книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы

В ид д окум ента

Чертеж детали

Сборочный чертеж

Чертеж общего вида

Теоретический

чертеж

Габаритный

чертеж

Электромонтажный

чертеж

Монтажный

чертеж

Упаковочный

чертеж

Схема

Спецификация

Ведомость

спецификаций

Ведомость

ссылочных

документов Ведомость покуп­ ных изделий Ведомость разре­ шения применения покупных изделий Ведомость техничес­ кого предложения Ведомость эскизного проекта Ведомость технического проекта Пояснительная записка Технические условия

Программа и мето­ дика испытаний Таблица

Расчет

Эксплуатационные

документы

Ремонтные

документы

Инструкция

Т а б л и ц а 2 . 1 2

Виды документов

О пределение

Документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля Документ, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее

сборки (изготовления) и контроля. К сборочным чертежам также относят чертежи, по которым выполняют монтаж, агрегатов и обвязки Документ, определяющий конструкцию двигателя, расположение основных агрегатов, взаимодейс­

твие его составных частей и поясняющий принцип работы изделия Документ, определяющий геометрическую форму (обводы) изделия и координаты расположения составных частей

Документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочны­ ми и присоединительными размерами Документ, содержащий данные, необходимые для выполнения монтажа электрообвязки изделия

Документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия, а также данные, необходи­ мые для его установки (монтажа) на месте применения Документ, содержащий данные, необходимые для выполнения упаковывания изделия

Документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними Документ, определяющий состав сборочной единицы, комплекса или комплекта

Документ, содержащий перечень всех спецификаций составных частей изделия с указанием их ко­ личества и входимости Документ, содержащий перечень документов, на которые имеются ссылки в конструкторских доку­ ментах изделия

Документ, содержащий перечень покупных изделий, примененных в разрабатываемом изделии

Документ, содержащий перечень покупных изделий, разрешенных к применению

Документ, содержащий перечень документов, вошедших в техническое предложение

Документ, содержащий перечень документов, вошедших в эскизный проект

Документ, содержащий перечень документов, вошедших в технический проект

Документ, содержащий описание устройства и принципа действия разрабатываемого изделия, а так­ же обоснование принятых при его разработке технических и технико-экономических решений Документ, содержащий требования (совокупность всех показателей, норм, правил и положений) к изделию, его изготовлению, контролю, приемке и поставке Документ, содержащий технические данные, подлежащие проверке при испытании изделий, а также порядок и методы их контроля

Документ, содержащий в зависимости от его назначения соответствующие данные, сведенные в таблицу Документ, содержащий расчеты параметров и величин, например, расчет размерных цепей, расчет на прочность и др.

Документы, предназначенные для использования при эксплуатации, обслуживании и ремонте изде­ лия в процессе эксплуатации Документы, содержащие данные для проведения ремонтных работ на специализированных пред­ приятиях

Документ, содержащий указания и правила, используемые при изготовлении изделия (сборке, регу­ лировке, контроле, приемке и т.п.)

Глава 2. Основные параметры и требования к ГТД

щего момента на валу каскада НД (например, при увеличении степени двухконтурности ТРДЦ) при фиксированном диаметре вала НД может вы­ звать трудности с обеспечением прочности вала. Увеличение же диаметра подшипников газогене­ ратора ограничивается величиной параметра D„, определяющего долговечность подшипников, а также прочностью дисков турбины газогене­ ратора при увеличении диаметра внутреннего отверстия диска.

Для снятия такого рода прочностных и конс­ труктивных ограничений может потребоваться радикальная модернизация газогенератора: изме­ нение конструкции, использование новых мате­ риалов, керамических подшипников или приме­ нение редуктора для привода вентилятора.

Использование базового газогенератора ши­ роко применяется в практике газотурбостроения. Например, в Советском Союзе в КБ «Труд» (г. Куйбышев, ныне Самара) в 1960-1970-х гг. на базе газогенератора опытного двигателя НК-6 было разработано семейство ТРДД НК-8 (Лвзл = = 93... 103 кН) для магистральных самолетов Ил-62 и Ту-154 и ТРДД НК-86 с Двзл=127кН для самолета Ил-86, а также ТРДЦФ НК-144 для пассажирского сверхзвукового самолета Ту-144 с Яф = 172 кН и ТРДДФ НК-22 с Дф = 196 кН для сверхзвукового дальнего бомбардировщика Ту-22М.

Еще одним примером успешной в техническом и коммерческом плане разработки авиационных ГТД различного назначения на основе единого газогенератора является создание американской фирмой General Electric двух различных семейств авиационных ГТД на базе газогенератора военно­ го ТРДДФ F101 тягой 133 кН, предназначенно­ го для стратегического бомбардировщика В-1В (рис. 2.12).

Совместно с французской фирмой Snecma было разработано семейство ТРДД CFM56 с вы­ сокой степенью двухконтурности m = 4,9...6,6 в классе тяги 82... 152 кН, включающее большое количество модификаций, для магистральных самолетов Boeing 737, Airbas А320 и А340 и др. Двигатели выполнены по двухвальной схеме

сподпорными ступенями на валу вентилятора.

Впроцессе развития CFM56 с 1977 г. по 2001 г. было разработано и введено в эксплуатацию шесть базовых подсемейств, отличающихся диа­ метром вентилятора и количеством подпорных ступеней. Это позволило CFM56 закрыть широ­ кий диапазон тяги от 82 до 152 кН и эксплуати­ роваться на 20 моделях самолетов. За 20 лет раз­ вития семейства CFM56 базовый газогенератор также был значительно модернизирован в части совершенствования аэродинамики и конструк­

ции компрессора и турбины, а также улучшения экологических характеристик камеры сгорания. Это позволило уменьшить удельный расход топ­ лива последних моделей ТРДД более чем на 10 % при близких параметрах цикла.

Вторым семейством ГТД на базе газогене­ ратора F101 стало семейство военных ТРДДФ F110, предназначенных для истребителей F-14, F-15 H F-16. По сравнению с базовым двигате­ лем F101 (см. рис. 2.12) была снижена степень двухконтурности с 2,0 до 0,8 и применен трех­ ступенчатый КНД с повышенной степенью сжа­ тия и уменьшенным диаметром на входе. Были созданы четыре модификации двигателя в диа­ пазоне тяги Лф= 19... 151 кН, а также бесфорсажный вариант F118 для стратегического бом­ бардировщика В-2А.

Также на базе конвертированных газогене­ раторов авиадвигателей возможна разработка наземных ГТД различных схем. Пример созда­ ния семейства промышленных ГТД в классах мощности 10, 12, 16 и 25 МВт на базе ТРДД ПС-90А разработки ОАО «Авиадвигатель» по­ казан на рис. 2.13. Базовый авиационный дви­ гатель представляет собой экономичный мало­ шумный ТРДД с высокими параметрами цикла:

и Ил-76. Конструктивно двигатель выполнен по двухвальной схеме с двумя подпорными сту­ пенями на валу вентилятора и со смешением по­ токов внутреннего и наружного контуров.

Газогенератор базового двигателя представляет собой высоконапорный одновальный турбоком­ прессор, включающий тринадцатиступенчатый компрессор со степенью сжатия пк= 16, труб­ чато-кольцевую камеру сгорания с двенадцатью жаровыми трубами и двухступенчатую турбину высокого давления (ТВД). Размерность газоге­

ПС-90А газогенератор работает с «наддувом» от вентилятора и подпорных ступеней и поэто­ му рассчитан на высокие температуру и давле­ ние по газовоздушному тракту и повышенную физическую частоту вращения.

Первой моделью наземного ГТД стал двига­ тель газотурбинной установки ГТУ-12П в классе мощности 12 МВт с КПД 34,6 %. Он представ­ лял собой конвертированный газогенератор базо­ вого ТРДД и вновь спроектированную двухсту­ пенчатую силовую турбину (СТ) с номинальной частотой вращения WCT= 6500 об/мин.

Примечание: термин «газотурбинная уста­ новка» (ГТУ) часто употребляется в наземном

газотурбостроении. ГТУ включает помимо дви­ гателя подмоторнуюраму, САУиряд других сис­ тем обеспечения двигателя. Состав оборудова­ ния, включаемый в ГТУ, может быть различным взависимости от применения, однако, когда идет речь об основных данных и параметрахГТУ, име­ ются в виду параметры и основные данные двига­ теля, например: мощность иКПДна валу, расход воздуха, степень сжатия и т.д.

В дальнейшем на базе газогенератора ПС-90А был разработан двигатель для установки ГТУ-10П мощностью 10 МВт с высокооборотной СТ («ст = 9000 об/мин) для привода компрессоров за­ качки природного газа в подземные хранилища. В связи с отсутствием наддува от КНД физичес­ кая частота вращения газогенератора и темпера­ тура перед турбиной ГТУ-12П и ГТУ-10П значи­ тельно ниже, чем на базовом ПС-90А.

Для создания ГТД в классе мощности 16 МВт базовый газогенератор был модифицирован: спе­ реди компрессора была установлена дополнитель­ ная ступень для увеличения расхода воздуха и сте­ пени сжатия. Поскольку при этом, как отмечалось ранее, приведенный расход воздуха по выходу практически не изменился, то доработка камеры сгорания и ТВД не потребовалась. Вследствие «наддува» базового компрессора от дополнитель­ ной ступени на входе частота вращения модифи­ цированного газогенератора повысилась. Была ' разработана также новая трехступенчатая СТ. Увеличение расхода воздуха до GB0=57 кг/с и степени сжатия до Як= 20 в сочетании с повы­ шением температуры газа перед турбиной обеспе­ чило увеличение мощности до 16,5 МВт и КПД до 37 % (в условиях ISO).

Наиболее мощная модификация - ГТУ-25П в классе мощности 25 МВт - была создана путем надстройки базового газогенератора каскадом низкого давления для значительного повышения расхода воздуха и степени сжатия. СТ разработа­ на вновь на базе СТ ГТУ-16П. Турбокомпрессор НД включает трехступенчатый КНД ПС-90А со срезанной наружной частью лопаток венти­ лятора и новую одноступенчатую ТНД. В конст­ рукции ГТУ-25П в наибольшей степени исполь­ зуется параметрический и прочностной потен­ циал базового авиадвигателя ПС-90А, а высокие параметры цикла: Т*сА = 1512 К, Яке= 28 обес­ печивают высокий уровень эффективного КПД

Т|е= 40 %.

Очевидно, что использование общего газо­ генератора в семействе ГТД различного назна­ чения может привнести некоторые отклонения от оптимумов для конкретных типов ГТД и со­ ответствующие компромиссы. Для обеспечения работоспособности узлов в различных приме­

2.5. Методология проектирования

нениях (особенно в ТРДДФ на сверхзвуковых режимах) может потребоваться ряд конструктив­ ных изменений газогенератора, замена материа­ лов, улучшение охлаждения, пересогласование рабочих точек компрессора. Однако при двой­ ном или тройном применении общего газогене­ ратора достигается значительная экономия вре­ мени и средств на трудоемкую аэродинамичес­ кую и прочностную доводку лопаточных машин, а именно: получение КПД, запасов устойчивос­ ти, частотной отстройки деталей компрессора и турбины от опасных вибронапряжений, обес­ печение долговечности роторных деталей и под­ шипниковых узлов.

Пример проектирования ТРДД различно­ го класса тяги на базе общего газогенератора показан на рис. 2.14. Представлено семейство гражданских ТРДД в широком диапазоне тяги (R = 90...220 кН) со степенью двухконтурности 5...12, в том числе с редукторным приводом вентилятора.

2.5.2.4. Использование геометрического моделирования при проектировании ГТД

В практике проектирования ГТД наряду с ис­ пользованием полноразмерных базовых газогене­ раторов находит широкое применение геометри­ ческое моделирование газогенераторов, отдель­ ных узлов ГТД и ступеней лопаточных машин.

Отношение сходных линейных размеров конс­ труктивных узлов моделируемого и базового ГТД называется коэффициентом моделирования. Для определения коэффициента моделирования узла или ступени чаще всего используется характер­ ный диаметр. Например, для компрессора - это наружный диаметр первого рабочего колеса:

Моделирование может производиться как в сторону увеличения размеров (Кмол> 1), так

ив сторону уменьшения (/Смод< I). В модели­ рованных узлах ГТД все линейные размеры пря­ мо пропорциональны коэффициенту моделиро­ вания - расход воздуха (газа) и мощность (тяга) прямо пропорциональны квадрату Кмод, а объем

имасса прямо пропорциональны кубу Кмол. Моделирование узлов ГТД основано на гидро­

динамической теории подобия, основные поло­ жения которой рассматриваются в курсе «Теория ГТД». Если в геометрически подобных конструк­ циях выдерживается равенство гидродинамичес­ ких критериев подобия (относительных скорос­ тей потока в осевом и окружном направлении - Хаи Хи, чисел Рейнольдса (Re), Пекле (Ре), Фруда (Fr) и показателей адиабаты (£ = СУСУ) в сходс-

ТРДЦ R = 12,5 тс m = 5,5

ТРДЦ R = 18,5 тс /72 = 9,0

ТРДЦ R = 22,0 тс /72= 12,0