Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 8-11-Perspektivy_razvitija

8.11 - Перспективы развития конструкций и методов проектирования турбин

Основные направления развития конструкций турбин связаны с прогрессом в ряде наиболее перспективных (по соотношению стоимости и эффективности) технологий, которые должны обеспечить разработку конкурентоспособных турбин в будущем (см. Рис. 8.144).

8.11.1 - 2D-аэродинамика: эффективные охлаждаемые лопатки ТВД

Сокращение количества ступеней турбины – это наиболее радикальный путь сокращения себестоимости производства и обслуживания. Одноступенчатые ТВД должны иметь эффективные для высоких чисел Маха охлаждаемые лопатки. Они должны позволить примерно вдвое уменьшить различие в аэродинамической эффективности одноступенчатой и двухступенчатой ТВД.

Для реализации конкурентоспособных одноступенчатых ТВД необходима технология разработки аэродинамически эффективных охлаждаемых лопаток с приемлемым уровнем потерь при высоких числах Маха. Эта технология подразумевает контроль над интенсивностью и расположе-

нием системы скачков уплотнения, которые являются неизбежным следствием сверхзвуковых скоростей в проточной части.

Малые значения углов заострения (до 2 градусов) на выходной кромке и тонкие выходные кромки (толщина стенки 0,40…0,45 мм) являются обязательным условием реализации эффективных трансзвуковых и сверхзвуковых решеток. Высокий уровень напряжений растяжения приводит к необходимости реализации тонких (до 0,60 мм) стенок в верхних сечениях лопаток для уменьшения напряжений в корневых сечениях. Поэтому изготовление таких лопаток является столь же сложной задачей, как и их проектирование.

Заявленная в [8.1] цель GE Aircraft Engines (см. Рис. 8.145) заключается в разработке единой платформы одноступенчатой ТВД для использования в двигателях узкофюзеляжных (CFM56), региональных (CF34-10) и широкофюзеляжных самолетов (типа GE90). Степень расширения такой турбины – до 5,5 и разрабатывается она по программе правительства США Ultra Efficient Turbine Engine и в рамках собственной технологической программы GE Aircraft Engines TECH56. Эти работы должны существенно сократить преимущества двухступенчатой ТВД по эффективности.

На Рис. 8.146 представлены результаты примерно 15 лет работы GEAircraft Engines на собственном модельном стенде [8.1]. Хотя абсолютные зна-

Рисунок 8.146 – Прогресс в к.п.д. одноступенча- тых ТВД GE Aircraft Engines

чения к.п.д. оценить трудно (методология их определения не приведена), очевиден прогресс в к.п.д., в том числе достигнутый в программе TECH56.

Pratt&Whitney разработала успешную технологию проектирования одноступенчатых ТВД, с помощью которой были реализованы ТВД для военных двигателей F119/F135 и для гражданского PW6000.

Однако, несмотря на принятое направление развития конструкций ТВД, решение для каждого конкретного случая принимается на основе конкретного анализа (себестоимость производства, стоимость обслуживания, затраты на разработку, уровень риска). GEAircraft Engines, в частности, в ТВД

нового двигателя семейства CF34 (CF34-10) реализовала одноступенчатую схему (моделированием ТВД CFM56).

Для разрабатываемых в настоящее ТВД широкофюзеляжных самолетов (двигатели GP7200 для Эйрбас А380 и GenX для Боинг 7Е7) в каче- стве основы принята двухступенчатая конструкция ТВД GE90. Основанием для такого выбора являются существенно меньшие затраты на разработку и несравненно меньший риск.

8.11.2 - 2D-аэродинамика: сокращение количества лопаток

Технологии сокращения количества лопаток – увеличение аэродинамической нагрузки на профиль без уменьшения его эффективности (или с «приемлемым» уменьшением) в настоящее время наиболее популярны и активно развиваются. Во всех новых проектах заявляется о сокращении количества лопаток, как главного средства снижения стоимости турбины и стоимости ее обслуживания.

Повышение нагрузки на профиль ТВД достигается более совершенной аэродинамикой профиля, смягчением средствами проектирования влияния конструкционных ограничений по прочности, а также прогрессом в производственной технологии. Все эти направления взаимосвязаны и взаимозависимы.

Рисунок 8.147 – Увеличение нагрузки по коэффициенту Цвайфеля при проектировании новых ТНД Rolls-Royce с сокращением количества лопаток [8.2]

Эффективным направлением повышения нагрузки на профиль является более оптимальное и более точное распределение нагрузки по его обводам (или вдоль осевой хорды, как это обычно принято), а также эффективное с точки зрения аэродинамики распределение пленочного охлаждения. Основным средством повышения эффективности решеток с высокими числами Маха в уже упоминавшейся программе GE TECH56 стало уменьшение (в конечном счете вдвое) интенсивности скачка уплотнения за выходной кромкой рабо- чей лопатки. Количество лопаток в одноступенча- той ТВД CFM56 было сокращено на 10% (со 122 до 110) и эта технология готовится к серийному использованию [8.1].

Необходимым условием улучшения аэродинамики лопаток является реализация более жестких требований к технологиям литья (минимальная толщина стенок, толщина выходной кромки, ширина канала охлаждения в выходной кромке, угол заострения выходной кромки) и механической обработки (диаметр и угол наклона к поверхности отверстий пленочного охлаждения). Очень важным является при этом сохранение приемлемой себестоимости производства.

В ТНД для сокращения количества лопаток интенсивно развиваются технологии так называемых «разреженных профилей» («Low Solidity Airfoils» - GE Aircraft Engines) и «профилей с вы-

сокой подъемной силой» («High LiftAirfoils» - RollsRoyce). Эти технологии уже позволили уменьшить количество лопаток соответственно в ТНД GE90115B (сертифицирован в 2003 году) и в ТНД BR715

– примерно на 10-20% [8.2]- по сравнению с более ранними серийными моделями.

Хотя база для упомянутых сокращений неизвестна, эффективность этих технологий можно считать достаточно высокой. В разработке находятся и более эффективные технологии - профилей лопаток с «ультранизкой густотой» («Ultra Low Solidity Airfoils») и «профилей с очень высокой подъемной силой» - «Ultra High Lift Airfoils» [8.2].

Упомянутые технологии являются аэродинамическими и базируются на оптимизации распределения нагрузки по профилю. Управление этим распределением должно быть очень тонким и эффективным – для предотвращения отрыва потока и возрастания потерь энергии.

Интенсивные и эффективные усилия по сокращению количества лопаток были предприняты в программе передовой технологии TECH56 (GE/ SNECMA) [8.3]. Три варианта ТНД (Проекты 1…3) предусматривали сокращение количества лопаток по сравнению с 1072 лопатками в базовой четырехступенчатой ТНД CFM56. В Проекте 1 количество лопаток было сокращено до 970, в Проекте 2 – на 20%, в Проекте 3 – на 35%. Аэродинамическая эффективность новых вариантов ТНД была реализована на высоком конкурентоспособном уровне – см. Рис. 8.148.

Значительный вклад в обеспечение эффективности профилей ТНД вносит уровень литейной технологии, которая должна обеспечивать качество литейных поверхностей, минимизацию толщины выходных кромок и возможность применения

Рисунок 8.148 – Результаты проектирования новых ТНД в программе TECH56 [8.4] с сокращением количества лопаток на 10% (Проект 1), 20% (Проект 2) и 35% (Проект 3) относительно ТНД CFM56

длинных рабочих и сопловых лопаток ТНД с внутренней полостью. Полые лопатки ТНД имеют более высокую себестоимость, но позволяют располагать большей свободой в оптимизации формы профиля при проектировании так называемых «задненагруженных» лопаток, в том числе при минимизации количества лопаток – при существенно меньшей вероятности отрыва потока на корыте и при минимальной массе лопатки и диска. В настоящее время полые лопатки ТНД применяются в большинстве новых проектов (например, в ТНД GP7200 – [8.5]).

8.11.3 - Противоположное вращение роторов ТВД и ТНД

Противоположное вращение роторов ТВД и ТНД (СТ) позволяет снизить угол поворота потока и потери энергии в первой сопловой лопатке ТНД. Как показано на Рис. 8.149, угол поворота в 1СА ТНД может быть снижен с обычных 90…1200 практически до нуля. Соответственно снижаются потери на поворот потока и повышается к.п.д. ТНД. Естественно, что наиболее выигрышна эта технология при больших исходных углах поворота потока (то есть при сильно нагруженных ступенях как ТВД, так и ТНД) и при меньшем количестве ступеней ТНД (чем меньше это количе- ство, тем значимее уменьшение потерь в 1СА ТНД).

Первое исследование этой технологии провела фирма Pratt & Whitney еще в начале 1980-х годов в программе Energy Efficient Engine (планируемый выигрыш в к.п.д. ТНД составил около 0,5%) [8.6]. Хотя в этом исследовании было показано, что эффективность мероприятия не столь очевидна, как кажется с первого взгляда (в сопловом аппарате ТНД снижаются преимущественно профильные потери, а вторичные потери изменяются гораздо меньше), Pratt&Whitney применила эту технологию в турбине своего самого современного двигателя PW6000, то есть сочла ее достаточно эффективной.

Компания Rolls-Royce в трехвальном двигателе Trent-900 применила противоположное вращение ротора ТВД – при этом выигрыш в к.п.д. турбины среднего давления (ТСД) составил более процента. Столь значительный эффект обусловлен конструктивными особенностями соплового аппарата ТСД – за счет уменьшения газовой нагрузки удалось уменьшить размеры стоек и совмещенных со стойками лопаток и увеличить их аэродинами- ческую эффективность [8.7]. В дальнейшем планируется применить противоположное вращение для ротора среднего давления - то есть увеличить к.п.д. и ТСД, и ТНД.

GE Aircraft Engines планирует использовать противоположное вращение роторов ТВД и ТНД в новом двигателе Genx [8.8] с целью снизить потери энергии в ТНД и сократить количество лопаток 1СА ТНД.

Рисунок 8.149 – Принцип изменения профиля 1СА ТНД при изменении направления вращения ротора ТНД

8.11.4 - 2D-аэродинамика: эффективные решетки профилей ТНД

Решетки ТНД с повышенной частотой вращения (редукторным приводом). Повышение степени двухконтурности и снижение частоты вращения вентилятора сделало актуальным повышение частоты вращения подпорных ступеней и ТНД через редуктор. Количество ступеней ТНД при этом снижается радикально - более чем в 2 раза. Но при этом в 3…5 раз возрастает центробежная нагрузка и профили из существенно дозвуковых переходят в трансзвуковой диапазон скоростей за решеткой.

Все это существенно усложняет получение сравнимой с традиционной схемой аэродинамической эффективности. Профили при этом утолщаются для работы в условиях высокой центробежной нагрузки и оптимизируются для высоких чисел Маха [8.9].

Технологии эффективных решеток ТНД для редукторного привода интенсивно разрабатывают-

Рисунок 8.150 – Сравнение профилей ТНД с обычной (а) и повышенной (б) частотой вращения

ся MTU (см. Рис. 8.150). Весьма вероятна актуализация таких разработок в будущем.

Оптимизация взаимодействия лопаточ- ных решеток ТВД и ТНД. Значительным резервом в повышении аэродинамической эффективности ТНД является уменьшение отрицательного влияния скачков уплотнения за выходными кромками рабочих лопаток ТВД (особенно одноступен- чатой ТВД) – на к.п.д. ТНД (см. Рис. 8.151). Уменьшение к.п.д. ТНД за счет этого фактора в CFM56 достигает двух процентов [8.10]. Полное исклю- чение влияния взаимодействия (то есть повышение к.п.д. ТНД на 2%) нельзя считать реальным, однако даже возможность частичного использования этого потенциала для повышения эффективности ТНД привела к интенсивным исследованиям в этой области.

Высокие числа Маха за рабочими лопатками приводят к скачкам уплотнения, взаимодействие которых с сопловыми лопатками ТНД приводит к возникновению отраженных скачков (см. Рис. 8.151). Эти скачки значительно снижают к.п.д. ТНД. Моделирование этих явлений возможно с помощью моделирования нестационарных аэродинамических процессов в проточной части сразу двух турбин. Оно может быть необходимой базой для отработки технологии проектирования, позволяющей уменьшать влияние взаимодействия ТВД и ТНД на аэродинамическую эффективность, а также на аэродинамическое возбуждение лопаток.

Экспериментальное исследование этой проблемы составляет одно из главных направлений программы разработки новой технологии TECH56

– для чего был специально построен двухкаскад-

Рисунок 8.151 - Пример аналитического моделирования взаимодействия скачков за рабочими лопатками ТВД с сопловыми лопатками ТНД (Pratt & Whitney) [8.11]

ный стенд. В ходе работ по TECH56 было исследовано несколько конфигураций рабочих лопаток и снижена на 50% интенсивность скачков уплотнения за рабочими лопатками ТВД [8.1].

Профили лопаток ТНД, эффективные при малых числах Рейнольдса. Перспективным направлением в численной аэродинамике турбин является моделирование работы лопаток в условиях низких чисел Рейнольдса, характерных для авиационных ТНД на крейсерском режиме полета. Снижение к.п.д. ТНД èç-çà увеличения профильных потерь может достичь двух и более процентов (см. Рис. 8.152). Оптимизация профилей для этих условий работы может потребовать создания соответствующих моделей для прямого численного моделирования потока. Решение этой задачи находится пока на начальной стадии.

Теоретически возможность моделировать влияние числа Рейнольдса позволит проводить проектную оптимизацию профилей со снижением этого влияния и скомпенсировать хотя бы часть проигрыша в к.п.д. Однако, даже при успешном решении задачи о моделировании влияния чисел

è

Рисунок 8.152 - Изменение к.п.д. современных турбин с уменьшением числа Рейнольдса (с увеличением высоты полета) [8.11]. Показана и потенциальная эффективность усовершенствованной технологии проектирования

Рейнольдса (так же как и задачи о моделировании «отраженных скачков») результаты применения их в проектной практике не обязательно будут положительными.

Оптимальная форма лопаток, которая сможет парировать эти эффекты, еще должна быть найдена. А это при используемых сегодня аэродинами- чески совершенных профилях является очень сложной задачей, и успешная борьба с вышеупомянутыми явлениями может сопровождаться ухудшением характеристик в обычных условиях. Фактически уже сейчас известно, что так называемые «передненагруженные» профили (в отличие от «задненагруженныех») гораздо более устойчивы к малым числам Рейнольдса. Однако их эффективность существенно ниже, что и обусловило низкий интерес к их применению. На Рис. 8.152 эти профили показаны в виде «турбулентных» профилей, которые слабо подвержены влиянию числа Рейнольдса, но имеют неприемлемо большие потери при больших числах Рейнольдса.

Оптимизация взаимного углового расположения лопаточных решеток. Для повышения к.п.д. многоступенчатой турбины может быть использован нестационарный эффект снижения профильных потерь при натекании на лопатку вихревого следа вышележащего по потоку профиля. Если аэродинамический след профиля предыдущей ступени проходит в середине межлопаточного канала, то профильные потери максимальны. Если это след попадает на профиль следующей ступени, то суммарные потери уменьшаются – вероятно, в связи с возникающей при этом нестационарностью в пограничном слое на профиле. Осредненные по времени потери на профиле оказываются меньше, чем в случае стационарного потока. Этот эффект был сначала обнаружен аналитически – на основании моделирования нестационарного потока в проточной части турбины (см. Рис. 8.153)

Реальный эффект измеряется в нескольких десятых долях процента, но он вполне реален и уже используется во вновь разрабатываемых конструкциях. Пока новая технология внедряется на основе экспериментальной отработки. Например, фирма MTU в ТНД GP7200 экспериментально на турбинном стенде подобрала взаимное угловое смещение сопловых лопаток для увеличения к.п.д. и планирует провести такую же работу для оптимизации взаимного углового положения рабочих лопаток [8.13].

Несмотря на малый масштаб эффекта, затраты на внедрение этой технологии кажутся не очень значительными. Поэтому эту технологию можно считать перспективной.

8.11.5 - 3D-аэродинамика: эффективные формы лопаточных венцов

3D-аэродинамика лопаточных венцов (1СА и 2СА ТВД, сопловых аппаратов ТНД) активно используется в настоящее время при разработке турбин. Новые эффективные 3D-формы венцов (несимметричная проточная часть, местное утолщение профиля по высоте, наклон и изгиб лопатки в осевом и радиальном направлениях и так далее) активно исследуются. Усложненные формы лопаточных венцов остаются достаточно эффективным направлением увеличения к.п.д. турбины и, по-видимому, будут оставаться таковыми и в будущем.

Характерными особенностями всех технологий пространственного проектирования лопаточ- ных венцов и проточной части являются:

- моделирование основной идеи и всех особенностей новой технологии на 3D-аэродинамических моделях;

- экспериментальная проверка каждого направления и отработка всех особенностей новой технологии.

Работа на обоих этапах (моделирование и эксперимент) идет параллельно. Особенности численных и физических экспериментов при разработке новой технологии продемонстрированы в работе специалистов Pratt&Whitney [8.14], посвященной разработке пространственной формы (изгиб в сторону спинки) сопловых лопаток второй ступени ТВД. Такая же детальная численная и экспериментальная отработка новой технологии проведена Rolls-Royce при внедрении местного утолщения профиля ТНД для подавления вторичных потерь [8.15] - в ТНД Trent 500 и проводится в настоящее время в отношении несимметричной проточной части для ТВД Trent 500 [8.16].

8.11.6 - Новые материалы и покрытия для лопаток и дисков

Новые материалы являются одним из наиболее действенных средств повышения эффективности и надежности турбины. Они позволяют непосредственно увеличивать способность турбины работать при более высокой температуре - с сохранением к.п.д. и расхода охлаждающего воздуха.

Определяющее значение для долговечности и надежности турбины имеют прочностные характеристики материалов дисков (и других роторных деталей), а также лопаточных материалов.

Дисковые сплавы

На Рис. 8.154 приведена оценка пределов применимости дисковых материалов различного типа для авиационных турбин [8.17]. Как следует из этих данных, увеличение рабочей температуры современных никелевых сплавов возможно в перспективных сплавах за счет применения тугоплавких добавок и использования методов порошковой металлургии при их изготовлении. Прогресс в разработке новых сплавов продолжается – для дисков ТВД двигателя GP7200 (разработка GE Aircraft Engines и Pratt & Whitney) получен совершенно новый сплав МЕ3 [8.5].

Наиболее перспективные сплавы на основе интерметаллидов (алюминидов титана) очень чувствительны к повреждениям при низких температурах и трудны в обработке. Только решение этих проблем в будущем снимет препятствия к их применению.

Лопаточные сплавы

Темп эволюции свойств современных монокристаллических лопаточных сплавов замедляется, так как он ограничен температурой плавления

Рисунок 8.154 - Сравнительная оценка способности дисковых материалов турбины работать при высокой температуре охлаждающего воздуха за компрессором

Рисунок 8.155 - Сравнение потенциала монокристаллических сплавов на основе никеля – 1 поколение (PW1480);

2 поколение (PW1484); тугоплавкие сплавы [8.17]

никеля. Революционного прорыва можно добиться только при использовании тугоплавких сплавов на основе молибдена (см. Рис. 8.155). Однако применению молибдена препятствует низкая его стойкость к окислению. Поэтому молибденовые сплавы разрабатываются в виде комплексной системы сплав-покрытие и перспективы их считаются обнадеживающими.

Для лопаток наземных установок, созданных на базе авиационных двигателей, прогресс в области применения новых материалов идет гораз-

до быстрее, чем на авиационных прототипах (учитывая, что наземные установки, особенно используемые при выработке электроэнергии, часто постоянно работают на максимальных режимах). В частности, в ТВД LM6000 для рабочих лопаток применен монокристаллический сплав Rene N5, в то время как на авиационном прототипе CF6-80C2 – «равноосный» сплав Rene 80H.

В конце 1990-х годов возрос интерес к интерметаллическому материалу – TiAl (алюминиду титана). Этот материал отличается низкой плотностью и увеличенной (по отношению к обычным титановым сплавам) стойкостью к высоким температурам. Основная проблема материала – хрупкость при низких температурах – постепенно решается оптимизацией состава и процесса изготовления. Лопатки из TiAl планируется использовать в ТНД и они обещают быть примерно на 40% легче, чем лопатки из обычного никелевого сплава. Как сообщается в работе специалистов MTU, такие лопатки уже нарабатывают необходимый опыт на двигателях [8.18].

Определяющее значение для внедрения конкретной технологии материала имеет ее эффективность – соотношение экономии на увеличенном ресурсе с дополнительными затратами на разработку и в производстве (здесь важное значение имеет процент выхода годных деталей). Производственные проблемы представляют собой наиболее сложное препятствие для материалов самой высокой эффективности.

Покрытия для лопаток

Прогресс в области теплозащитных покрытий на базе керамических материалов (на опыте компании GE Aircraft Engines) отражен на Рис. 8.156. Работы в области ТЗП сосредоточены на увеличении долговечности покрытий и на дальнейшем уменьшении коэффициента теплопроводности.

Pratt&Whitney планирует исключить необходимость в подслое, требуемом для крепления керамического ТЗП на поверхности лопатки. За счет использования монокристаллического материала нового поколения на базе иттрия можно будет исключить достаточно тяжелое вспомогательное покрытие [8.19]. Кроме теплозащитных покрытий, совершенствуются (особенно в турбинах промышленных установок) многокомпонентные металлические покрытия для повышения стойкости основного металла лопаток к окислению. Прогресс в их развитии выражается, в основном, в увеличении долговечности, так как сохранение покрытия фактически определяет долговечность самой лопатки.

Рисунок 8.156 – Результаты работ компании GE Aircraft Engines [8.11.10.1] по разработке лопаточных сплавов

èтеплозащитных покрытий (ТВС)

8.11.7- Совершенствование конструкций охлаждаемых лопаток

В самых современных высокотемпературных двигателях как военного (F119, F135), так и гражданского назначения (Trent-900, PW4098, GE90115B, GP7200) лопатки ТВД имеют систему многоходового конвективно-пленочного охлаждения. Наиболее сложной является система охлаждения рабочей лопатки, количество радиальных каналов в которой достигло 9 (GE90, PW4084). Такие лопатки – из монокристаллических сплавов, с теплозащитным покрытием – обеспечивают в условиях максимальных рабочих температур перед ротором ТВД до 1800…1900К (двигатели для широкофюзеляжных самолетов) расчетный ресурс эксплуатации до 15000 часов или до 3000 циклов (Trent 500, GE90-115B, GP7200).

При более низких максимальных температурах перед ротором ТВД (1600…1700К), которые применяются в двигателях узко-фюзеляжных самолетов (Боинг 737, Боинг 757, А320) расчетный ресурс рабочей лопатки ТВД составляет свыше 10000 циклов (PW2000, PW6000). Эти цифры свидетельствуют о уже достигнутой высокой эффективности и надежности этой лопаточной технологии. По-видимому, она способна удовлетворить все существующие и потенциальные потребности авиационных и наземных применений.

Однако проработки более эффективных схем охлаждения ведутся непрерывно. Примером перспективной системы является, например,

«Supercooling» Pratt & Whitney [8.20] или лопатка с «охлаждаемыми стенками» Rolls-Royce [8.21]. Судя по имеющейся информации, результаты испытаний в ТВД военных газогенераторов были достаточно успешными, так как в дальнейшем система «Supercooling» планировалась к применению в новых гражданских разработках [8.22] (ТВД для двигателя самолета 7Е7). Однако стоимостная эффективность этих технологий еще должна быть подтверждена в эксплуатации реальных конструкций гражданских двигателей.

8.11.8 - Оптимизированные системы управления радиальными зазорами

По мере роста степени сжатия в двигателях

èуменьшения длины лопаток в турбинных ступенях растет влияние радиальных зазоров. Существующие системы управления радиальными зазорами непрерывно усложняются – преимущественно за счет введения многопозиционного управления расходом охлаждающего воздуха в систему наружного охлаждения корпусов, управления источниками отбора – за счет переключения между разными ступенями компрессора, учета внешних условий и режима работы двигателя, введения систем обратной связи.

Все эти усовершенствования существенно усложняют и удорожают систему регулирования зазоров и систему электронного управления двигателем.

Условия работы систем регулирования зазоров тоже усложняются – например, массивные диски одноступенчатых турбин из-за своей тепловой инерции существенно усложняют задачу минимизации зазоров в условиях многорежимного полета.

Кроме того, сами возможности управления зазорами за счет охлаждения корпуса достаточно ограничены. Поэтому достигаемые системами регулирования зазоров результаты по-прежнему могут быть улучшены – преимущественно в отношении обеспечения минимальных зазоров не только на крейсерском, но и на других рабочих режимах, в том числе на взлетном режиме.

Ñучетом всего вышесказанного весьма актуально новое направление в регулировании радиальных зазоров – создание конструкций с управляемой тепловой инерцией корпуса и ротора

èс существенно упрощенной (с существенно сниженной стоимостью) системой регулирования зазоров. Эта технология может считаться лишь от-

носительно новой (такая технология применялась на двигателях Rolls-Royce в 1970-х и 1980-х годах - без системы охлаждения корпусов).

Эта технология была применена и в самой современной ТВД - GP7200. В конструкции обеспечено соответствие тепловой инерции ротора и статора ТВД и ТНД, что позволило оптимизировать зазоры на всех эксплуатационных режимах.

8.11.9 - Развитие средств и методов проектирования

Совершенствование 3D-моделирования потока в турбине.

Наиболее актуальными направлениями совершенствования 3D-моделирования являются следующие:

-Повышение достоверности 3D-Навье-Стокса (сходимости с экспериментом) и надежности (устойчивости) расчета уровня потерь в одиночном венце; несмотря на отдельные успехи в этом направлении, о которых можно узнать на конференциях, общая картина, особенно в отношении коммерческих пакетов, оставляет желать много лучшего. Во многом это обусловлено ограниченностью самого подхода, основанного на использовании моделей турбулентности. В долгосрочной перспективе новые технологии (такие, как прямое численное моделирование турбулентности) должны снять многие из вышеупомянутых ограничений.

-Повышение достоверности моделирования многоступенчатых турбин по 3D-Эйлеру и 3D-На- вье-Стоксу. Моделирование многоступенчатой проточной части подразумевает использование определенной технологии осреднения потока между лопаточными венцами. Это осреднение и вводимые при нем допущения должны в максимальной степени сохранять реальные характеристики потока (например, скачки уплотнения) и учитывать нестационарное взаимодействие между венцами. Уже поэтому многоступенчатое моделирование вынужденно является приближенным и межвенцовое осреднение является одной из основных проблем для этого моделирования. Одной из возможностей для обоснования решений этой проблемы является использование эксперимента.

-Правильный учет таких вторичных эффектов, как втекания охлаждающего воздуха, утечки в радиальные зазоры и присоединенные полости. Важность учета этих вторичных потоков на генерацию потерь в турбине стала в последнее время более оче- видной. Например, утечка в радиальный зазор одного венца входит в следующий венец с большим

углом атаки и увеличивает профильные и вторичные потери в этом венце. Присоединенные полости (см. Рис. 8.157 [8.23]) существенно меняют картину течения в проточной части около ее ограничивающих поверхностей и вносят дополнительные потери, которые возрастают с увеличением радиального зазора.

Âмоделировании этих явлений, как указано

â[8.24], большую роль играют модели турбулентности, которые нуждаются в дальнейшем улуч- шении для придания результатам численного моделирования большей достоверности не только

âкачественном, но и в количественном отношении.

Аэродинамика лопаточных решеток с пленочным охлаждением.

При проектировании лопаток ТВД, особенно лопаток с большими числами Маха на профиле, важное значение приобретает учет выпуска охлаждающего воздуха в проточную часть. Как показывает опыт Pratt&Whitney в программе Е3 [8.25], управление выпуском воздуха может в два раза снизить волновые потери и на 20% - суммарные потери в трансзвуковой решетке (см. Рис. 8.158).

Повышение эффективности методов аэродинамического проектирования лопаток.

Повышение эффективности средств аэродинамического проектирования остается одним из наиболее действенных способов повышения производительности инженерных работ. Повышение гибкости и возможностей программных средств синтеза лопаточных решеток и профилей, автоматизация подготовки и проведения аэродинамического анализа, повышение точности и надежности 2D/3D-Эйлера, 2D/3D-Навье-Стокса, объединение этих программных средств в единый комплекс – позволяет существенно повысить качество разработок. В том числе – за счет увеличения количе- ства проектных итераций за располагаемое время.

Âчастности, руководители инжиниринга GE Aircraft Engines считают, что повышение эффективности программного обеспечения и уровня организации инженерных разработок позволили компании за пять лет в несколько раз увеличить производительность при профилировании неохлаждаемых лопаток ТНД [8.26]. Повышение производительности и эффективности проектных работ вносит свой вклад и в сокращение времени доводки турбины.

Моделирование нестационарного потока

Моделирование нестационарного потока является в настоящее время очень затратным по времени и может быть использовано для ограниченного круга задач – моделирования нестационарного (вибрационного) нагружения лопаток и для моделиро-