Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 8-6-Radialnyje_zazory_v_turbinah

8.6 - Радиальные зазоры в турбинах

Радиальные зазоры между ротором и статором турбины необходимы для нормальной работы и оказывают значительное влияние на ее эффективность. Это влияние увеличивается при увеличении как абсолютного, так и относительного (по отношению к длине лопатки) значения радиального зазора.

8.6.1 - Влияние радиального зазора на к.п.д. турбины

Протекающее через радиальный зазор над рабочей лопаткой и через радиальный зазор под сопловой лопаткой рабочее тело не вносит своего вклада в мощность турбины. В радиальном зазоре эти утечки теряют свой потенциал по давлению и сохраняют свою температуру, т.е. энергию, не отдавая ее в полезную работу турбины.

Величина утечек достаточно надежно определяется на базе эмпирических формул, обобщающих многочисленные экспериментальные исследования.

Для турбины с лопатками без бандажных полок можно рекомендовать достаточно простое соотношение из работы [8.1]. Согласно этой работе, относительное уменьшение к.п.д. 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 обобщили экспериментальные результаты по изменению к.п.д. для относительных величин зазора до 5%. Важен для конструирования лопаток вывод о том, что величины утечек практически не зависят от конструкции торца лопатки (практически одинаковы 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 реактивности. Но ее авторы указывают, что в безбандажной лопатке основную роль играет перетекание газа на торце со стороны давления (корыта) на сторону разрежения (спинку), которое не зависит от степени реактивности. Кроме того, зависимость [8.1] удовлетворительно подтверждается и други-

ми данными [8.2, 8.3].

Таким образом, можно сделать важный для практики вывод о равнозначности с точки зрения утечек двух основных вариантов конструкции тор-

ца – сплошного (плоского) и с канавкой. Этот вывод в принципе подтверждается и практикой – использованием в серийных конструкциях лопаток ТВД как торца с канавкой (ПС-90А, CFM56, CF680C2), так и плоского торца (PW2000, PW4000, V2500).

Для лопаток с бандажными полками целесообразно использовать обычные формулы для определения расхода газа через лабиринтные уплотнения [8.4].

Эффективность лабиринтного уплотнения увеличивается:

- с заострением верхней части зубца уплотне-

íèÿ;

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

-с введением ступенек между соседними парами 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 рабо- чей лопатки ТВД является основной причиной увеличения радиального зазора между ротором и статором. Износ ротора (который может иметь место на одном из переходных режимов) приводит к увеличению рабочего зазора и снижению к.п.д. на всех остальных – в том числе основных рабочих - режимах двигателя. Износ корпуса чаще всего бывает местным (обусловленным неидеальной 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 увеличения радиального зазора для первой (и в определенной степени - во второй) ступени ТВД [8.5].

Изменение радиального зазора от темпа прогрева деталей турбины.

Темп прогрева характеризуется величиной, называемой постоянной времени

τ = mc / (α F),

ãäå m – масса;

c – удельная теплоемкость материала; α – коэффициент теплоотдачи;

F – площадь поверхности.

Более массивные или имеющие меньшую интенсивность теплоотдачи детали (например, диски) нагреваются и остывают медленнее, а детали с меньшей массой или с большим коэффициентом 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 значительно.

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 проточ- ной части. Ротор представляет собой массивную (за счет дисков) конструкцию, к тому же находящуюся преимущественно в среде охлаждающего воздуха (который гораздо медленнее газа реагирует на изменение режима двигателя). Поэтому тепловая инерционность ротора существенно выше. При увеличении режима отставание ротора ведет к увеличению радиального зазора, а при уменьшении (сбросе) режима - к его уменьшению.

Многое в этих процессах зависит от темпа изменения режима двигателя и соотношения тепловой инерционности ротора и корпуса. При недостаточном радиальном зазоре в сборке или неблагоприятном сочетании тепловой инерционности ротора и статора может возникнуть контакт

èнедопустимый износ, как на сбросе режима, так

èпри быстром увеличении режима (например, на взлете).

Влияние, которое оказывает увеличение радиальных зазоров турбины в работе на ее эффективность, привело к появлению на двигателе систем управления радиальными зазорами.

8.6.3 - Управление радиальными зазорами

Целями при управлении зазорами турбины являются:

-обеспечение минимально возможного рабо- чего зазора на основном рабочем режиме (режиме крейсерского полета) или нескольких основных режимах, обеспечивающего максимальный к.п.д. турбины;

-исключение неприемлемого износа корпуса

èособенно ротора при возможном контакте на переходных режимах, которое приводит к увеличе-

нию радиальных зазоров на величину износа на всех стационарных рабочих режимах.

Управление радиальными зазорами подразумевает:

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

-конструктивное обеспечения минимального износа деталей ротора (лопаток и лабиринтов)

èстатора (корпуса и уплотнений) во время эксплуатации;

-применение систем активного управления радиальными зазорами (САУРЗ) во время рабоче- го цикла двигателя;

Существуют исследовательские работы, посвященные экономической эффективности регулирования радиальных зазоров в турбомашинах двухконтурных авиационных двигателей [8.5]. Они показывают, что выигрыш в стоимости жизненного цикла двигателя от внедрения мероприятий по управлению радиальным зазором в ТВД в два раза больше, чем в КВД и в че- тыре раза больше, чем в ТНД.

Пассивное регулирование радиальных зазоров.

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

В конструкциях авиационных турбин, созданных до начала 1980-х годов и до сих пор находящихся в эксплуатации, применялось только пассивное регулирование радиальных зазоров. Наружные корпуса турбины снаружи не охлаждались или охлаждались только постоянным потоком воздуха наружного контура (в двухконтурных двигателях).

Конструктивные меры по управлению радиальными зазорами турбины в основном заключаются в увеличении тепловой инерционности корпуса турбины. Это вызвано тем, что геометрические параметры 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 способы увеличения тепловой инерционности корпуса:

- применение двухслойного корпуса (кольцевого наружного, удаленного от проточной части и внутреннего - из отдельных сегментов, составляющего проточную часть); при этом холодный наружный корпус определяет радиальное перемещение статора;

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

-струйное охлаждение вставок через специальные 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 покрывают их таким материалом.

Для сплошного плоского торца лопатки используется наплавка или напайка частичек абразивного материала, который работает совместно со вставками (в корпусе) из прирабатываемого материала. Такая конструкция позволяет компенсировать неизбежные колебания местной величины зазора за счет отклонения от правильной окружности конструкции корпуса и эксцентриситета ротора. Локальная приработка мягкого керамического материала (наносимого на вставки в корпусе) позволяет сохранить торец рабочей лопатки и, соответственно, радиальный зазор в остальной части рабочего колеса.

Âсохранении величины радиального зазора

âпроцессе эксплуатации наиболее важную роль играет предотвращение эрозии, окисления и коррозии торцевой поверхности рабочей лопатки первой ступени ТВД и корпусных вставок над ней. Главную роль в этом процессе играет применение пленочного охлаждения торца (способы которого рассмотрены в разделе 8.4.2) и вставок. Еще один доказавший свою эффективность способ замедления процессов эрозии и коррозии – изготовление лопаток и вставок из монокристаллического литья. Монокристаллический материал обладает существенно более высокой устойчивостью к высокотемпературному окислению и коррозии.

Активное регулирование радиальных зазо-

ðîâ.

Активное регулирование зазоров предназна- чено для уменьшения рассогласования темпов прогрева роторных и статорных частей турбины. На Рис. 8.120 и 8.121 приведено изменение радиального зазора рабочей лопатки первой ступени ТВД в полетном цикле двигателя за счет применения САУРЗ. САУРЗ управляет тепловой инерционностью статора с помощью управляемого его охлаждения (управления расходом охлаждающего воздуха на корпус).

На практике активное и пассивное регулирование 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 помощью специальных кожухов прижимает использованный 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 выполнены дополнительные ребра, к которым непосредственно приближена система обдува.

Влияние САУРЗ на характеристики турбины зависит от:

-эффективности охлаждения корпусов; -закона управления работой системы, который

âсвою очередь может быть:

-двухпозиционным (включено-выключено);

-управляющим расходом воздуха в трубопроводах обдува по заранее установленной модели (откалиброванной в процессе доводки);

-использующим систему обратной связи

(управляющий расходом воздуха в системе на основании информации о реальной температуре корпуса и сравнении ее с данными в управляющей модели). Идеальным вариантом было бы использование информации о величине зазора, но в условиях эксплуатации получить такую информацию пока не представляется возможным.

8.6.4 - Выбор радиального зазора при проектировании

Задача выбора радиального зазора решается при проектировании турбины и САУРЗ. На первом этапе устанавливается минимально необходимый радиальный зазор, обеспечивающий возможность сборки и работоспособность конструкции на базовых режимах работы турбины (чаще всего их три – малый газ, взлетный и крейсерский режимы).

После проектирования ротора, корпуса и САУРЗ оптимизируются системы охлаждения ротора, корпуса и логика управления системой в процессе аналитического моделирования зазоров в течение

рабочего цикла. Конструктивные особенности, материалы, система охлаждения ротора и корпуса определяют скорость и величину изменения размеров ротора и корпуса.

Итогом расчетов становится выбор радиального зазора в холодном состоянии (для сборки) и оптимального варианта логики управления.

Минимально необходимый радиальный зазор.

На первом этапе должен быть определен минимальный радиальный зазор, обеспечивающий исключение врезания роторных деталей (прежде всего рабочих лопаток) в корпус. На последующих стадиях проектирования врезание ротора в корпус, особенно в сотовые уплотнения и прирабатываемые вставки, вполне может быть признано допустимым и даже необходимым после детального моделирования радиальных зазоров в рабочем цикле.

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

Минимальный зазор должен учитывать (для примера взята турбина авиационного двухконтурного двигателя тягой около 20 тонн) следующие факторы:

-Производственные допуски на изготовление деталей турбины и эксцентриситет (отклонение от идеального круга) ротора. Изменение зазора по этой причине может составить 0,15…0,40 мм (меньшая величина относится к ТВД, большая –

êТНД, физические размеры которой обычно больше). Такая величина зазора обеспечивает сборку конструкции.

-Изгиб ротора при работе за счет номинальных (допустимых) значений дисбаланса. Изменение 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, которые приводят к деформациям деталей и требуют дополнительного зазора, необходимого для совместной работы деталей в двигателе. Этот дополнительный зазор достигает на взлетном режиме 0,05…0,10 мм, в несколько раз меньше на крейсерском режиме, а на малом газе пренебрежимо мал.

-Возможность запуска двигателя через 1…2 часа после выключения с учетом эффекта «терми- ческого изгиба ротора». Этот изгиб имеет место изза диаметрального термического градиента (накапливания оставшегося в роторных деталях тепла

в верхней части турбины). Термический 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 увеличение 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. Следует отметить, что для основных стационарных режимов работы турбины достаточно достоверные оценки радиальных размеров ротора и статора, а также радиального зазора могут быть сделаны на основе одномерных расчетов. Такие оценки очень полезны в начальной стадии.

Основой для аналитического определения радиального перемещения ротора и статора на базовых и особенно на переходных режимах работы является осесимметричное моделирование нестационарного теплового состояния ротора и статора. Именно моделирование нестационарных процессов радиального перемещения ротора и статора является одним из важнейших требований при оптимизации системы управления зазорами.

Как показывает практика расчетов, минимальные значения радиального зазора в переходных 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 полетного малого газа (см. Рис. 8.121 - 730-я секунда). Как следует из результатов моделирования зазора 1РЛ, приведенных на Рис. 8.120 и 8.121, для рассматриваемой ТВД удалось исключить задевание рабочей лопатки за корпус в обоих опасных случаях и обеспечить минимальное значение радиального зазора на основном (крейсерском) режиме работы.

Выбранный холодный (монтажный) радиальный зазор и отключение САУРЗ (с увеличением температуры и размера корпуса) на опасных переходных режимах обеспечили удовлетворительные результаты. При этом на всех трех базовых режимах (малый газ, взлет и крейсерский) полученный радиальный зазор превышает минимально необходимый зазор (соответственно 0.70, 0.30 и 0.20 мм). Выбранная логика работы наиболее проста (двухпозиционный вариант). Недостатком 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 закрутки) и ТНД.

Перечень использованной литературы

8.1Hourmouziadis J., Albrecht G. An Integrated Aero/ Mechanical Performance Approach to High Technology Turbine Design. MTU, 1988.

8.2NASA/PWA Energy Efficient Engine. High Pressure Turbine Detailed Design Report. NASA CR165608, 1984.

8.3NASA/GE E3 Flight Propulsion System Final Design and Analysis. NASA CR-168219, 1985.

8.4Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. - М.: Машиностроение, 1979.

8.5Lattime S.B., Steinetz B.M. High-Pressure-Turbine Clearance Control Systems: Current Practices and Future Directions. 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 полу- чаемому эффекту задач при проектировании турбины. Утечка каждого процента расхода газа в радиальный зазор (как рабочего колеса, так и соплового аппарата) приводит к равному по величине (в процентах) уменьшению к.п.д. ступени турбины.

Утечка в проточную часть турбины каждого процента охлаждающего воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления (для двигателя типа ПС-90А) приводит к увеличению удельного расхода топлива на 0,3% и увеличению температуры газа перед ротором ТВД на 10îС. Кроме того, сама утечка охлаждающего воздуха в основной поток, особенно в область больших скоростей (например, в осевой зазор между СА и РК), способна привести к дополнительным потерям к.п.д. – до 1,5% к.п.д. ступени на каждый процент утечки охлаждающего воздуха.

8.7.1 - Герметизация ротора и статора от утечек охлаждающего воздуха

На Рис. 8.122 приведена схема проточной ча- сти ТВД, ротор и статор которой имеют практически все виды уплотнений, которые применяются в - современных турбинах.

Для герметизации стыков деталей ротора и статора от утечек охлаждающего воздуха в проточную часть используются (см. Рис. 8.122):

-Конусные упругие кольца 1 – для уплотнения значительных осевых зазоров.

-Гофрированные W-образные кольца 2 – уплотнение стыков между деталями статора, в которых необходим зазор по условиям сборки для компенсации температурных перемещений в рабочих условиях.

-Так называемые «перьевые» уплотнения 3 между верхними и нижними полками сопловых лопаток – для уплотнения воздушной полости над СА и под СА от утечек в проточную часть и уте- чек газа и воздуха между нижними полками 2СА.

«Перьевые» уплотнения состоят из тонкой (примерно 0,3 мм) гибкой металлической полоски, помещаемой одновременно в две параллельные канавки, прорезанные в смежных деталях (торцах полок лопаток). Разница давлений между полостями сверху и снизу полок прижимает пластинки к стенкам канавок и уплотняет зазор. Из принципа действия «перьевых» уплотнений ясно, что чем более