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

Taurus 60, Taurus 70, Titan 130) и фирмы Siemens (ФРГ) в классе мощности 4...7 МВт (модели Typhoon, Tornado). Схема подобной модерниза­ ции показана на рис. 3.31 на примере проекта одновального ГТД ОАО «Авиадвигатель» на ба­ зе двигателя ГТУ-12П, выполненного по схеме со свободной турбиной.

Схема со свободной турбиной (с одновальным и двухвальным газогенератором) широ­ ко применяется в ГТД различного назначения. Она часто используется в ГТД, разработанных на базе авиационных, как правило - многовальных, прототипов. По данной схеме выполне­ но большое количество моделей ГТД в классе мощности от 0,5 до 51 МВт. Наибольшая мощ­ ность 51 МВт реализована в энергетическом ГТД фирмы General Electric LM5000STIG, ра­ ботающем по циклу с впрыском пара.

3.2.3. ГТД со «связанным» КНД

Схемы ГТД со «связанным» КНД показаны на рис. 3.32. В отличие от рассмотренных выше схем со свободной турбиной, в которых количес­ тво каскадов турбины всегда на единицу больше, чем количество каскадов компрессора, в схеме со «связанным» КНД количество каскадов комп­ рессора и турбины одинаково. Для привода КНД используется СТ, а ТНД отсутствует. Данная схе­ ма позволяет существенно удешевить многовальные ГТД из-за исключения одного каскада турби­ ны, уменьшения количества опор, подшипников и уплотнений.

Схема со «связанным» КНД удобна для кон­ версии многовальных авиационных ТРДД с высо­ кой степенью двухконтурности в промышленные ГТД, поскольку позволяет максимально исполь­ зовать материальную часть базовых двигателей. В данном случае используется не только газогене­ ратор, но и каскад НД базового двигателя с транс­ миссией. КНД базового ТРДД (вентилятор и под­ порные ступени) модифицируются для наземного применения, а турбина вентилятора используется и как силовая, и как привод КНД. Высокая степень унификации с базовым авиадвигателем позволяет дополнительно удешевить ГТД за счет увеличения серийности производства значительной части де­ талей или использования деталей базовых авиа­ двигателей, отработавших летный ресурс.

Схема со «связанным» КНД имеет возмож­ ность привода нагрузки как со стороны комп­ рессора, так и со стороны турбины. Как привод электрогенератора данная схема по точности под­ держания частоты вращения СТ занимает проме­ жуточное положение между схемами со свобод­ ной СТ и одновальной схемой.

3.2. Конструктивные схемы наземных и морских ГТД

Недостатки схемы - необходимость согласо­ вания характеристик КНД и загрузки, сложность обеспечения устойчивости КНД, особенно при ра­ боте СТ с постоянной частотой вращения в энерге­ тическом применении. Для обеспечения устойчи­ вости применяются поворотные ВНА и НА КНД и перепуск воздуха из-за КНД в атмосферу.

На рис. 3.32 показаны ГТД со «связанным» КНД - двухвальный ГТД LM6000 фирмы General Electric мощностью 43 МВт и трехвальный ГТД Trent фирмы Rolls-Royce мощностью 52 МВт, созданные конверсией базовых ТРДД по описан­ ной схеме. LM6000 имеет возможность привода нагрузки как со стороны турбины, так и со сто­ роны компрессора.

Схема со «связанным» КНД может быть ис­ пользована для модернизации (увеличения мощ­ ности) ГТД, выполненных по схеме со свобод­ ной турбиной путем подстановки КНД перед имеющимся компрессором. Привод КНД в этом случае будет от существующей свободной СТ. Конструкция базового ГТД должна иметь воз­ можность пропуска вала привода КНД внут­ ри вала газогенератора, а СТ должна допускать работу с увеличенным расходом газа или иметь возможность подстановки дополнительной сту­ пени на выходе. На рис. 3.33 показан пример подобной модернизации промышленного ГТД 601-К9 мощностью 6,5 МВт фирмы Rolls-Royce в более мощную модификацию 601-К11 мощнос­ тью 8 МВт путем подстановки КНД к базовому ГТД с приводом его от СТ.

3.2.4. Конструктивные особенности наземных ГТД различного назначения

В основном ГТД механического привода в на­ стоящее время выполняются по схемам со сво­ бодной турбиной и, значительно реже, - по схеме «со связанным» КНД. Для привода электрогене­ раторов используются все рассмотренные выше схемы. Однако мощные энергетические ГТД (Ne >60 МВт), которые используются на элект­ ростанциях для поддержания частоты тока в сети в базовом режиме, как правило, выполняются по одновальной схеме.

Конструкция собственно двигателя, предна­ значенного для механического и энергетичес­ кого привода, практически идентична. Отличия могут быть в конструкции трансмиссии, соеди­ няющей ГТД с нагрузкой, в узлах крепления ГТД, в системе топливопитания (если предус­ матривается работа на различных видах топли­ ва), в составе и расположении некоторых агре­ гатов систем двигателя, в программном обеспе­ чении САУ.

133

Глава 3. Конструктивные схамы ГТД

одновальный энергетический ГТД GT26 мощнос­ тью 260...280 МВт фирмы Alstom, выполненный по данной схеме. Дополнительная (вторая) КС расположена после первой ступени турбины. Для компенсации снижения КПД цикла в GT26 при­ менена повышенная степень сжатия я ’к = 30...32, реализованная в 22-ступенчатом однокаскадном компрессоре.

Двигатели, работающие по циклу с впрыском пара, оборудуются системой подачи пара в КС и, в ряде случаев, в тракт турбины. Часть пара, впрыскиваемого в КС, подается непосредственно в зону горения через объединенные топливно-па­ ровые форсунки для снижения эмиссии окислов азота (NOx). Это так называемый экологический впрыск, величина которого примерно равна рас­ ходу топлива. Основная часть пара впрыскивает­ ся обычно в диффузор КС и называется энерге­ тическим впрыском.

Контрольные вопросы

1.В чем достоинства и недостатки двухвальных схем ТРД перед одновальными?

2.В чем достоинства и недостатки схем ТРДД без смешения потоков и со смешением?

3.Почему ТРДД одновальной схемы не полу­ чили широкого применения?

4.Для чего предназначены подпорные ступе­ ни в ТРДД?

5.В чем основной недостаток трехвальных ТРДД? В чем достоинства?

6.Почему в двигателях высокой степени двухконтурности может оказаться выгодным редук­ торный привод вентилятора?

7.Почему не получила распространения схе­ ма ТРДД с задним расположением вентилятора?

8.Как и для чего может изменяться в зависи­ мости от режима полета степень двухконтурности ТРДД?

9.В чем состоит основной недостаток одно­ вальной схемы ТВД?

10.Что представляет собой схема двухвального ТВД со «связанным» КНД?

11.В чем особенности схем вертолетных ГТД?

12.Для каких летательных аппаратов предна­ значены подъемные двигатели?

13.В чем особенности требований к подъем­ ным двигателям?

14.В чем недостаток силовых установок на базе подъемно-маршевых двигателей с поворот­ ными соплами?

15.Как обеспечивается устойчивость и управ­ ление СВВП при взлете и висении?

16.В чем достоинства и недостатки одноваль­ ной схемы наземных ГТД ?

17.В чем достоинства и недостатки схемы на­ земных ГТД со свободной силовой турбиной?

18.В чем достоинства и недостатки схемы на­ земных ГТД с двухвальным турбокомпрессором?

19.В чем достоинства и недостатки схемы на­ земных ГТД со связанным КНД?

20.Для чего в некоторых конструкциях на­ земных ГТД предусматривается впрыск водяного пара в камеру сгорания?

Англо-русский словарь-минимум

architecture - схема (двигателя)

counter-rotational fan - биротативный вентилятор direct fan drive - прямой привод вентилятора engine - двигатель

bare engine - изолированный двигатель combustion engine - ГТД наземного применения installed engine - установленный двигатель

mixed flow engine - двигатель со смешением потоков separate flow engine - двигатель с раздельным истечением single-shaft engine - одновальный двигатель

twin-shaft (two-shaft) engine - двухвальный двигатель twin-spool core engine - двухкаскадный тур-бокомпрессор two-spool engine - двухкаскадный двигатель

varied cycle engine - двигатель изменяемого цикла free (power) - turbine свободная (силовая) турбина

gas turbine - ГТД наземного применения

geared fan drive - редукторный привод вентилятора heat exchanger - теплообменник

jopping combustor - выносная камера сгорания recuperator - рекуператор

single-rotation fan - однорядный вентилятор turbofan - ТРДД

turbofan with augmentor (afterburner) - ТРДДФ turbojet - ТРД

turbojet with augmentor (afterburner) - ТРДФ turboprop - турбовинтовой двигатель turboshaft - турбовальный двигатель

Список литературы

3.1.Теория воздушно-реактивных двигателей / С.М. Шляхтенко [и др.]. - М.: Машиностроение, 1975.

3.2.Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок / В.А. Шварц. - М.: Машиностроение, 1970.