Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 9-8-Vyhodnyje_ustrojstva_diffuzornogo_tipa

Рисунок 9.65 – Шарико-винтовая пара 1 – ходовой винт; 2 – каретка;

3 – шарик; 4 – возвратный канал

Рисунок 9.66 – Процесс торможения газа в диффузорном ВУ ГТД

9.8 - Выходные устройства диффузорного типа

На ГТД, используемых в качестве привода, например, винта вертолета, электрического генератора, газоперекачивающего агрегата и т.п. и получе- ния при этом максимальной мощности, в качестве выходных устройств применяются конструкции, проточная часть которых представляет собой расширяющийся канал – диффузор.

Диффузор устанавливается за турбиной дви-

Рисунок 9.67 – Геометрические параметры конического диффузора

гателя и снижает статическое давление газа за турбиной до уровня ниже атмосферного. Чем меньше статическое давление газа за турбиной, тем больше перепад давлений на ней и тем больше снимаемая с нее мощность.

На Рис. 9.66 показан процесс торможения в - диффузорном ВУ ГТД.

Состояние газа на выходе из турбины (на входе в ВУ) обозначено точкой 1. В таком ВУ, в отли- чие от конфузорного (см. Рис. 9.5), скорость газа падает, а температура и статическое давление растут, причем на выходе из ВУ давление газа равно

атмосферному Ðí. Процесс торможения газа в ВУ изображен кривой 1-2. Из-за наличия потерь энтропия газа в ВУ растет (s2 > s1). Если бы течение газа в ВУ было идеальным (без потерь), то его энтропия была бы постоянной (s = const) и процесс течения в ВУ изображался вертикальной линией 1-2'. Температура газа на выходе из ВУ в реальном процессе всегда больше, чем в идеальном (на величину DÒ), что объясняется переходом (из-за трения) ча- сти механической энергии потока в тепловую.

Принцип работы диффузорного ВУ можно понять из анализа уравнения Бернулли (см. приложение 2).

9.8.1 - Конические диффузоры

Типы диффузорных ВУ ГТД разнообразны. Одним из наиболее простых (в конструктивном отношении) и распространенных ВУ является конический диффузор, образованный поверхностью усеченного конуса (см. Рис. 9.67). Основные геометрические параметры диффузора – длина L, полуугол раскрытия γ (иногда используется полный угол раскрытия α = 2γ ), степень расширения n = (D/d)2. Наиболее важным в аэродинамическом отношении является угол γ , так как он определяет плавность увеличения проходной площади ВУ. Оптимальные значения угла γ для большинства кони- ческих диффузоров при различных режимах тече- ния лежат в диапазоне 3…5o. При увеличении угла раскрытия свыше 5o у достаточно длинных диффузоров на стенках могут возникнуть отрывы потока, приводящие к повышению неравномерности поля скоростей в выходном сечении диффузора

Рисунок 9.68 – Геометрические параметры осекольцевого диффузора

и ухудшению его аэродинамических характеристик. Достаточно подробные рекомендации по проектированию конических диффузоров можно найти в работах [9.10], [9.11].

9.8.2 - Осекольцевые диффузоры

Осекольцевой диффузор (см. Рис. 9.68) представляет собой расширяющийся кольцевой канал, образованный поверхностями двух соосных усе- ченных конусов с разными полууглами раскрытия

γ 1 è γ 2.

Основные геометрические параметры диффузора представлены на Рис. 9.68. Как и в коническом диффузоре, важнейшими параметрами здесь являются углы γ 1 è γ 2, точнее их соотношение. Для характеристики осекольцевых диффузоров часто используется так называемый эквивалентный угол раскрытия, численно равный углу раскрытия кони- ческого диффузора, у которого длина L, площади входа F1 и выхода F2 такие же, как и у рассматриваемого осекольцевого диффузора. В соответствии с определением:

(9.15),

ãäå F1 = π (D12-d12)/4.

Эквивалентный угол является удобной универсальной характеристикой осекольцевых диффузоров, так как согласно экспериментальным данным для сохранения высоких аэродинамических качеств диффузора не рекомендуется делать его более 18 градусов. Рекомендации по проектированию осекольцевых диффузоров можно найти в [9.10], [9.11].

9.8.3 - Улитки

Улитка 1 (см. Рис. 9.69, 9.70) – жаргонное, но уже почти ставшее техническим термином, наименование выходного устройства, предназначенного для отклонения потока газа, выходящего из двигателя 2, в направлении, перпендикулярном оси двигателя, и для отвода потока в систему выхлопа агрегата 3. Условно улитку можно разделить на две части: диффузор и корпус 1 (см. Рис. 9.70). В диффузоре газ тормозится и, разворачиваясь в радиальном направлении, поступает в корпус улитки, где собирается в один канал и отводится в шахту.

Диффузор представляет собой описанный в разделе 9.8.2 осекольцевой диффузор, соединенный с радиальным кольцевым каналом, разворачива-

матами, изготовленными из минерального волокна. Часто теплоизоляционные маты 5 (см. Рис. 9.70) для исключения их повреждения при транспортировании улитки и в процессе эксплуатации закрываются снаружи защитными корпусами 6. Способ крепления защитных корпусов должен обеспечивать компенсацию разности линейного расширения холодных защитных корпусов и горячих деталей корпуса и диффузора.

Встречаются конструкции улиток, в которых теплоизоляция накладывается не на наружные, а на внутренние поверхности корпуса и диффузора. В этом случае проточная часть улитки будет обра-

зовываться защитными корпусами теплоизоляции. Основные же детали корпуса и диффузора окажутся снаружи и будут работать при низких температурах. Преимуществом такого варианта является то, что жаростойкий материал потребуется только для тонких защитных корпусов, а массивные детали корпуса и диффузора можно изготовить из дешевой конструкционной стали. Однако при таком варианте труднее обеспечить тепловую развязку горячих и холодных деталей.

Подвеска улитки и элементы соединения улитки с двигателем должны обеспечивать возможность тепловых перемещений улитки относительно дви-

Процесс аэродинамического проектирования различных узлов ГТД (в том числе и выходных устройств) значительно ускоряется благодаря использованию современных численных методов. На Рис. 9.72 в качестве примера приведено распределение чисел Маха в улитке, полученное по результатам трехмерного численного расчета в пакете TascFlow (хорошо видно снижение скоростей в выходном устройстве).

9.8.4 - Соединения с выхлопными шахтами

Компенсатор – устройство, которое устанавливается между составными частями системы выхлопа, подвешенными независимо одна от другой, вследствие чего при нагревании системы во время работы ГТУ происходят их взаимные перемещения. Для герметизации зазора между частями сис-

темы выхлопа, а также для компенсации их взаимного перемещения и предназначен компенсатор 11 (см. Рис. 9.69).

Компенсатор состоит из двух фланцев 1, 2 и соединительного элемента (см. Рис. 9.73).

Соединительный элемент представляет собой многослойную ленту, которая может состоять, в зависимости от назначения компенсатора, из различ- ных слоев:

- наружного защитного слоя 3 из ткани, покрытой эластичным полимером (эластомером);

Рисунок 9.74 – Сильфонный компенсатор

-слоя из специального химически стойкого эластомера 4;

-слой из ткани минерального волокна 5;

-слоя теплоизоляции 6, защищающего слои из эластомера от воздействия высокой температуры;

-формообразующего слоя из нержавеющей металлической сетки 7.

Для уменьшения теплового воздействия на соединительный элемент со стороны фланцев места крепления соединительного элемента к фланцам выносят на некоторое расстояние от горячей проточной части, располагая их на стенках, охлаждаемых воздухом.

Для исключения теплового воздействия на соединительный элемент со стороны газового потока полость между фланцами может заполняться теплоизоляцией или перекрываться теплоизолирующим матом 8.

Для уменьшения воздействия на соединительный элемент колебаний давления потока газа зазор между фланцами со стороны потока может перекрываться скользящим корпусом 9.

Компенсаторы могут иметь в качестве соединительного элемента металлический сильфон (см. Рис. 9.74). Сильфоны из коррозионностойких жа-

ростойких сплавов могут работать при гораздо более высоких температурах, чем соединительные элементы из эластомеров, однако имеют худшую компенсирующую способность, особенно при поперечных и крутильных перемещениях.

9.8.5 - Выходные устройства вертолетных ГТД

Пример конструкции ВУ вертолетного ГТД приведен на Рис. 9.75 и 9.76. Выходное устройство представляет собой выхлопную трубу сварной конструкции, состоящую из фланца наружной оболоч- ки 2, корпуса конического 3, корпуса цилиндри- ческого 4, трех стоек 5, ребер 6, 7, 8, окантовки 9. Наружная оболочка 2, корпуса 3 и 4 образуют газовый тракт, через внутреннюю полость корпусов 3 и 4 проходит трансмиссия 14, соединяющая турбину винта с редуктором. Стойки 5 соединяют конический корпус 3 с наружной оболочкой 2.

В передней части к коническому корпусу 3 приварен компенсатор (сильфон) 10, который прижимается к корпусу турбины винта, препятствуя прорыву выхлопных газов в трансмиссию. Корпу-

са 3 и 4 соединены между собой компенсатором 11 для нейтрализации температурных расширений.

Фланцем 1 выхлопная труба крепится к переходнику 12 разъемным хомутом 13, что обеспечи- вает быстрый съем и монтаж выхлопной трубы. Переходник 12 крепится болтами к корпусу турбины винта.

К ребрам 7 и 8 крепится специальный вертолетный корпус для подогрева воздуха, отбираемого на нужды вертолета.

Выхлопная труба выполнена из листовой нержавеющей стали.

9.9 - Приложение 1.

Проблемы выходных устройств с широким диапазоном изменения π ñ*. Обеспечение

аэродинамической устойчивости

В наибольшей степени эта проблема характерна для РС ВРД самолетов военного назначения. Дело в том, что при работе в широком диапазоне π Ñ* практически всегда имеется рассогласование