных турбин, создан­ ных до начала 1980-х гг. и до сих пор находящих­ ся в эксплуатации, применялось только пассив­ ное регулирование радиальных зазоров. Наруж­ ные корпуса турбины снаружи не охлаждались или охлаждались только постоянным потоком воздуха наружного контура (в двухконтурных двигателях).

Конструктивные меры по управлению радиаль­ ными зазорами турбины в основном заключаются в увеличении тепловой инерционности корпуса турбины. Это вызвано тем, что геометрические па­ раметры ротора и его материалы определяются в основном по условиям прочности и обеспечения требуемого ресурса.

На рис. 8.87 приведена конструкция корпуса ТВД PW6000, которая использует различные спо­ собы увеличения тепловой инерционности кор­ пуса:

- применение двухслойного корпуса (коль­ цевого наружного, удаленного от проточной час­ ти, и внутреннего - из отдельных сегментов, со­ ставляющего проточную часть); при этом холод­ ный наружный корпус определяет радиальное перемещение статора;

- введение двух областей концентрации мас­ сы (фланцев) со специальным их охлаждением на наружном корпусе;

Глава S. Турбины ГТД

- струйное охлаждение вставок через специ­ альные отверстия и их термобарьерное покрытие для уменьшения теплового потока в корпус.

Конструктивное обеспечение минимальных радиальных зазоров

Для облегчения местной приработки корпуса без износа ротора сопряженные с ротором детали корпуса делают из мягкого материала или покры­ вают их таким материалом.

Для сплошного плоского торца лопатки ис­ пользуется наплавка или напайка частичек абра­ зивного материала, который работает совместно со вставками (в корпусе) из прирабатываемого материала. Такая конструкция позволяет ком­ пенсировать неизбежные колебания местной ве­ личины зазора за счет отклонения от правильной окружности конструкции корпуса и эксцентри­ ситета ротора. Локальная приработка мягкого ке­ рамического материала (наносимого на вставки в корпусе) позволяет сохранить торец рабочей лопатки и, соответственно, радиальный зазор

востальной части рабочего колеса.

Всохранении величины радиального зазора

впроцессе эксплуатации наиболее важную роль играет предотвращение эрозии, окисления и кор­ розии торцевой поверхности рабочей лопатки первой ступени ТВД и корпусных вставок над ней. Главную роль в этом процессе играет приме­ нение пленочного охлаждения торца (способы которого рассмотрены в подразд. 8.4.2) и вста­ вок. Еще один доказавший свою эффективность способ замедления процессов эрозии и корро­ зии - изготовление лопаток и вставок из монокристаллического литья. Монокристаллический материал обладает существенно более высокой устойчивостью к высокотемпературному окис­ лению и коррозии.

Активное регулирование радиальных зазоров

Активное регулирование зазоров предназна­ чено для уменьшения рассогласования темпов прогрева роторных и статорных частей турбины. На рис. 8.120 и 8.121 приведено изменение ради­ ального зазора рабочей лопатки первой ступени ТВД в полетном цикле двигателя за счет приме­ нения САУРЗ. САУРЗ управляет тепловой инер­ ционностью статора с помощью управляемого его охлаждения (управления расходом охлаж­ дающего воздуха на корпус).

На практике активное и пассивное регулиро­ вание зазоров обычно используются совместно. На рис. 8.89 приведена система обдува корпусов ТВД и ТНД CF6-80C2, которая обеспечивает не только обдув через трубопроводы, но и с помо­ щью специальных кожухов прижимает исполь­

зованный воздух к корпусу ТВД для улучшения теплообмена.

На рис. 8.90 приведена конструкция системы наружного обдува корпусов ТВД и ТНД PW6000. Для улучшения реакции корпуса на нем выпол­ нены дополнительные ребра, к которым непо­ средственно приближена система обдува.

Влияние САУРЗ на характеристики турбины зависит от:

-эффективности охлаждения корпусов;

-закона управления работой системы, кото­ рый в свою очередь может быть:

•двухпозиционным (включено-выключено);

•управляющим расходом воздуха в трубо­ проводах обдува по заранее установленной моде­ ли (откалиброванной в процессе доводки);

-использующим систему обратной связи (управляющий расходом воздуха в системе на ос­ новании информации о реальной температуре корпуса и сравнении ее с данными в управляю­ щей модели). Идеальным вариантом было бы ис­ пользование информации о величине зазора, но

вусловиях эксплуатации получить такую инфор­ мацию пока не представляется возможным.

8.6.4. Выбор радиального зазора при проектировании

Задача выбора радиального зазора решается при проектировании турбины и САУРЗ. На первом эта­ пе устанавливается минимально необходимый ра­ диальный зазор, обеспечивающий возможность сборки и работоспособность конструкции на базо­ вых режимах работы турбины (чаще всего их три - малый газ, взлетный и крейсерский режимы).

После проектирования ротора, корпуса

иСАУРЗ оптимизируются системы охлажде­ ния ротора, корпуса и логика управления систе­ мой в процессе аналитического моделирования зазоров в течение рабочего цикла. Конструктив­ ные особенности, материалы, система охлажде­ ния ротора и корпуса определяют скорость и ве­ личину изменения размеров ротора и корпуса.

Итогом расчетов становится выбор радиаль­ ного зазора в холодном состоянии (для сборки)

иоптимального варианта логики управления.

Минимально необходимый радиальный зазор

На первом этапе должен быть определен ми­ нимальный радиальный зазор, обеспечивающий исключение врезания роторных деталей (прежде всего рабочих лопаток) в корпус. На последую­ щих стадиях проектирования врезание ротора в корпус, особенно в сотовые уплотнения и при­ рабатываемые вставки, вполне может быть при-

Глава 8. Турбины ГТД

знано допустимым и даже необходимым после детального моделирования радиальных зазоров в рабочем цикле.

Следует иметь в виду, что минимально необ­ ходимый зазор определяется отдельно для трех основных режимов работы двигателя - малого газа, взлетного и крейсерского.

Минимальный зазор должен учитывать (для примера взята турбина авиационного двухкон­ турного двигателя тягой около 20 тонн) следую­ щие факторы:

- производственные допуски на изготовле­ ние деталей турбины и эксцентриситет (отклоне­ ние от идеального круга) ротора. Изменение за­ зора по этой причине может составить 0,15...0,40 мм (меньшая величина относится к ТВД, большая - к ТНД, физические размеры которой обычно больше). Такая величина зазора обеспечивает сборку конструкции;

- изгиб ротора при работе за счет номиналь­ ных (допустимых) значений дисбаланса. Измене­ ние зазора по этой причине может составить 0,05...0,15 мм.

Изменение зазора по этим двум причинам действительно на всех основных режимах.

Маневренные нагрузки на корпуса и ротора, ко­ торые приводят к деформациям деталей и требуют дополнительного зазора, необходимого для совме­ стной работы деталей в двигателе. Этот дополни­ тельный зазор достигает на взлетном режиме 0,05.. .0,10 мм, в несколько раз меньше на крейсер­ ском режиме, а на малом газе пренебрежимо мал.

Возможность запуска двигателя через 1...2 часа после выключения с учетом эффекта «термического изгиба ротора». Этот изгиб имеет место из-за диаметрального термического гради­ ента (накапливания оставшегося в роторных де­ талях тепла в верхней части турбины). Термиче­ ский изгиб ротора может привести к временному заклиниванию роторов ТВД и ТНД (на несколько часов) примерно через час после выключения. Для исключения эффекта «термического изгиба» может потребоваться дополнительное увеличе­ ние радиального зазора на 0,50 мм и более. Это увеличение необходимо для малого газа.

Оптимизация изменения радиального зазора в рабочем цикле

Рабочий цикл двигателя - основные рабочие режимы и типовые переходные процессы между ними определяют рабочие условия, в которых должны обеспечиваться радиальные зазоры. Сле­ дует отметить, что для основных стационарных режимов работы турбины достаточно достовер­ ные оценки радиальных размеров ротора и стато­ ра, а также радиального зазора могут быть сдела­

ны на основе одномерных расчетов. Такие оценки очень полезны в начальной стадии.

Основой для аналитического определения ра­ диального перемещения ротора и статора на базо­ вых и особенно на переходных режимах работы является осесимметричное моделирование неста­ ционарного теплового состояния ротора и стато­ ра. Именно моделирование нестационарных про­ цессов радиального перемещения ротора и стато­ ра является одним из важнейших требований при оптимизации системы управления зазорами.

Как показывает практика расчетов, мини­ мальные значения радиального зазора в переход­ ных процессах (создающие опасность врезания рабочей лопатки в корпус) обычно имеют место в двух случаях: на режиме взлета (см. рис. 8.120 — 540-я секунда) и при увеличении режима с полет­ ного малого газа (см. рис. 8.121 - 730-я секунда). Как следует из результатов моделирования зазо­ ра 1РЛ, приведенных на рис. 8.120 и 8.121, для рассматриваемой ТВД удалось исключить заде­ вание рабочей лопатки за корпус в обоих опас­ ных случаях и обеспечить минимальное значение радиального зазора на основном (крейсерском) режиме работы.

Выбранный холодный (монтажный) радиаль­ ный зазор и отключение САУРЗ (с увеличением температуры и размера корпуса) на опасных пе­ реходных режимах обеспечили удовлетвори­ тельные результаты. При этом на всех трех базо­ вых режимах (малый газ, взлет и крейсерский) полученный радиальный зазор превышает мини­ мально необходимый зазор (соответственно 0,70, 0,30 и 0,20 мм). Выбранная логика работы наибо­ лее проста (двухпозиционный вариант). Недос­ татком полученного варианта можно считать несколько увеличенный радиальный зазор на взлетном режиме, однако непродолжительность взлетного режима и уменьшенный риск врезания делают результат вполне приемлемым.

Подобный же анализ должен быть проведен и для остальных радиальных зазоров ТВД (2РЛ, 2СА, верхний и нижний лабиринты аппарата за­ крутки) и ТНД.

Список литературы

8.6.1.Hourmouziadis J., Albrecht G. An Integrated Aero/ Me-chanical Performance Approach to High Technology Tur­ bine Design. MTU, 1988.

8.6.2.NASA/PWA Energy Efficient Engine. High Pressure Turbine Detailed Design Report. NASA CR-165608, 1984.

8.6.3.NASA/GE E3 Flight Propulsion System Final Design and Analysis. NASA CR -168219,1985.

8.6.4.Абианц B.X. Теория авиационных газовых тур­ бин / В.Х. Абианц. - М.: Машиностроение, 1979.

trol Systems: Current Practices and Future Directions / S.B. Lattime, B.M. Steinetz // Journal of Propulsion and Power, Vol.20, No.2, March-April 2004.

8.7. Герметизация проточной части

Ликвидация непроизводительных утечек газа и охлаждающего воздуха представляет собой одну из наиболее важных и наиболее значительных по получаемому эффекту задач при проектировании турбины. Утечка каждого процента расхода газа в радиальный зазор (как рабочего колеса, так и со­ плового аппарата) приводит к равному по величине (в процентах) уменьшению КПД ступенитурбины.

Утечка в проточную часть турбины каждого процента охлаждающего воздуха, отбираемого

теля типа ПС-90А), приводит к увеличению удельного расхода топлива на 0,3 % и увеличе­ нию температуры газа перед ротором ТВД на 10 °С. Кроме того, сама утечка охлаждающего воздуха в основной поток, особенно в область больших скоростей (например, в осевой зазор ме­ жду СА и РК), способна привести к дополнитель­ ным потерям КПД - до 1,5 % КПД ступени на ка­ ждый процент утечки охлаждающего воздуха.

8.7.1. Герметизация ротора и статора от утечек охлаждающего воздуха

На рис. 8.122 приведена схема проточной час­ ти ТВД, ротор и статор которой имеют практиче­ ски все виды уплотнений, которые применяются в современных турбинах.