книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок

Глава 5. Воздушные системы ГТД

опоры №2 и №3 расположены в горячих зонах дви­ гателя и, следовательно, нуждаются в той или иной степени интенсивном охлаждении. Приняв во вни­ мание изложенное, а также рассмотренные выше подходы к выбору схем наддува и охлаждения от­ дельных опор, выберем наиболее приемлемую схе­ му наддува и охлаждения для каждой опоры на­ шего двигателя. Очевидно, что для «холодной» опоры №1 (с учетом возможного разрежения на входе в двигатель и соответственно в полости П1 на низких режимах работы) наиболее подходящей будет схема типа 2 (см. рис. 5.16, б). Для «горячих» и, следовательно, нуждающихся в охлаждении опор №2 и №3, очевидно, будет необходимо выб­ рать схему типа 3 (см. рис. 5.16, в).

Воздух в полости наддува опор подведем из-за первой ступени компрессора, где параметры в ГВТ (при Р*ст « 1,2) будут близки к требуемым для обес­ печения наддува охлаждения при заданных рабочем давлении в масляных полостях и типе уплотнений опор. При необходимости можно будет предпринять снижение давления этого воздуха путем дроссели­ рования в жиклере Ж. Дренажные полости опор №2 и №3 сообщим с атмосферой и на этом будем счи­ тать построение системы наддува и охлаждения опор нашего двигателя завершенным (см. рис. 5.18).

Примечание: Полость наддува и дренажная по­ лость опоры №3, изображенные нарис. 5.18, име­ ют большиеразмеры в сечении, чем соответству­ ющие полости опорыN92. Это связано с необходи­ мостью пропуска большего расхода воздуха по указанным полостям опоры М3 для отвода оче­ видно существенно больших, чему опоры М2 вне­ шних тепловых потоков.

Отличительной чертой построенной нами сис­ темы является то, что давление в полостях надду­ ва всех опор поддерживается примерно на одина­ ковом и при этом на относительно низком уровне.

Условно подобные системы можно отнести к сис­ темам наддува и охлаждения опор, выполненным по схеме с низким давлением в полостях наддува. Ва­ риант общего построения системы наддува и охлаж­ дения опор авиационного ТРДЦ, выполненной по схеме с низким давлением в полостях наддува опор приведен на рис. 5.19.

В вышеприведенной системе наддув лабиринт­ ных уплотнений как передней, так и задней мас­ ляных полостей осуществляется воздухом, отби­ раемым из-за КНД. Дренажные полости задней опоры сообщаются с ГВТ в сечении за ТНД, а так­ же с областью низкого давления за срезом сопла. Суфлирование обеих масляных полостей осуще­ ствляется через полость вала ротора низкого дав­ ления на срез сопла.

Типичным представителем систем, выполнен­ ных по схеме с низким давлением в буферных

полостях, является также система наддува уплотне­ ний и охлаждения опор авиационного ТРДЦ ПС-90А (см. рис. 5.20).

Для наддува уплотнений и охлаждения опор ис­ пользуется воздух, отбираемый из ГВТ в сечении за КНД двигателя. Наддув уплотнений всех опор за исключением опор шарикоподшипника КВД, ро­ ликоподшипника ТВД и переднего уплотнения ро­ ликоподшипника ТНД осуществляется по схеме типа 2 (см. рис. 5.16, б), наддув опор шарикопод­ шипника КВД и роликоподшипника ТВД - по схе­ ме типа 3 (см. рис. 5.16, в), при этом:

-воздух для наддува уплотнений опор шарико­ подшипника вентилятора, шарикоподшипника КВД, роликоподшипника ТВД и роликоподшипни­ ка ТНД подводится из полости отбора 1 раздели­ тельного корпуса,

-воздух для наддува уплотнения опоры роли­ коподшипника КВД подводится непосредственно из ГВТ по каналу 2 в разделительном корпусе,

-воздух для наддува уплотнений опоры ролико­ подшипника ТНД подводится из системы охлажде­ ния ТНД, при этом наддув переднего уплотнения осуществляется по типу 1 (см. рис. 5.16, а).

-воздух для наддува уплотнения опоры роли­ коподшипника вентилятора (межвального уплот­ нения) подводится из межвальной полости 3.

Общая дренажная полость 4 опор шарикопод­ шипника КВД и роликоподшипника ТВД сообща­ ется с каналом наружного контура двигателя.

Основным преимуществом систем наддува и ох­ лаждения опор, выполненным по схеме с низким давлением в полостях наддува, является их отно­ сительная простота и высокая надежность. К их недостаткам можно отнести повышенные потери вторичного воздуха, связанные с утечками в дре­ нажную полость, особенно из смежных полостей

свысоким давлением, а также довольно значитель­ ные внешние габариты опор. По упомянутым при­ чинам, подобные системы в настоящее время на­ ходят наибольшее применение на двигателях, имеющих компоновку с расположением задних опор ротора высокого давления в полостях с уме­ ренным давлением, как, например, уже рассмотрен­ ная выше система наддува опор двигателя с меж­ роторной опорой (см. рис. 5.19) и т.п.

Недостатков, присущих системам, выполнен­ ным по схеме с низким давлением в полостях над­ дува, в значительной степени лишены системы, вы­ полненные по схеме, исключающей необходимость введения в конструкцию опор дренажных полос­ тей.

Попытаемся так изменить схему системы надду­ ва и охлаждения опор нашего условного двигателя, чтобы исключить дренажную полость, например, у опоры №2 (т.е. организовать наддув уплотнений

132

Глава 5. Воздушные системы ГТД

этой опоры по типу 2) (см. рис. 5.16, б). Для осуще­ ствления нашего намерения нам, как минимум, бу­ дет необходимо:

1.Подвести в полость наддува воздух с давле­ нием, большим, чем давление в полости П2 (Р*п, * 10 кгс/см2). В нашем случае - большим 10 кгс/см2, и с температурой, не превышающей предельно-допустимую по условиям термоста­ бильности масла (т.е. не более 250° С).

2.Обеспечить заданный уровень давления в мас­ ляной полости (Рш = 1 кгс/см2) при значительно по­ вышенном по сравнению с исходным вариантом дав­ лении воздуха в полости наддува. Чтобы выполнить первое требование, подведем в полость наддува воз­ дух из ГВТ, отобрав его в сечении за компрессором (Р*к ~ 12 кгс/см2). Охлаждение этого воздуха до тре­ буемой температуры выполним в воздухо-воздуш­ ном теплообменнике (ВВТ), где в качестве охлаж­ дающего воздуха используем, например, воздух, по­ ступающий с набегающим потоком. Для выполнения второго требования нам, скорее всего, придется от­ казаться от лабиринтных уплотнений и применить наиболее подходящие для этих условий контактные торцовые уплотнения, работающие в режиме гра­ ничного трения [5.11]. «Новая» система наддува

иохлаждения опор нашего двигателя изображена на рис. 5.21.

Подобные системы условно можно отнести к си­ стемам наддува и охлаждения опор, выполненным по схеме с разным (или дифференцированным) дав­ лением в полостях наддува. Вариант общего по­ строения системы наддува и охлаждения опор авиационного ТРДЦ, выполненной по схеме с диф­ ференцированным давлением в полостях наддува, приведен на рис. 5.22.

Вэтой системе наддув уплотнений передней

изадней масляных полостей осуществляется воз­ духом, отбираемым из-за КНД. Наддув межвального уплотнения осуществляется воздухом, отбираемым из-за средней ступени КВД через специальный ка­ нал, выполненный в роторе. Наддув уплотнений средней масляной полости осуществляется возду­ хом, отбираемым из-за КВД и охлаждаемым в ВВТ, продувка которого осуществляется воздухом наруж­ ного контура. Преимуществами систем наддува

иохлаждения опор, выполненным по схеме с диф­ ференцированным давлением в полостях наддува, являются высокая эффективность использования вторичного воздуха, относительная простота кон­ струкции опор и существенно меньшие, чем в схе­ мах с низким давлением внешние габариты охлаж­ даемых опор (особенно расположенных в полостях с высоким давлением окружающей среды). К их недостаткам можно отнести более высокую сто­ имость и повышенные требования к качеству из­ готовления и сборки узлов контактных уплотне­

ний, повышенные потери в канале наружного контура, связанные с установкой ВВТ. Несмот­ ря на отмеченные недостатки, подобные систе­ мы в силу высокой эффективности использова­ ния вторичного воздуха находят применение на ряде эксплуатируемых и вновь разрабатываемых двигателей, имеющих компоновку с расположе­ нием задних опор ротора высокого давления в по­ лостях с относительно высоким давлением окру­ жающего опору воздуха, например, в зоне камеры сгорания перед ротором ТВД.

Уменьшение перепада давления на уплотнени­ ях масляных полостей этих опор (с целью увеличе­ ния ресурса контактных торцовых уплотнений или применения более надежных бесконтактных уплот­ нений) может быть достигнуто за счет регулирова­ ния давления в масляной полости опоры в зависи­ мости от режима работы двигателя. При этом, однако, происходит соответствующее усложнение конструкции масляной системы [5.12].

5.4.3. Противообледенительная система (ПОС)

ПОС ГТД рассмотрим на примере ВС обогрева воздухозаборника, кока и приемников температу­ ры и давления на входе в двигатель с целью защи­ ты их от обледенения ТРДЦ ПС-90А (см. рис. 5.23).

Воздух, предназначенный для обогрева упомя­ нутых элементов конструкции отбирается в зави­ симости от режима работы двигателя от 6-й или 13-й ступеней КВД. Переключение ступеней от­ бора в зависимости от частоты вращения ротора КВД осуществляется распределительным устрой­ ством 1 по командам САУ двигателя. (Описание и работа агрегатов, предназначенных для регули­ рования воздушных потоков, рассматриваются в разд. 5.7).

Необходимый уровень давления в системе под­ держивается автоматическим регулирующим уст­ ройством 2. Включение подачи воздуха на обогрев в условиях возможного обледенения осуществля­ ется заслонкой 3 по команде бортовой системы управления самолета.

5.4.4. Система кондиционирования воздуха

Система кондиционирования воздуха на авиа­ ционных ГТД представлена, как правило, своим начальным участком, в функции которого входит отбор и в ряде случаев (как, например, на рассмат­ риваемом ниже примере ТРДЦ ПС-90А) регулиро­ вание расхода и температуры отбираемого воздуха. Начальный участок СКВ по этой причине иногда носит название «Система предварительного охлаж­ дения воздухаСЛОВ». Схема системы отбора воз­ духа от компрессора ТРДЦ ПС-90А на СКВ само-

136

летов Ту-204 и Ил-96-300 приведена на рис. 5.24. Отбор воздуха в систему осуществляется от 7-й ступени КВД (на самолете Ту-204 на низких режи­ мах работы двигателя этот отбор производится от 13-й ступени КВД, что обусловлено спецификой СКВ двухдвигательного самолета).

Регулирование расхода воздуха, отбираемого

вСКВ, производится запорно-регулирующими ус­ тройствами по командам бортовой системы управ­ ления самолетов. Далее воздух, поступающий

вСКВ охлаждается в установленном на корпусе двигателя ВВТ и далее по трубопроводу поступа­ ет непосредственно в систему самолета. Охлажде­ ние воздуха в ВВТ осуществляется за счет продув­ ки последнего воздухом, отбираемым из наружного контура двигателя.

Из трубопровода отбора от 7-й ступени в СКВ также производится отбор воздуха на наддув бака гидросистемы самолета Ил-96-300.

5.4.5. Система активного управления зазорами

Схема системы активного управления радиаль­ ными зазорами (САУРЗ) КВД и турбины приведе­ на на рис. 5.25. Подача воздуха на охлаждение кор­ пусов КВД и турбины на соответствующих режимах работы двигателя осуществляется по трем линиям: линия 1 предназначена для охлаждения корпусов КВД, линии 2 и 3 соответственно для ох­ лаждения корпусов турбины. Линия 3 обеспечи­ вает дополнительное охлаждение корпусов турби­ ны на крейсерском режиме, на всех остальных режимах подача воздуха по этой линии не произ­ водится.

Включение подачи воздуха на охлаждение кор­ пусов КВД и турбины осуществляется заслонка­ ми 4 по командам САУ двигателя.

5.4.6. Системы внешнего охлаждения ГТД

Системы внешнего охлаждения ГТД, как и сле­ дует из их определения, предназначены для охлаж­ дения ГТД, работающих в замкнутом пространстве, например, в отсеках ГПА, ГТЭС или машинных от­ делений кораблей, где по условиям объекта приме­ нения эти ГТД должны быть помещены в шумотеп­ лоизолирующие кожухи. Кроме этого, системы внешнего охлаждения обеспечивают вентиляцию пространства под упомянутыми кожухами с целью предотвращения скопления в нем паров масла, топ­ лива и т.п.

Охлаждение ГТД в отсеке осуществляется воз­ духом, который поступает из окружающей среды, омывает горячие поверхности корпусов двигателя и отводится за пределы отсека. Продувка внутрен­ него пространства кожухов осуществляется за счет

5.4. Работа локальных ВС

вентиляторов, которые могут устанавливаться как на входных, так и на выходных воздуховодах, обес­ печивая внутри кожуха избыточное давление или разрежение.

В некоторых случаях продувка кожухов может также осуществляться за счет эжекции воздуха струей выхлопных газов двигателя. При проекти­ ровании систем внешнего охлаждения ГТД необ­ ходимо обращать особое внимание на обеспечение равномерного обдува горячих корпусов во избежа­ ние возникновения недопустимых температурных деформаций последних.

5.4.7. Системы внешнего обогрева ГТД

При низких температурах окружающего возду­ ха -15...-20° С и ниже перед запуском «холодно­ го» двигателя выполняют его обогрев теплым воз­ духом с целью повышения температуры масла. Это необходимо для обеспечения нормальных условий работы подшипников (исключение проскальзыва­ ния тел качения). Одновременно с маслом подогре­ вается топливо, что улучшает его пусковые свой­ ства. В основном для подогрева используют передвижные аэродромные подогреватели, от ко­ торых теплый воздух с температурой 85.. .90° С по рукавам подается в газовоздушный тракт и в мо­ тогондолу двигателя. Двигатель считается прогре­ тым, если температура масла после холодной про­ крутки составляет 5... 10° С. Продолжительность обогрева зависит от температуры окружающего воздуха и скорости ветра и может составлять от 15...20 минут до 1,5...2 часов.

Для уменьшения трудоемкости работ по обогре­ ву двигателя и времени на их выполнение, а также для повышения мобильности самолета на двига­ тели могут устанавливаться автономные системы воздушного обогрева. Одна из применяемых схем представлена на рис. 5.26.

Система обеспечивает обогрев агрегатов и тру­ бопроводов в мотогондоле двигателя. В состав си­ стемы входит эжектор 3, электромагнитный кла­ пан 6, трубопроводы 4 и 7 и электропроводка 5. Для введения системы в действие производится запуск ВСУ и открывается электромагнитный кла­ пан 6. Горячий воздух, отбираемый от ВСУ, по ма­ гистрали 8 питания воздушного стартера 2 и тру­ бопроводам 4 и 7 поступает к активному соплу эжектора 3. Эжектор подсасывает «холодный» воздух из мотогондолы, подогревает его, смеши­ вая с «горячим» воздухом, и уже «теплый» воздух возвращает в мотогондолу. Обтекая коробку при­ водов У, маслобак, масляные и топливные агрега­ ты и трубопроводы, теплый воздух обеспечивает повышение температуры масла и топлива. По за­ вершению обогрева электромагнитный клапан

139