книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства
.pdfсурсу) замковое соединение с лопатками. Замко вое соединение является самымточным поразме рам и самым трудоемким в производстве диска. Поломка замкового соединения ведет к обрыву рабочей лопатки, последующему повреждению других лопаток впроточной частиивынужденно му выключению двигателя в полете.
В целомприпроектированиидисканеобходимо найти эффективный компромисс между конструк тивной сложностью системы охлаждения, затрата ми энергоресурсов на охлаждение, свойствами применяемогоматериала, массойистоимостьюпо лучаемогодиска. Основнойцелью проектирования (при выполнении всех нормативных запасовпроч ности) являетсяобеспечениенеобходимого цикли ческого ресурса диска. Циклический ресурс диска определяет величину той части стоимости техни ческого обслуживания, которая затрачивается на замену так называемых деталей «ограниченного циклического ресурса» (Life Limited PartsLLP) -
впервую очередь дисков, а также дефлекторов и промежуточных дисков.
Обеспечение циклического ресурса, т.е. запаса прочности по малоцикловой усталости, является
внастоящее времяглавной задачейпри конструи ровании диска. Для решения этой задачи модели
руется изменение по времени (т.е. в нестационар ной постановке) механических напряжений
ираспределения температур в деталях ротора
втечение одного рабочего (полетного) цикла. За дача решается методом итераций - путем после довательных проверок циклического ресурса различных вариантов конструкции (методом ко нечных элементов) - с изменением конфигура ции, материала, температуры. При оптимизации конфигурации диска и других деталейротора ис ключаются или ослабляются концентраторы на пряжений - те места, в которых располагаемый циклический ресурс минимален.
Основная часть расчетов проводится в пред положении об осевой симметрии основных дета лей, что является достаточно близким к истине предположением. Моделирование теплового со стояния и напряжений в осесимметричной поста новке эффективно по соотношению результатив ности и трудоемкости. Окончательная оптимиза ция конструкции диска (особенно его фланцевых соединений и замковой части) проводится в пол ной пространственной постановке - с моделиро ванием распределения нестационарных темпера тур и напряжений вспециальновыделенныхпро странственных элементах конструкции.
Все эти расчеты проводятсядляротора в целом
-дляучетавзаимодействиядеталейвовремярабо ты, котороеиграеточеньважнуюроль. Крометого, все упомянутые деталироторадолжны иметь оди
8.4. Роторы турбин
наковый ресурс для того, чтобы их можно было за менить одновременно, без дополнительной отправки двигателя в ремонт. При этом упрощает ся и отслеживание ресурса в эксплуатации с плани рованием технического обслуживания.
Максимальная достигнутая величина цикли ческого ресурса ротора ТВД составляет 20000.. .25000 циклов. В роторе ТНД может быть достигнуто более высокое значение циклическо го ресурса, но с учетом необходимости согласо вания этого ресурса с ресурсом роторных дета лей ТВД увеличение на 5000 циклов только для ТНД уже не имеет практического значения.
8.4.1.2. Роторы ТВД
Ротор двухступенчатой ТВД ПС-90А2 (рис. 8.83). Конструкцию этого ротора можно счи тать во многом типичной для современных авиа ционных ТВД по основным характеристикам:
-крепление дисков к валу (передача крутя щего момента) болтовыми и шлицевыми соеди нениями;
-защита дисков дефлекторами и промежу точными дисками от газового потока из проточ ной части;
-соединения типа «пушечного замка» для крепления дефлекторов и промежуточных дис ков к основным дискам;
-наружное охлаждение дисков и замковых соединений за счет закрытия (наддува) охлаж дающим воздухом осевых зазоров между рото ром и статором;
-использование нескольких источников ох лаждающего воздуха (от разных ступеней ком прессора);
-аппарат закрутки для подачи охлаждающе го воздуха в ротор;
-цилиндрическая проточная часть над бесполочными рабочими лопатками (для исключе ния влияния осевых перемещений ротора на ра диальный зазор);
-крепление лопаток к дискам посредством елочных замков.
Диск 1 первой ступени и диск 2 второй ступе ни крепятся к валу 3 с помощью болтовых флан цевых соединений соответственно с валом 4 и пе реходником 5. Переходник передает окружное усилие на вал с помощью шлицевого соединения
6.Рабочие лопатки 7 и 8 крепятся к дискам по средством замковых соединений 9 и 10 елочного типа. Проточная часть над бесполочной 1РЛ ци линдрического типа.
Передний дефлектор 11 защищает от газа диск 1и замковое соединение 9, а также уплотня ет систему подвода воздуха из аппарата закрутки 12 (лопаточной решетки для разгона и закрутки
231
Глава 8. Турбины ГТД
16
Рис. 8.83. Продольный разрез ротора ТВД ПС-90А2:
1 - диск первой ступени; 2 - диск второй ступени; 3 - вал ТВД; 4 - фланец вала ТВД;
5 - переходник; 6- шлицы; 7 - рабочая лопатка первой ступени; 8 - рабочая лопатка второй ступени; 9,10 - замковое соединение первого и второго диска; 11 - дефлектор первого диска;
12 - аппарат закрутки; 13 - лабиринт; 14 - промежуточный диск; 15 - кольцевой канал;
16- 2СА; 17- полость под 2СА; 18 - дефлектор второго диска; 19 - полость за ТВД; 20 - вал ТНД
охлаждающего воздуха в направлении вращения |
Промежуточный диск 14 служит для уплотне |
|
диска) к рабочей лопатке 7. Дефлектор 11 кре |
ния радиального зазора под 2СА 16 от перетечки |
|
пится к фланцу диска болтами и к ободу - так на |
газа, атакже защиты внутренних полостей ротора |
|
зываемым «пушечным замком». Снаружи замко |
от потока тепла из проточной части. Обод проме |
|
вое соединение 9 |
охлаждается утечкой воздуха |
жуточного диска, а также замковые соединения 9 |
из лабиринта 13 |
дефлектора 11. Этот расход |
(сзади) и 10 (спереди) защищены от газа охлаж |
и надцувает осевой зазор между 1СА и 1РК. Сту |
дающим воздухом, подаваемым в полость 17 че |
|
пица диска 1 первой ступени, промежуточный |
рез внутренние полости лопаток 2СА. Это воздух |
|
диск 14 и диск 2 второй ступени, атакже рабочая |
промежуточной (за 3 до выхода) ступени КВД. |
|
лопатка 8 охлаждаются воздухом промежуточ |
Дефлектор (лабиринт) 18 диска второй ступе |
|
ной (затри ступени до выхода) ступени КВД, по |
ни уплотняет полость за диском от утечки в про |
|
даваемым по каналу 15. |
точную часть воздуха, заполняющего полость 19 |
232
Глава 8. Турбины ГТД
относительно низким уровнем температуры газа и возможностью использования бандажа для борьбы с вибрациями.
Ротор двухступенчатой ТВД CF6-80C2 (GE Aircraft Engines) (рис. 8.84). Конструкция этого ротора имеет ряд особенностей:
-болты 28 в ободе первого диска 14 для кре пления переднего дефлектора29, промежуточно
го лабиринта 20 и двух промежуточных кониче ских дисков 19;
-болты30 вободе второго диска24 длякреп
ления промежуточного лабиринта 20 и заднего дефлектора 31;
-передача крутящего момента от диска 24
кдиску 14 коническими дисками 19 и промежу
точным лабиринтом 20;
- передача крутящего момента от ротора к валу 32 ТВД с помощью необычно длинного фланца 33 диска 14 и шлицевого соединения 34
(увеличенная длина затрудняет изготовление, но удаляет шлицы - как концентраторы напряже ний - от диска);
-ротор (первый диск, основная часть второ го диска, рабочие лопатки) охлаждается возду хом из-за КВД; отказ от использования промежу точной ступени КВД упростил конструкцию, но увеличил температуру дисков и 2РЛ;
-охлаждающий воздух поступает в ротор че рез аппаратзакрутки 8, выполненный не в осевом
(как обычно), а в радиальном направлении;
-полость 13 охлаждается дозированнымрас ходом воздуха через отверстия 15, что позволяет
надежно контролировать расход;
-задняя часть диска 24 и дефлектор 31 охла
ждаются подачей воздуха промежуточной седь мой ступени КВД через ЗСА 27 ТНД.
Для охлаждения валов и масляной полости подшипника используются промежуточные от боры в компрессоре. Полость 35 между ротором
ТВД и валом ТНД продувается относительно хо лодным воздухом из-за КНД, что позволяет хо рошо охлаждать вал ТВД и масляную полость. Промежуточный лабиринт 20 охлаждается воз
духом 11-й ступени КВД (за три ступени до вы хода из КВД), который подается через 2СА 22
ТВД (аналогично ПС-90А2). Обе рабочие лопат ки ТВД не имеют бандажных полок.
Ротор 2-ступенчатой ТВД V2500 (P&W) (рис. 8.85). Конструкция ротора ТВД V2500 явля ется одной из наиболеедолговечных (ресурс 20000 циклов) и производимых в массовом масштабе конструкций. Онаимеетрядособенностейпоотно шению к рассмотренным выше роторам ТВД:
-оба диска - первой ступени 1 и второй сту пени 2 имеют соответственно длинные фланцы 3
и4 со шлицами 5 для крепления к валу;
Рис. 8.85. Ротор ТВД двигателя V2500 (Pratt&Whitney):
1 - диск первой ступени; 2 - диск второй ступени; 3 - фланец первого диска; 4 - фланец второго диска; 5 - шлицы; 6 - передний дефлектор; 7 - «пушечный» замок;
8 - промежуточный диск; 9 - задний дефлектор второго диска
- дефлектор 6 первого диска имеет сложную форму и крепится к диску «пушечным» замком 7; сложная форма дефлектора обеспечивает мини мальные потери давления охлаждающего воздуха.
Конструкции промежуточного диска 8 и зад него дефлектора 9 второго диска принципиально одинаковы с ПС-90А2.
Принципиальная конструкция «пушечного» замка показана на рис. 8.86. Фланец диска имеет выступы 1 и пазы 2 между ними. Выступы 3 фланца дефлектора заводятся в пазы и последую щим поворотом вводятся в зацепление с высту пами 1. В этом положении дефлектор фиксирует ся от поворота болтовым соединением или пла стинчатыми контровками.
Конструкцию ротора одноступенчатой ТВД целесообразно рассмотреть на примере ТВД CFM56 (GE Aircraft Engines) как самой успешной и распространенной в мире конструкции, а также на примере ТВД PW6000 (Pratt&Whitney) как са мой современной конструкции, реализованной с целью минимизации производственной себе стоимости и стоимости обслуживания.
234
Рис. 8.90. Ротор ТНД двигателя PW6000 (разработка
компании MTU):
1 - диски; 2 - фланец диска; 3 - болтовое соединение; 4 - удлиненный фланец диска;
5 - шлицы; 6 - вал ТНД; 7 - дефлектор;
8 - замковое соединение; 9 - полость ротора ТНД; 10 - вал ТВД; 11 - осевой зазор;
12 - балансировочные грузы; 13 - раз1рузочная полость
вых соединениях 9 и лабиринтах 8 охлаждает замковые соединения дисков.
Отсутствие ограничений на массу дисков по зволило выполнить диски с достаточным запа сом прочности для возможной раскрутки ротора, применить более дешевые материалы и унифи цировать конструкцию дисков.
Ротор силовой турбины промышленного дви гателя GT10C (см. рис. 8.88). Полезная мощность 29 МВт, частота вращения 6500 об/мин. Двига тель предназначен для механического привода
ипривода электрогенератора (через редуктор). Ротор СТ имеет два диска 17, стянутые бол
том 18, который одновременно крепит диски к фланцу диска 19 и с обоих концов затянут гай ками 20 к 21. Ротор не имеет дефлекторов и про межуточных дисков. Уплотнение радиального зазора по внутреннему кольцу соплового аппара та реализуется с помощью лабиринтов 22, выпол
8.4. Роторы турбин
ненных заодно с дисками на удлиненных флан цах 23 и 24. Ротор СТ не охлаждается.
Обе рабочие лопатки имеют бандажные полки очень малого размера (под один гребешок лаби ринтного уплотнения), предназначенные в основ ном для контроля вибронапряжений в лопатках.
8.4.1.4. Примеры доводки и совершенствования роторов
Модернизация ротора ТВД CF6-80C2 для увеличения циклического ресурса. Конструк ция ротора ТВД CF6-80C2 (см. рис. 8.84) имеет долгую историю доводки в эксплуатации и дос тигла ресурса в 15 000 циклов. Модернизация (рис. 8.92) была предпринята с целью увеличения ресурса до 20 000 циклов (это оказалось необхо димо для уменьшения стоимости эксплуатации двигателя на коротких маршрутах).
Как видно из сравнения (см. рис. 8.84 и рис. 8.92), основными мероприятиями по уве личению циклического ресурса являются:
-исключение отверстий под болты 28 и 30 (см. рис. 8.84) в ободных частях дисков (это ме роприятие ликвидировало значительные концен траторы напряжений);
-замена лабиринтных уплотнений 29 и 31 (см. рис. 8.84), которые крепились болтами, де флекторами / и 2 (см. рис. 8.92);
- замена промежуточного лабиринта 20 (см. рис. 8.84), который через болты передавал свою центробежную нагрузку дискам, полноцен ным промежуточным диском 3 (см. рис. 8.92) (этот диск имеет ступицу и сам несет свою центробеж ную нагрузку, уменьшая нагрузку на основные диски);
- использование для дисков и дефлекторов нового материала с улучшенными прочностны ми характеристиками.
Как видно из сравнения, длина переднего фланца 33 (см. рис. 8.84) диска первой ступени (имеющего шлицы для крепления к валу) практи чески не изменилась. Передний дефлектор 1 (см. рис. 8.92) имеет отверстие 4 для воздуха из аппарата закрутки, полость за которым уплотне на лабиринтами 5 и 6. Размещение аппарата за крутки на большем диаметре позволило снизить температуру охлаждающего воздуха для рабочих лопаток и увеличить их долговечность.
Развитие конструкции ротора ТВД семейст ва RB211/Trent (Rolls-Royce). В наиболее совер шенных двигателях семейства RB211 (RB211-535Е4 и RB211-524D4C/D) применен ро тор ТВД, показанный на рис. 8.93, а [8.4.1]. К его особенностям можно отнести уплотнение аппара та закрутки 1 лабиринтами 2 и 5, выполненными заодно с диском. Но такое решение может быть
239
Рис. 8.91. Силовая турбина промышленного двигателя ПС-90ГП-2:
1 - стяжной болт; 2 - диск; 3 - гайка; 4 - шпилька; 5 - фланец вала; 6 - болтовое соединение; 7 - фланец диска; 8 - лабиринт; 9 - болтовое соединение; 1 0 - полость ротора; 11 - рабочие лопатки; 12 - задняя опора ротора СТ\ 13 —разгрузочная полость; 14 - лабиринт
опасным из-за возможности развития в диск кон тактных повреждений в лабиринте и уменьшает ремонтопригодность такой дорогостоящей дета ли, как диск (после вполне обычной приработки лабиринта).
Охлаждающий воздух поступает в рабочие ло патки из полости 4 за аппаратом закрутки через от верстия в ободе диска (показанные на рис. 8.111). Сзади рабочие лопатки закреплены пластинчаты ми фиксаторами 5, одновременно уплотняющими замковое соединение от перетеканий газа.
Конструкция ротора ТВД, примененная на са мой современной модели Trent (рис. 8.93, б [8.4.2]), тоже использует аппарат закрутки 1. Од нако к диску ТВД спереди прикреплен болтовым соединением передний дефлектор 6 с лабиринта ми 2 и 3, уплотняющими полость за аппаратом закрутки. Таким образом, из конструкции исклю чены лабиринты на самом диске.
Охлаждающий воздух проходит через отвер стия в дефлекторе 6 в полость между дефлекто ром и диском, откуда сбоку попадает в полость 7
под рабочей лопаткой. Таким образом, в новой конструкции исключены и отверстия в ободе диска, являющиеся концентраторами напряже ний. Сзади обод диска уплотнен небольшим де флектором 8, фиксирующим лопатку от сдвига назад и уплотняющим от перетеканий газа через замковое соединение.
Новый диск ТВД имеет более широкую ступи цу, что может быть связано с увеличением часто ты вращения (для парирования увеличения аэро динамической нагрузки с увеличением темпера туры газа). Передний фланец 9 диска несколько опущен вниз - в место с более низким уровнем на пряжений. Обращает на себя внимание и приме нение ребер 10 для «подкачки» охлаждающего воздуха на рабочую лопатку.
8.4.1.5. Предотвращение раскрутки и разрушения дисков
Нарушение кинематической связи вала турби ны с валом компрессора или потребителя мощно сти может привести к раскрутке ротора турбины
240