книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Газотурбинные двигатели (ГТД) за шестьдесят лет своего развития стали основным типом дви­ гателей в современной авиации. На основе авиа­ ционных ГТД созданы двигатели для наземной

иморской техники: мобильных электростанций, га­ зокомпрессорных станций, наземных и мор­ ских транспортных средств. Газотурбинные дви­ гатели - классический пример сложнейшего ус­ тройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур

инагрузок. Вместе с тем, эти двигатели - образец высочайшей надежности, которая обеспечивает­ ся эффективными конструкторскими решения­ ми, сложными газодинамическими, тепловыми

ипрочностными расчетами. В этой связи изу­ чение газотурбинных двигателей, как одного из наиболее совершенных достижений инженерной мысли, выходит за рамки утилитарной задачи подготовки инженеров-двигателистов.

Настоящая серия книг, объединённых об­ щим названием «Газотурбинные двигатели», посвящена начальному этапу процесса их созда­ ния - проектированию и основной составляю­ щей этого процесса - разработке конструкции. Серия включает в себя три учебника для сту­ дентов вузов, обучающихся по специальнос­ ти «Авиационные двигатели и энергетические установки»: «Основы конструирования авиаци­ онных двигателей и энергетических установок», «Динамика и прочность авиационных двигателей

иэнергетических установок», «Автоматика и ре­ гулирование авиационных двигателей и энерге­ тических установок». Ставилась цель дать комп­ лекс знаний для самостоятельной творческой работы в области проектирования ГТД с учетом

того, что студенты изучили дисциплины общеин­ женерного цикла, знакомы с газовой динамикой и теорией авиационных двигателей.

Объем серии получился большим. Стремление наиболее полно и подробно изложить материал связано с тем, что книги предназначены не толь­ ко для изучения соответствующих дисциплин, но и для использования в курсовом и дипломном проектировании.

При изложении материала авторы в известной степени опираются на богатую практику одной из ведущих мировых школ авиационного двигателестроения - Пермского ОАО «Авиадвигатель». Многие из приведенных выполненных конструк­ ций - элементы двигателей, разработанных этим коллективом.

В подготовке издания принимали участие специалисты опытного конструкторского бюро ОАО «Авиадвигатель». Работа такого большого коллектива специалистов была бы невозможна без организационной поддержки Н.Л. Кокша­ рова. Общее оформление книг выполнено И.М.Соколовой с участием В.К.Ощепкова, Л.М. Кислухиной, О.Е.Пековой, Ю.А.Никулина, И.Ю. Вагановой. Особая благодарность Alexia Attali из Communication Division Snecma Moteurs, приславшей материалы по двигателю М88; Cynthia Durnal из Honeywell product informa­ tion за иллюстрации двигателей Honeywell и Margaret Fletcher Jet Engine Administrator Rolls-Royce pic за любезное разрешение использовать иллюстрации из книги Rolls-Royce pic «The Jet Engine», а также коллегам из ГУНПП «Завод им. В.Я.Климова» за иллюстрации двига­ телей ТВЗ-117 и 2500.

For sixty years of its development gas turbine engine (GTE) has become the main type of engines in modem aviation. On GTE basis engines for ground and marine equipment have been developed, for example for mobile power plants, gas-compressor stations, ground and marine transport vehicles. Gas turbine engines are the classical example of a sophisticated system with components operating at extremely high temperatures and limit loads during a long period oftime. At the same time these engines are the example ofthe highest reliability, which is assured by efficient design solutions and complicated gas dynamics, temperature and durability calculations. Therefore studying of gas turbine engines as one of the most accomplished achievements of engineering is beyond the scope of utilitarian aim of teaching and preparing engineers and engine designers.

This series of publications under the common title «Gas Turbine Engines» is dedicated to the primary stage of their development - engineering and designing in particular as it is the main part of this process. The series consists of three textbooks for students ofhigher educational establishments studying at faculty of «Aero-engines and Power Generation Gas Turbines». The textbooks are the following: «Principles of Aero-engines and Power Generation Gas Turbines Designing», «Dynamics and Durability ofAero-engines and Power Generation Gas Turbines», «Automatics and Control ofAero-engines and Power Generation Gas Turbines». The aim was to give a complex of knowledge for independent creative work in GTE designing. The readers are supposed to have learned general engineering disciplines and to know gas dynamics and theory of aero-engines.

The attem pt to cover immense amount of information resulted in a large volume of the series.

The authors justify it by inevitable redundancy of such publications. The desire to present information in a full and detailed way is explained by the fact that these books are intended not only for studying ofrelated disciplines by students but also for designing during writing of course and diploma works. The authors hope that the publication will be also helpful for post-graduate students and specialists working at development, manufacturing and operation of gas turbine engines.

In their work the authors based upon rich practice of one of the leading world aero-engine building school of Perm Aviadvigatel OJSC. Many of the presented designs are the components of engines, developed by the Company.

During preparation of this publication huge amount of Aviadvigatel design bureau specialists took part. Their names are listed at Prefaces to all of these books. The work of so many specialists is impossible w ithout organization support of N.L. Koksharov. The total design of the book was executed by I.M. Sokolova with the help of V.K. Oschepkov, L.M. Kisluhina, O.E. Pekova, Yu.A. Nikulin, I.Yu. Vaganova. Special gratitude is to Alexia Attali from Communication Divisions Snecma Moteurs, who sent information about M88 engine; Cynthia Durnal from Honeywell product information for illustrations of Honeywell engines and to M argaret F letcher who is Jet Engine Administrator of Rolls-Royce pic for her kind permission to use illustrations from the perfect book of Rolls-Royce pic «The Jet Engine». The authors also thank the colleagues from the State Unitary Scientific & Production Enterprise «Plant named in honour of V.Ya. Klimov» for illustrations of TV3-117 and 2500 engines.

Учебник «Основы конструирования авиаци­ онных двигателей и энергетических устано­ вок» - первая книга из серии «Газотурбинные двигатели».

Содержание учебника определяется его на­ значением. В нем рассмотрены общие вопросы и принципы разработки газотурбинных двигате­ лей, их узлов и отдельных элементов. Изложение этого материала невозможно без анализа разра­ ботанных конструкций, опыта их доводки и экс­ плуатации. При этом авторы не ставили зада­ чу подробно описывать конкретные двигатели. Изложение материала в основном идет по следу­ ющей схеме: рассмотрение требований, предъяв­ ляемых к тому или иному узлу, проблем, которые приходится решать при выборе конструктивных решений, анализ достоинств и недостатков ос­ новных путей решения этих проблем на приме­ рах известных конструкций.

Научную базу курса «Основы конструиро­ вания авиационных двигателей и энергетичес­ ких установок» составляют методы и научные положения таких общеинженерных дисциплин, как теоретическая механика, сопротивление ма­ териалов, газовая динамика, материаловедение, а также специальных дисциплин: теории турбо­ машин, теории воздушно-реактивных двигате­ лей, технологии их производства.

Классические отечественные учебники по конструкции авиационных двигателей, написан­ ные в свое время авторскими коллективами под редакцией Г.С. Скубачевского и Д.В. Хронина,

с1989 г. не переиздавались. В авиационном двигателестроении с тех пор появились новые конс­ трукторские решения, новые методы расчетов - все то, что диктуется постоянным повышением требований к конкурентоспособности двигате­ лей. Авторы попытались наряду с классически­ ми представлениями отразить в настоящем учеб­ нике современное состояние проблем, связанных

сконструированием газотурбинных двигателей. Приведено множество примеров разработанных отечественных и зарубежных конструкций, ана­ лиз которых, по мнению авторов, является важ­ нейшим элементом учебного процесса.

Книга «Основы конструирования авиа­ ционных двигателей и энергетических уста­ новок» для удобства пользования выполнена в 3 томах.

Том 1 содержит 4 главы.

В главе 1 приведены общие сведения о газо­ турбинных двигателях. Рассмотрены одна из воз­ можных классификаций, основные типы авиаци­ онных ГТД, области их применения, история раз­ вития, деление на «поколения». Значительное внимание уделено наземным ГТД объектам их применения.

Глава 2 посвящена основным параметрам

итребованиям к ГТД, содержит некоторые необ­ ходимые для лучшего понимания сведения из тео­ рии ГТД и термодинамики. Подробно рассмо­ трены методологические вопросы обеспечения ресурса, надежности, технологичности, эконо­ мических и экологических требований, методо­ логия проектирования в целом, а также сертифи­ кация ГТД.

Вглаве 3 приведены конструктивные схемы авиационных ГТД и ГТД наземного применения. Все три главы подготовлены под общим руково­ дством А.А. Пожаринского, а разделы 1.2.3 и 2.3.1 им непосредственно. Разделы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.6,2.1,2.2,2.3.2,2.3.4,2.3.6,2.4.2,2.5.2,2.8,3.1, 3.2, 3.4 подготовлены С.В. Торопчиным с учас­ тием В.А. Кузнецова (разделы 1.1, 1.2, 3.1, 3.2). Разделы 1.5,2.7,3.3 подготовлены М.Г. Зубковой, 2.3.5 - А.В. Кимом, 2.3.7 - Б.В. Трегубовым, 2.3.8 - А.Л. Мурыгиным, 2.3.9 и 2.5.1 - Ю.Н. Со­ рокиным, 2.3.12 -В.И. Черемных, 2.4.1 -В.М. Роговым, 2.6 -В.И. Баландиным и |Ю.А. Паньковым|. В оформлении материалов глав 1,2, 3 участвова­ ли К.Э. Терентьева и Н.В. Кобанова.

Глава 4 посвящена силовым схемам ГТД. Рассмотрены усилия, действующие в двигателе

иего элементах. Подробно представлены схе­ мы, конструкции опор, вопросы их проектиро­ вания, а также схемы и конструкции подвески. Глава подготовлена Ю.Н. Сорокиным с участи­ ем М.Д. Галямова, А.А. Целищева, В.Е. Ани­ симова, К.В. Ульяновского, В.О. Рубинова, Н.Е. Брагиной, Ю.А. Берендорфа, Л.В. Шайхут­ диновой. В оформлении главы 4 принимал учас­ тие А.В. Живилов.

Том 2 содержит главы с 5-й по 9-ю и посвя­ щен основным узлам ГТД.

Вглаве 5 рассмотрены различные типы ком­ прессоров, вопросы их аэродинамического про­ ектирования, теплового состояния, конструктив­ ные и силовые схемы. Представлены конструк­ ции роторов и статоров. Отдельно рассмотрены вопросы регулирования компрессоров, противо-

Предисловие

обледеиительной защиты и защиты от попада­ ния посторонних предметов. Также отдельный раздел посвящен особенностям компрессоров ГТД наземного применения. Материалы главы подготовлены С.А. Хариным и Е.Т. Гузачевым с участием О.Г. Миллера (разделы 5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.1.1, 5.2.2, 5.2.2.1, 5.2.2.2, 5.2.2.3, 5.2.2.4, 5.22.5, 5.2.2.6, 5.2.2.7), [А.В. Михайлова |(разделы 5.2.1.2, 5.10), А.В. Карнаухова (разделы 5.2.3, 5.2.3.1, 5.2.4), А.Е. Увина (разделы 5.4.3, 5.4.3.1, 5.4.3.2, 5.4.3.3), В.Н. Климова (раздел 5.5.2), В.А. Катаева (раздел 5.7), к.т.н. Д.Н. Ташлыкова (разделы 5.8, 5.8.1, 5.8.2, 5.8.3), Л.Г. Красинского (раздел 5.9), В.А. Волкова (разделы 5.12, 5.12.1, 5.12.2). В оформлении материалов принимали участие к.т.н. И.Р. Каминский, Н.Н. Миллер, В.С. Пермяков, Н.И. Рокка.

Глава 6 посвящена камерам сгорания ГТД. Рассматриваются вопросы их проектирования, конструктивные элементы и системы. Отдель­ ные разделы посвящены экспериментальной доводке камер сгорания, особенностям камер ГТД наземного применения. Материалы главы под­ готовлены под общим руководством А.В. Мед­ ведева Н.А. Андрюковым, к.т.н. А.Н. Василье­ вым, к.т.н. А.С. Беловым, к.т.н. В.А. Ташкиновым с участием А.И. Булатова и М.С. Хрящикова. В оформлении материалов принимали участие О.А. Делец, С.В. Норин, С.Н. Васильев, А.В. Бе­ лоногов, В.В. Кобелева.

В главе 7 рассматриваются вопросы проек­ тирования форсажных камер сгорания, их конс­ труктивные элементы и системы. Материалы главы подготовлены под общим руководством

A.В. Медведева |А.В. Серовым! с участием к.т.н.

B.А. Ташкинова, В.И. Максина. В оформлении при­ нимали участие И.Л. Степаненко и Е.В. Климова.

Глава 8 посвящена проектированию ави­ ационных и промышленных газовых турбин. Преимущественное внимание уделено авиаци­ онным турбинам, в которых в первую очередь

применяются передовые технические решения. Рассмотрены требования, конструктивные схе­ мы и методология проектирования турбин. Боль­ шое внимание уделено аэродинамическому про­ ектированию, вопросам теплового состояния

иохлаждения. Представлены конструкции ро­ торов и корпусов, рабочих и сопловых лопаток

исопловых аппаратов. Рассмотрены вопросы управления радиальными зазорами, герметиза­ ции проточной части. Отдельный раздел пос­ вящен особенностям турбин двигателей на­ земного применения. Значительное внимание

уделено перспективам развития конструкций и методов проектирования турбин. Материалы главы подготовлены под общим руководством

и редакцией В.К. Сычева В.А. Белкановым с участием С.В. Бажина (разделы 8.3, 8.6), к.т.н. В.Г. Латышева (раздел 8.3), Ф.Х. Низамутдинова (раздел 8.3), В.А. Трубникова (раздел 8.10). В оформлении принимали участие А.А. Швырев, М.Ю. Грязных, Е.К. Сероваева, А.Е. Швырева, С.Е. Ширинкина.

Глава 9 посвящена выходным устройствам (ВУ) ГТД. Рассмотрены различные виды ВУ: со­ пла, диффузоры, реверсивные устройства (РУ). Представлены материалы как по нерегулируе­ мым, так и регулируемым соплам (PC) - осесим­ метричным и плоским, соплам с управляемым вектором тяги и с уменьшенной «заметностью». Подробно описана конструкция PC двигателя Д-30Ф6. В разделе также подробно рассмотре­ на конструкция двигателя ПС-90А. Отдельный раздел посвящен приводам ВУ. В приложениях представлены материалы по одной из проблем PC - обеспечению аэродинамической устойчи­ вости (Приложение 1) и теории работы диффузорных ВУ (Приложение 2). Разделы 9.1, 9.2 под­ готовлены А.Я. Баяндиным, Г.М. Ефремовой

ик.т.н. В.Л. Сандрацким, разделы 9.3, 9.4, 9.5 - В.М. Шкалябиным и к.т.н. В.Л. Сандрацким, раз­ делы 9.6, 9.7 - [В.Г. Булатовым], Б.А. Ремезовским, В.С. Андреевым, раздел 9.8 - Д.Б. Бекуриным

иВ.Ю. Смирновым. Приложение 1 написано к.т.н. В.Л. Сандрацким, Приложение 2 - Д.Б. Беку­ риным. Иллюстративный материал подгото­ влен О.А. Умпелевой, В.В. Вагановым, А.В. Чу­ диновым, М.Ю. Пашковой, В.В. Махнутиным, М.А. Гриневым, А.Ю. Ждановым. Материалы главы подготовлены под руководством А.П. Ве­ дерникова.

Том 3 содержит 7 глав - с 10-й по 16-ю. Глава 10 посвящена зубчатым передачам

и муфтам в ГТД. В частности, рассмотрены вопросы проектирования зубчатых передач цент­ рального привода, коробок приводов агрегатов, редукторов ТВД и вертолетов. Отдельный раз­ дел посвящен муфтам, используемым в ГТУ. Материалы главы подготовлены Н.П. Трушниковым с участием Р.К. Хисматулиной и Л.А. Сацкого. Иллюстрации подготовлены Д.Н. Внутских, А.В. Ермаковым, Н.А. Пичужкиным, В.Е. Хроминым, Р.З. Хасановым и Я.Ю. Сажиной.

Глава 11 посвящена пусковым устройс­ твам. Рассмотрены различные типы пусковых устройств, их характеристики и конструкция, а также конструкция их узлов: заслонок, редукто­ ров, муфт. Отдельный раздел посвящен особен­ ностям пусковых устройств ГТД наземного при­ менения. Раздел подготовлен М.В. Чепкасовым с участием В.Н. Веселова. Подготовка иллюстра­ ций выполнена А.Б. Рыжовым.

The book describes the first step of gas turbine engine makinggas turbine engine design, and contains the information on engine and its modules configurations and structure; systems, maintaining its operation; gas dynamics, thermal and durability analysis as a part of the design process and its automation as well.

First of all the book is intended to be used by students as an educational supply for the course «Gas Turbine Engines», though it would be also useful for young specialists of experimental design bureaus.

The book was prepared with the assistance of many «Aviadvigatel» OJSC experimental design bureau specialists. Due to the practical support of

N.L. Koksharov the co-work of such a huge team became possible. Special thanks to: Alexia Attali (Communication Divisions Snecma Moteurs) for the MSB-engine documents; Cynthia Dumal (Honey­ well Product Information) for the Honeywell engines illustrations; Margaret Fletcher (Jet Engine Administrator, Rolls-Royce pic) for being so kind to permit the authors to use the illustrations from the brilliant Rolls-Royce pic book «The Jet Engine»; our colleagues from the «Plant named after V. J. Klimov» Federal Unitary Scientific Production Enterprise for the TV3-117 and 2500 engines illustrations. The overall design of the book is performed by I.M. Sokolova.

Глава 5. Компрессоры ГТД

Точка Кй1 (РКаа, ТКлл) характеризует состояние воздуха на выходе из компрессора при адиабати­ ческом сжатии.

Точка К (Рк, Тк) характеризует состояние воз­ духа на выходе из компрессора.

Реальный процесс сжатия осуществляется од­ ним из основных узлов ГТД - компрессором (рис. 5.1).

Работу компрессора характеризуют следую­ щие основные параметры:

- расход воздуха G (кг/с) - определяется ко­ личеством воздуха, прошедшим через компрес­ сор за одну секунду;

- степень повышения полного давления

вкомпрессоре я* - отношение давления затормо­ женного потока воздуха на выходе из компрессо­ ра к давлению заторможенного потока на входе

вкомпрессор я* =Р^ /Р *;

- адиабатический КПД - определяется как отношение полезной адиабатической работы, затраченной на сжатие и проталкивание воздуха в компрессоре, к полной подведенной к компрессору работе = 1 ^ /1 ^ .

Адиабатический КПД на расчетном режиме для отдельных ступеней осевых компрессоров составляет 0,89...0,92, а для многоступенчатых компрессоров 0,85...0,87.

Степень повышения полного давления в мно­ гоступенчатом компрессоре равна произведению степеней повышения давления отдельных его ступеней и определяется по формуле

Як *Я,- *7СЛ.

Чем выше степень повышения давления в ка­ ждой ступени и чем больше число ступеней, тем выше степень повышения давления в компрес­ соре.

5.1. Требования, предъявляемые к компрессорам

Компрессор - часть ГТД, степень аэродина­ мического и конструктивного совершенства ко­ торого в значительной мере определяют мощ­ ность (тягу), экономичность, габаритные разме­ ры, массу, надежность и ресурс двигателя. К компрессору предъявляются те же требования, что и к двигателю (см. подразд. 2.3).

Помимо общих требований предъявляются

инекоторые специфические:

-обеспечение заданного секундного расхода воздуха;

-обеспечение заданной степени повышения давления;

ю

-обеспечение устойчивой, т.е. без помпажа

ипульсации, работы в широком диапазоне часто­ ты вращения ротора.

Требования к газодинамическим параметрам компрессора (необходимые по режимам расход воздуха, степень повышения давления, коэффи­ циент полезного действия и др.) определяются, исходя из термодинамического расчета двигате­ ля. При этом рассматривается взаимная работа узлов двигателя (камеры сгорания, турбины, вы­ ходного устройства) на различных режимах ра­ боты двигателя. Определенные таким образом

основные параметры компрессора заносятся в технические условия на создание двигателя.

5.2. Методология создания компрессоров

Создание компрессора связано с созданием двигателя в целом, поэтому этапы проектирова­ ния компрессора входят как составная часть в из­ вестные стадии разработки ГТД:

-разработка технического задания;

-разработка технического предложения;

-выполнение эскизного проекта;

-выполнение технического проекта;

-разработка конструкторской документации. Подробнее см. подразд. 2.5.

5.2.1.Типы компрессоров

5.2.1.1.Осевые компрессоры

Осевой компрессор состоит из входного на­ правляющего аппарата (ВНА) 5 и нескольких вен­ цов последовательно чередующихся в осевом на­ правлении рабочих лопаток 2, установленных на вращающемся роторе 1 и направляющих лопа­ ток 3, закрепленных в корпусе компрессора 4 (рис. 5.3). Совокупность одного венца рабочих ло­ паток и следующего за ним венца направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Рабо­ чие лопатки одной ступени, установленные в дис­ ке, называют рабочим колесом (РК), направляю­ щие лопатки одной ступени, закрепленные в кор­ пусе, называют направляющим аппаратом (НА).

В осевом компрессоре направление движе­ ния воздуха, в основном, осевое. В каналах, об­ разованных рабочими лопатками, к воздуху подводится механическая энергия от турбины, в результате чего давление и скорость воздуха увеличиваются. В расположенном за рабочими лопатками НА кинетическая энергия воздуха преобразуется в потенциальную, т.е. за счет снижения скорости потока воздуха повышается его давление. НА обеспечивает также опреде­ ленное направление потока при вхождении его