Глава 3 - Конструктивные схемы ГТД

Глава 3 - КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ГТД

3.1 - Конструктивные схемы авиационных ГТД

3.1.1 - Турбореактивные двигатели

Конструктивные схемы ТРД можно классифицировать по следующим основным признакам:

-по типу компрессора - с центробежным или осевым компрессором;

-по количеству роторов турбокомпрессора - одновальные и двухвальные;

-по наличию или отсутствию ФК.

ТРД первого поколения проектировались как

ñцентробежными, так и с осевыми компрессорами. Конструктивная схема ТРД с центробежным компрессором показана на Рис. 3.1.1_1, а с осевым компрессором – на Рис. 3.1.1_2 и 3.1.1_3. При ограниченных диаметральных габаритах для увеличения расхода воздухаприменяются центробежные компрессоры с двухсторонним входом (см. Рис. 3.1.1_1).

Из-за значительно большего миделевого се- чения центробежного компрессора по сравнению

ñосевым, и ,соответственно, меньшей лобовой тяги

ТРД с центробежными компрессорами не получи- ли дальнейшего развития, за исключением малоразмерных двигателей.

ТРД и ТРДФ второго и третьего поколений разрабатывались с осевыми компрессорами. В процессе совершенствования двигателей степень сжатия в однокаскадных осевых компрессорах достигла π Ê = 12…15 при количестве ступеней ZÊ = 14…17.

Для обеспечения устойчивой работы и высокого к.п.д. однокаскадных высоконапорных компрессоров на нерасчетных режимах входной направляющий аппарат (ВНА) и направляющие аппараты (НА) нескольких передних ступеней выполняются поворотными (см. Рис. 3.1.1_2). В ТРД АЛ-21Ф разработки НПО «Сатурн» в 14-ступенчатом компрессоре со степенью сжатия π*Ê = 14,7 поворотными были выполнены направляющие аппараты не только пяти первых, но и пяти последних ступеней.

Преимуществами ТРД одновальной схемы можно считать простоту трансмиссии (минимальное количество валов, опор и подшипников), а также хорошую приемистость двигателя, которая обеспечивается за счет высокой частоты вращения ротора ГТД на режиме малого газа при «закрытом» положении регулируемых НА. К недостаткам схемы можно отнести развитую механизацию компрессора, которая усложняет конструкцию и трудоемкость изготовления.

В двухвальных ТРД (см. Рис. 3.1.1_3) компрессор состоит из двух каскадов - компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), которые приводятся, соответственно, турбинами низкого и высокого давления (ТНД и ТВД). КВД и ТВД образуют турбокомпрессор высокого давления (ВД), а КНД и ТНД образуют турбокомпрессор низкого давления (НД). Ротора турбокомпрессоров ВД и НД кинематически не связаны и имеют возможность вращаться с различной (оптимальной для каждого каскада) частотой.

Повышенная частота вращения турбокомпрессора ВД позволяет сократить число ступеней КВД,

общее число ступеней двухкаскадного компрессора и его длину по сравнению с однокаскадным компрессором с той же степенью сжатия. Меньшая длина роторов обеспечивает их повышенную жесткость.

Недостатком двухвальных ТРД можно считать усложнение трансмиссии (увеличение числа валов, опор, подшипников, уплотнений), повышенные требования к точности изготовления сопловых аппаратов турбин (т.к. изменение площади сопловых аппаратов вызывает изменение скольжения роторов и запасов устойчивости КНД), а также связанные со скольжением роторов некоторые трудности обеспечения высокой приемистости

3.1.2 - Двухконтурные турбореактивные двигатели

ТРДД в настоящее время является основным типом авиационных газотурбинных двигателей для гражданских и военных самолетов. Более сложный принцип работы по сравнению с ТРД и наличие в связи с этим дополнительных конструктивных элементов обуславливает большое количество возможных конструктивных схем ТРДД.

ТРДД можно классифицировать по следующим основным конструктивным признакам.

По типу выхлопной системы:

-с раздельными соплами внутреннего и наружного контуров;

-с общим соплом (со смешением потоков внутреннего и наружного контуров).

По числу роторов (валов):

-одновальные,

-двухвальные;

-трехвальные.

По расположению вентилятора:

-передним расположением;

-задним расположением.

По наличию или отсутствию подпорных ступеней на валу вентилятора.

По типу привода вентилятора:

-с прямым приводом;

-с приводом через редуктор.

По наличию или отсутствию ФК.

По расположению ФК:

-во внешнем контуре;

-в обоих контурах ;

-с общей ФК после смешения потоков. Современные ТРДД с высокой степенью двух-

контурности выполняются как с раздельным исте- чением, так и с общим соплом.

Смешение потоков дает существенное улуч- шение экономичности ТРДД, максимум которого реализуется при умеренной степени двухконтурности m = 2…3 (∆CR ≈ -4%), но сохраняется и при высоких значениях m = 8…10 (∆CR ≈-2%). Для реализации максимального выигрыша по удельному расходу топлива применяются специально профилированные лепестковые смесители. Такие смесители обеспечивают высокую степень смешения потоков и выравнивания поля температур и скоростей на срезе сопла. Применяются также конструктивно более простые и технологичные кольцевые смесители, имеющие минимальное гидравлическое сопротивление, но и меньший выигрыш по удельному расходу топлива. ТРДД с лепестковым смесителем показан на Рис. 1.2.1.3_1, а ТРДД с кольцевым смесителем – на Рис. 3.1.2_1.

ТРДД с общим соплом имеют преимущества в акустических характеристиках - более низкий уровень шума. Это достигается как за счет выравнивания поля скоростей на срезе сопла, так и благодаря возможности использования звукопоглощающих панелей большей площади из-за более

длинной наружной обечайки двигателя.

На режимах реверсирования ТРДД с общим соплом обеспечивают более высокую обратную тягу. При расположении реверса тяги в наружном контуре это происходит благодаря значительному снижению прямой тяги внутреннего контура из-за перерасширения потока газа в общем сопле (см. верхнюю часть Рис. 1.2.1.3_1). А при расположении реверса за смесителем – за счет использования потоков обоих контуров для создания обратной тяги. Примеры конструкции реверсивных устройств различных типов приведены в главе 9.

ТРДД с общим соплом имеют более длинный канал наружного контура и мотогондолу (см. Рис. 1.2.2_1) и, соответственно, несколько большую массу. При высокой и сверхвысокой степени двухконтурности более длинная мотогондола с общим соплом при установке под крылом может иметь повышенное сопротивление интерференции.

ТРДД с раздельным истечением (без смешения) имеют более короткий канал наружного контура. СУ с таким ТРДД имеет характерную ступен- чатую конфигурацию (см. Рис. 1.2.2_1), образуемую соплами наружного и внутреннего контуров. Более короткая обечайка наружного контура облегчает компоновку СУ на пилоне под крылом с минимальным сопротивлением интерференции, а также способствует снижению ее массы.

С увеличением степени двухконтурности эти факторы приобретают все большее значение. Новейшие серийные и разрабатываемые ТРДД с m = 8…11 (GE90, TRENT800, TRENT500, TRENT900, GP7000, проекты ТРДД для Boeing 7E7) выполняются без смешения потоков. Выбор схемы с раздельным истечением для ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности определяется также и тем, что с увеличением степени двухконтурности облегчается обеспечение нормируемого уровня шума и необходимого уровня обратной тяги на режиме реверсирования.

Современные ТРДД с умеренно высокой степенью двухконтурности m = 4…7 выполняются с выхлопной системой как со смешением, так и без смешения потоков. Выбор типа выхлопной системы является компромиссным решением, учитывающим перечисленные факторы и характеристик ТРДД, а также способ установки двигателя на конкретный тип самолета. Например, для дальнемагистрального пассажирского самолета пониженный удельный расход топлива для ТРДД с общим соплом может иметь решающее значение.

По числу роторов современные ТРДД разделяются на одно-, двух- и трехвальные.

Очевидным преимуществом одновальной схемы является относительная простота конструкции - минимальное количество валов, опор, подшипников, уплотнений. Но практическое использование одновальной схемы возможно лишь при низкой степени двухконтурности, когда вентилятор

èКВД имеют близкие по величине диаметры и ча- стоты вращения и могут быть объединены на одном валу.

Существенными недостатками одновальной схемы являются:

-ограниченные возможности повышения степени сжатия при приемлемом количестве ступеней компрессора,

-худшая приемистость,

-необходимость более мощного пускового устройства.

ТРДД одновальной схемы не получили широкого применения. Единственным серийным одновальным двухконтурным двигателем является ТРДДФ М53 фирмы Snecma тягой 95 кН, применяемый на французском сверхзвуковом истребителе Мираж 2000 (см. Рис. 3.1.2_2).

Двухвальная схема в настоящее время стала классической и применяется как в гражданских ТРДД с высокой и сверхвысокой степенью двухконтурности (см. Рис. 3.1.2_3), так и в военных ТРДД

èТРДДФ с низкой степенью двухконтурности. Вентилятор, работающий на наружный и внут-

ренний контуры, подпорные ступени на валу вентилятора и ТНД, расположенные во внутреннем контуре, образуют турбокомпрессор НД, называемый часто турбовентилятором. КВД и ТВД образуют турбокомпрессор ВД, который вместе с камерой сгорания (КС) образует газогенератор. Турбокомпрессоры НД и ВД имеют только газодинамическую связь, кинематически они не связаны и имеют разную частоту вращения.

Важная роль газогенератора, как наиболее напряженного и технологически сложного узла ТРДД, его параметры и конструктивные особенности были рассмотрены в разделе 2.5.2.

Вентиляторы современных ТРДД и ТРДДФ, имеющих низкую степень двухконтурности и степень сжатия π*Ê = 2,0…5,0, выполняются многоступенчатыми (ZÂ = 2…5). А вентиляторы ТРДД с высокой и сверхвысокой степенью двухконтурности - одноступенчатыми.

На валу вентилятора во внутреннем контуре часто устанавливаются дополнительные ступени, называемые подпорными или бустерными. Они предназначены для увеличения расхода воздуха через внутренний контур и повышения мощности газогенератора (см. Рис. 3.1.2_3). Количество

подпорных ступеней в современных ТРДД варьируется от одной до семи. При фиксированной тяге, степени двухконтурности и степени сжатия установка подпорных ступеней позволяет снизить размерность, массу и стоимость газогенератора, а зна- чит - и двигателя в целом. Изменением количества подпорных ступеней и диаметра вентилятора (при фиксированной размерности газогенератора) может быть создано семейство ТРДД с различной тягой на базе единого (унифицированного) газогенератора. Примеры создания ГТД различного назначения и тяги (мощности) рассмотрены в разделе 2.5.2.

Серийные трехвальные ТРДД (или ТРДД с двухвальным газогенератором) впервые были разработаны в конце 1960-х…начале 1970-х г.г. фирмой Rolls-Royce (Великобритания). Это было семейство ТРДД RB211 с высокой степенью двухконтурности в классе тяги 200 кН для магистральных пассажирских самолетов (см. Рис. 3.1.2_4).

Двухвальная схема газогенератора при умеренной степени сжатия так же, как и в двухвальных ТРД, позволяла сократить количество ступеней компрессора и обеспечить газодинамическую устойчивость без применения механизации. Однако, в настоящее время для новейших ТРДД

(π*ÊΣ = 40…45 в трехвальных ТРДД) с увеличением общей степени сжатия приходится применять регулирование НА компрессора.

Достоинствами трехвальной схемы ТРДД считаются большая жесткость коротких роторов и стабильность радиальных зазоров в эксплуатации. Очевидный недостаток трехвальной схемы

– высокая сложность трансмиссии с большим количеством валов, опор, подшипников и уплотнений.

Развитие по тяге трехвальных ТРДД осуществляется аналогично ТРДД двухвальной схемы - добавляются ступени на входе в КНД и увеличи- вается диаметр вентилятора. Первые ступени относительно быстроходных КНД трехвальных двигателей имеют значительно большую напорность, чем подпорные ступени двухвального ТРДД, которые находятся на тихоходном валу вентилятора. Поэтому, для одинакового увеличения расхода воздуха через внутренний контур в трехвальном двигателе требуется меньшее количество дополнительных ступеней, что можно считать преимуществом трехвальной схемы.

С другой стороны, добавление ступеней на входе КНД по сути является модернизацией двух-

долговечность, а увеличение диаметров отверстий

âдисках – прочностью и массой дисков.

2.Снижение частоты вращения турбовентилятора и повышение его мощности (особенно при наличии на валу вентилятора большого количества подпорных ступеней) требует увеличения числа ступеней ТНД для сохранения приемлемого к.п.д. В современных ТРДД с m = 6…9 число ступеней

ТНД достигает ZÒÍÄ = 7, что усложняет конструкцию, увеличивает число деталей, длину, массу и стоимость ТНД и двигателя в целом. При отсутствии редуктора выбор частоты вращения турбовентилятора (приведенной окружной скорости вентилятора) и коли- чества ступеней ТНД всегда является компромиссом,

обеспечивающим максимальное значение произве-

дения к.п.д. вентилятора и к.п.д. ТНД (η*Â, η*ÒÍÄ). Этот параметр определяет эффективность турбовентилятора в целом при минимально возможном количестве ступеней ТНД. При проектировании на «заданную стоимость» двигателя или летного часа

при выборе ZÒÍÄ учитываются также и экономические показатели (стоимость изготовления, ремонта и технического обслуживания).

Применение редуктора позволяет независимо оптимизировать частоты вращения и другие параметры вентилятора и турбины с обеспечением максимального к.п.д. и низкого уровня шума вентилятора, максимального к.п.д. и малого числа ступеней ТНД, прочности вала турбовентилятора при уменьшенном диаметре. Привод подпорных ступеней для сокращения их числа можно осуществить от высокооборотного вала ТНД.

Разработка компактных и легких авиационных редукторов большой мощности с высоким к.п.д. для ТРДД и ТВВД является сложной техни- ческой задачей. Так в ТРДД с RÂÇË = 120…240 êÍ è m = 11…15 мощность турбовентилятора составляет 18000…33000 кВт. Для создания редукторов такой мощности необходимо обеспечить работоспособность зубчатых передач при высоких контактных

напряжениях, долговечность высоконагруженных подшипников, разработать эффективную систему смазки редуктора и систему охлаждения масла. Даже при высоком к.п.д. редуктора (0,99…0,995), который обеспечивается высокоточным оборудованием при изготовления зубчатых колес, для указанного класса тяги мощность теплоотдачи в масло составит NÒÅÏË = 90…330 кВт. Конструктивная схема ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности

ñредукторным приводом вентилятора показана на Рис. 3.1.2_5.

Редукторный привод вентилятора в настоящее время практически применяется в некоторых моделях серийных ТРДД малой размерности тягой

RÂÇË = 15…35 кН с умеренно высокой m = 4…6. Мощность турбовентилятора таких двигателей на порядок меньше указанных выше значений (см. Рис. 3.1.2_6).

Создание мощных редукторных ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности и ТВВД

ñзакапотированным ВВ в классе тяги R > 100 кН находится в настоящее время на стадии проектных проработок или создания опытных и демонстрационных образцов. На Рис. 3.1.2_7 показана конструктивная схема опытного ТВВД НК-93 в классе тяги 180…200 кН разработки «СНТК им. Н.Д.Кузнецова» (г. Самара) с двухрядным закапотированным

ВВ. ТВВД трехвальный с двухвальным газогенератором, оснащен двухрядным ВВ с поворотными лопастями, обеспечивающими оптимальные характеристики ТВВД на различных режимах при прямой тяге, а также реверсирование тяги за счет поворота лопастей. ВВ приводится во вращение трехступенчатой ТНД через планетарнодифференциальный редуктор мощностью свыше 22000 кВт.

Одной из возможных схем ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности без использования редуктора может быть схема с задним расположением вентилятора (см. Рис. 3.1.2_8). Двухрядный вентилятор с противовращением рабочих колес приводится биротативной ТНД, имеющей два вращающихся в противоположные стороны ротора. Первый ротор образуют рабочие лопатки, а второй – сопловые, которые в данной конструкции также становятся рабочими. Биротативная турбина может быть выполнена с существенно меньшим количе- ством ступеней. Данную концепцию ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности прорабатывала фирма Rolls-Royce в 1980-х г.г. в проекте «Contrafan» (RÂÇË = 230…270 êÍ, m = 15,6).

Безредукторный привод двухрядного вентилятора с помощью биротативной турбины возможен и при переднем расположении вентилятора (см. Рис. 3.1.2_9). В показанной схеме используется раз-

вернутый на 180° (против полета) газогенератор

èповорот потоков воздуха и газа внутри двигателя на 180 °. Благодаря этому валы биротативной турбины вентилятора не проходят через газогенератор

èотсутствуют связанные с этим проблемы. Схема

позволяет выполнять смешение потоков при короткой наружной обечайке, характерной для ТРДД без смешения, которая обеспечивает пониженное сопротивление от интерференции с крылом. Аналогичная схема двигателя, но с обычным однорядным

вентилятором применялась на малоразмерном ТРДД ATF3 фирмы Honywell с RÂÇË = 24 кН и умеренной степенью двухконтурности m = 2,8.

Современные военные ТРДДФ с низкой степенью двухконтурности выполняются по двухвальной схеме с общей ФК после смешения потоков наружного и внутреннего контуров. На Рис. 3.1.2_10 показан ТРДДФ поколения 4+ F100PW229 фирмы Pratt & Whitney тягой RÔ = 130 кН и ТРДДФ 5 поколения М88-2 фирмы Snecma (Франция) с RÔ = 75 кН, используемый на истребителе «Рафаль».

Основные конструктивные особенности новейших ТРДДФ:

- малое число ступеней компрессора и тур-

бины с повышенной аэродинамической нагрузкой (у ТРДДФ пятого поколения ZÂ = 3, ZÊÂÄ = 5…6,

ZÒÂÄ = 1, ZÒÍÄ = 1; для двигателей шестого поколения прорабатывается возможность снижения коли-

Â= 2(1) è ZÊÂÄ = 3…4);

-применение противовращения роторов для повышения к.п.д. турбины и снижения нагрузок от гироскопических моментов;

-применение материалов и технологий и использование компоновок СУ, снижающих инфракрасную и радиолокационную заметность.

Одним из перспективных направлений развития ТРДД является разработка двигателей изменя-

емого цикла (ДИЦ), в которых в зависимости от режима полета меняется степень двухконтурнос-чества ступеней до Z