Старцев Н.И. Конструкция узлов 2007. Н. И. Старцев, С. В. Фалалеев конструкция узлов авиационных двигателей
 Скачать 2.31 Mb.
|
|
1.1. Конструктивные особенности турбины 1.1.1. Связь турбины с другими узлами ТРДД Компрессор в ТРДД разделён на 2 или 3 каскада, соответственно турбина также имеет 2 или 3 каскада, которые соединены механическими структурными связями с соответствующими каскадами компрессора. Основная функция турбины - привод компрессора. Функциональные связи турбины с компрессором определяются также необходимостью отбора воздуха для охлаждения деталей турбины, для поддержания заданного перепада давлений в междисковых и предмасляных полостях уплотнений опор ротора и для пассивного и активного управления радиальными зазорами. Камера сгорания. Функционально КС обеспечивает степень подогрева рабочего тела, потребную для получения заданной работы цикла двигателя. Рис. 1.3 Радиальная эпюра температур на выходе из КС Радиальная эпюра температур на выходе из КС (рис. 1.3) диктуется допустимым уровнем напряжений в рабочих лопатках турбины. Сохраняя значение среднемассовой температуры газа * М СР Г T за счёт увеличения её примерно на 2/3 высоты канала проточной части, уменьшают температуру в корневом и периферийном сечении лопатки. Это позволяет удержать предел длительной прочности t B τ σ материала лопатки на уровне, обеспечивающем запасы прочности в корневом сечении и в зоне бандажной полки. На эту эпюру накладывается неравномерность температурного поля (рис. 1.4) окружная и радиальная, которые характеризуются соответственно коэффициентом окружной o K и радиальной r K неравномерности: * Г * Г o . М . СР max T T K = , * * max М СР Г Г r T T K = , 07 , 1 03 , 1 = o K , 15 , 1 05 , 1 = r K Окружная неравномерность, таким образом, определяет допустимую температуру перед турбиной, ресурс сопловых лопаток. Рис. 1.4 Неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания а)-окружная, б)-радиальная Важное значение придаётся конструктивному оформлению стыка жаровой трубы КС с первым сопловым аппаратом (СА) турбины (рис. 1.5), где решаются две важные задачи: компенсация разности тепловых деформаций жаровой трубы и ответных элементов соплового аппарата по радиусу и в осевом направлении и облегчение охлаждения цилиндрических полок СА и бандажных полок лопаток первого рабочего колеса (РК) турбины. Рис. 1.5 Конструкция соединения жаровой трубы камеры сгорания с первым сопловым аппаратом турбины ТВВД НК-93 Опоры ротора. Размещение опор ротора в турбине имеет принципиальное значение, как для формирования облика турбины, так и двигателя в целом. По этому признаку можно определить «почерк» фирмы-создателя двигателя. Мотивы размещения опор роторов в турбине определяются: • стремлением уменьшения числа опор как отдельных узлов-модулей двигателя; • поиском места для размещения опоры с минимальным уровнем температур; • совмещением функций стоек опор и лопаток СА для упрощения конструкции и снижения массы двигателя; • уменьшением расстояния между опорами и достижения, таким образом, требуемой жёсткости ротора и статора. Видеоролик: ТНД ТРДД PW-530A 1.1.2. Анализ конструктивных схем турбин ( рис.1.6 ) Схема А. Опора перед ТВД в зоне высоких температур, две опор - это недостатки схемы. Но расстояние между опорами ротора ВД минимальное, следовательно, изгибная жесткость системы «ротор-корпус» наибольшая и вторая опора за ТНД в благоприятных температурных условиях. Схема Б. Опора одна и расположена в ТНД - это бесспорное преимущество такого размещения подшипников, но есть два недостатка: межвальный подшипник и увеличенное расстояние между опорами каскада ВД. Схема В. Две опоры и расстояние между опорами каскада ВД больше, чем в схеме А - это недостатки. Лучший температурный режим первой опоры - преимущество. Отметим, что в схеме ТРДД CF6 - 32 (1970) 4-х ступенчатая турбина НД имеет две опоры, а в схеме ТРДД G Е-90 (1995) 6-ти ступенчатая турбина НД имеет одну опору. В том и другом случае рационально использовано пространство между ТВД и ТНД, которое образовалось при формировании перехода проточной части ТНД на больший радиус. Схема Г. В 3-х каскадной турбине две опоры: опора с подшипниками ротора ВД и ротора СД, находится между турбинами ТВД и ТСД в относительно «горячей» зоне, но в ней использовано совмещение стоек опоры и лопаток СА ТСД. Опора ТНД в зоне низких температур. Схема Д в какой-то мере устраняет недостатки схемы Г: одна опора, которая расположена в менее нагретой зоне между турбинами СД и НД, есть и совмещение стоек с лопатками СА ТНД, но присутствие межвального подшипника ротора ВД за турбиной ВД считают недостатком. Реактивное сопло. Турбина и сопло функционально связаны. Если регулировать критическую площадь сопла кр с F , уменьшая или увеличивая её, можно соответственно увеличить или уменьшить пропускную способность и степень понижения давления * T π турбины. Структурно реактивное сопло является составной частью силового корпуса двигателя, и корпус турбины воспринимает нагрузки, действующие на сопло. 1.1.3. Функции ротора и статора Турбина 2 Х и 3 Х - вального двигателя разделяется, в соответствие с разделением компрессора на каскады, на турбину высокого давления (ТВД), турбину среднего давления (ТСД) и турбину низкого давления (ТНД). Взаимодействие решеток профилей СА и РК турбины (рис. 1.7) выражается в том, что поток горячего газа разгоняется в конфузорных каналах СА и направляется на лопатки РК. Рис. 1.7 Схема взаимодействия лопаток СА и РК в ступени осевой турбины Обтекание профилей лопаток РК высокоскоростным потоком газа приводит к возникновению разностей давлений на каждой лопатке: на корытце давление повышается, на спинке - понижается. Равнодействующая газовых сил на лопатке создаёт в окружном направлении силу, формирующую крутящий момент. На лопатки СА (на статор) действует тот же момент, но с обратным знаком. Это обстоятельство учитывается при проектировании статора турбины. Необходимо исключить перемещение СА относительно корпуса турбины в окружном направлении, зафиксировать СА в корпусе. Суммарная осевая сила направлена по потоку газа (она меньше чем осевая сила на компрессоре), поэтому РУП ротора каждого каскада ТРДД воспринимает осевую силу, равную разности осевых сил, действующих на ротор компрессора и турбины. В турбинных решетках межлопаточные каналы сужающиеся, в отличие от компрессорных решеток, где каналы являются диффузорными. Возрастает влияние радиальных зазоров на параметры турбины: 1% увеличения радиального зазора в турбине ВД приводит к снижению КПД на 1,5…3,0% и к увеличению удельного расхода уд c на 0,7…3,0%. Однако в конструкции турбины есть эффективные приемы снижения радиальных зазоров: бандажирование рабочих лопаток с использованием срабатываемых сотовых слоев на статоре и управление радиальными зазорами. Осевые зазоры в турбине приходится назначать с учётом большого удаления турбины от РУП, температурных деформаций ротора и статора, деформации и коробления деталей СА и РК. При выборе формы проточной части турбины, как и при проектировании компрессора, учитываются газодинамические, конструкторские и технологические требования. D H = const . Эта форма тракта выгодна на первых охлаждаемых ступенях (турбина ВД) при большом срабатываемом теплоперепаде (300-400ºС), так как позволяет удержать минимальные радиальные зазоры даже без бандажных полок на рабочих лопатках, (зазоры не изменяются при осевом перемещении ротора). D вн = const . Увеличение среднего радиуса ведет к увеличению окружной скорости, теплоперепад увеличивается от первой к последней ступени при высоких КПД на основных режимах (крейсерский, взлет); используется в ТНД. D ср = const определяет равномерное распределение теплоперепада по ступеням с высоким КПД на расчётном режиме. В современных многоступенчатых турбинах используются сочетания всех трех видов проточной части. 1.1.4. Обеспечение высоких параметров турбины В первую очередь, это обеспечение Т * Г и ресурса. Постоянный рост температуры газа перед турбиной * Г Т диктуется стремлением совершенствования конструкции газотурбинного двигателя как тепловой машины. При использовании углеродных топлив максимально возможная температура газа перед турбиной зависит от температуры воздуха на выходе из компрессора и при K T K 900 * = составляет 2700 К. К 2004 году достигнутый уровень K T Г 1900 1850 * − = . Основными элементами, сдерживающими рост * Г T , являются лопатки турбины. Причинами, ограничивающими ресурс рабочих лопаток, являются исчерпание длительной прочности материала лопаток, малоцикловые термоусталостные трещины и коррозионно-эрозионные повреждения поверхности. Есть четыре направления решения проблемы повышения max Г T и ресурса лопаток турбины: повышение жаропрочности материала лопаток, нанесение теплозащитных покрытий на поверхность лопаток, совершенствование охлаждения лопаток и повышение хладоресурса охладителя. Отметим, что эти способы повышения ресурса лопаток позволяют при фиксированной * Г T снизить расход охлаждающего воздуха. 1.1. 4.1. Повышение жаропрочности материала. Как отмечалось ранее, достигнутая K T Г 1880 * = , а температура плавления жаропрочного никелевого сплава ЖС6 ) 1620 ( 1893 С К T ПЛ ° = , следовательно ПЛ Г Т T = * Вывод: без охлаждения лопаток и повышения жаропрочности материала обеспечить работу турбины при таких температурах газа нельзя. Жаропрочность материала характеризуется пределом длительной прочности t B τ σ . Это максимальное напряжение растяжения, при котором за время часов τ разрушается образец, нагретый до температуры C t ° ( ) 800 100 B σ Повышение допустимой температуры материала лопатки позволяет увеличить вдвое температуру газа перед турбиной. Литье с направленной кристаллизацией, когда кристаллы ориентированны в направлении оси, совпадающем с направлением действующих напряжений, дает увеличение л Т на 10…15К, а * Г T на 20…30К. Внедрение монокристаллического литья, где лопатка в процессе литья выращивается как единый кристалл, даёт соответственно л T ∆ = 40…50 К и * Г Т ∆ = 80…100 К. Дальнейшее увеличение жаропрочности материала лопаток связывают с использованием сплавов на основе молибдена и ниобия, с разработкой композиционных материалов и керамики. 1.1.4.2. Покрытия на поверхности лопаток. Покрытия обеспечивают работоспособность лопаток в условиях интенсивного коррозионно-эрозионного воздействия скоростного потока газа с высокой температурой (начиная с 800…1100ºС). Покрытия выполняют две функции: защита от коррозии и снижение теплоподвода от газа к лопатке (рис. 1.8). Процессы окисления и коррозии наиболее интенсивно проходят у жаропрочных сплавов на никелевой основе типа ЖС, ВЖ и др., используемых для изготовления сопловых и рабочих лопаток. Защит ные покрыт ия. Для создания защитных покрытий используют алитирование ( AlNi - алюминид никеля, толщина слоя 20…40 мкм), хромоалитирование (AlCr, толщина слоя 40- 60 кмк) и нанесение многокомпонентных покрытий типа NiCrAlY или NiCoCrAlY. Теплозащит ные покрыт ия (ТЗП) с керамическим т ермобарьерным слоем. Рис. 1.8. Теплопроводность в стенке лопатки с ТЗП Количество тепла, передаваемое через термобарьерное покрытие, зависит от коэффициента теплопроводности П λ и времени запаздывания П τ Коэффициент теплопроводности керамического покрытия ( табл.2 ) примерно в 10 раз меньше, чем у основного материала типа ЖС. Это означает, что за тот же промежуток времени через покрытие пройдёт в 10 раз меньше тепла, чем через стенку без покрытия, или то же количество тепла пройдёт через покрытие в 10 раз медленнее, чем через стенку без покрытия. Конечно СТ П δ δ << и эффект запаздывания невелик с 4 0 = ∆ τ , а снижение температуры стенки К Т 50 35 = ∆ , но это позволяет повысить ресурс в 10 раз (известно, что снижение Т Л на 10 К повышает ресурс в 2 раза) или повысить * Г T на 70…100К . Керамическое покрытие «термобарьер» состоящее из окиси циркония ZrO 2 с добавлением по весу 8% окиси итрия Y 2 O 3 , которые определяют теплозащитные свойства покрытия. Второй слой, в составе которого обязательно присутствуют соединения Al и Cr, осуществляет защиту от газовой коррозии, т.к. керамический слой по структуре пористый и выполнять эту функцию не может. Последний или адгезионный слой обеспечивает сцепление верхних слоев с основным металлом. ТЗП само себя не несет, а догружает лопатку. Вес лопатки увеличивается на 12…16% при толщине керамического слоя 150…200 мкм. Это снижает эффект от нанесения ТЗП. 1.1.4.3. Охлаждение лопаток. Охлаждение лопаток ( рис.1.9 ) дает наибольший прирост K T Г 300 250 * = Примерное расположение по профилю лопатки коэффициента теплоотдачи Г α от газа к лопатке показано на рис.1.10 . На рис.1.11 показано распределение Г α на примере лопатки турбины ВД двигателя АЛ-31Ф. Максимальные значения Г α достигаются в области входной кромки, где толщина пограничного слоя минимальна из-за лобового натекания газового потока, и на выходе из решетки, где высокая скорость потока. Эти наиболее нагретые участки лопатки имеют и наибольшие суммарные напряжения от действия растяжения и изгиба. В турбинах авиационных ГТД используются от крыт ые сист емы охлаждения воздухом, который, отняв тепло от лопатки, уходит в проточную часть турбины. В открытых системах реализуется два способа снижения температуры спинки лопатки: • конвект ивное охлаж дение, когда воздух из соответствующей ступени компрессора проходит по внутренним каналам пустотелой лопатки, охлаждая ее, и потом сбрасывается в тракт в зоне выходной кромки или в периферийном сечении. Снижение температуры стенок лопатки Т Л доходит до 150-200 К при относительном расходе воздуха на охлаждение В охл В охл В G G G = равным 1,5…2% ( рис.1.12 ). • конвект ивно-пленочное охлаж дение, где для уменьшения подвода тепла от газа к лопатке используют защитную воздушную пленку, которая образуется при выходе воздуха из внутренней полости лопатки через систему отверстий (перфорацию) ( рис.1.12 ). Воздух перед выходом на поверхность лопатки выполняет функцию конвективного отбора тепла. Эффективность такого способа охлаждения составляет 150…180 К на 1% охлаждающего воздуха. Общий расход воздуха на охлаждение здесь выше, чем в первом способе, но и возможности интенсификации охлаждения тела лопатки здесь выше. Эффективность охлаждения обычно оценивается глубиной охлаждения Л θ при выбранном расходе охладителя охл В G : * * * охл Г Л Г Т Т Т Т − − = θ , где * Г Т - среднемассовая температура газа на входе в решётку, * охл Т - температура охладителя, Т Л - средняя температура тела лопатки. Допустимая температура в рабочих лопатках турбины с различными способами охлаждения показана на рис.1.12,а Способы охлаждения бандажной полки показаны на рис.1.13 Пут и повышения эффект ивност и конвект ивного охлаж дения. Количество отводимого от стенки лопатки тепла путём принудительной конвекции зависит от расхода воздуха на охлаждение охл В G , температуры охладителя * охл T , площади внутренней полости лопатки охл П и коэффициента теплоотдачи от стенки к охладителю охл α Массовый расход воздуха на охлаждение ограничен значением охл q = 12…16%, выше которого выгода от охлаждения снижается. Температуру * охл T нужно выбирать минимальной, однако давление охлаждающего воздуха должно быть достаточным. Площадь контакта охладителя с нагретой стенкой стремятся сделать больше площади омываемой газом, но все конструкторские усилия обычно ограничиваются отношением 2 = Г охл П П У конструктора остаётся возможность увеличивать коэффициент теплоотдачи охл α Повышение теплоотвода достигается рядом конструктивных мер, обеспечивающих повышение коэффициента теплоотвода охл α за счёт турбулизации потока охлаждающего воздуха. Чаще всего этот процесс связан с увеличением гидравлических потерь ξ . Эти два параметра связывает критерий Стентона St. p охл охл охл с w Рr R е Nu St ⋅ ⋅ = ⋅ = ρ α Чем выше критерий Стентона St, тем эффективнее используется энергия охладителя. В качестве интенсификатора охлаждения используют элементы, увеличивающие турбулизацию пограничного слоя потока воздуха. Течение охлаждающего воздуха по гладкому каналу при ламинарном и турбулентном режиме происходит с увеличением пограничного слоя вплоть до смыкания их и заполнения всей площади канала, что значительно снижает охл α . В этой связи гладкие каналы при относительно простоте исполнения не являются оптимальными для организации конвективного охлаждения лопаток ( % 3 , 0 = St ). Поэтому для увеличения коэффициента теплоотдачи во внутреннюю полость лопатки вводят специальные элементы - турбулизаторы. Оребрение ст енок канала. При отношении высоты ребер к диаметру канала 5% и шаге рёбер t/h=10…13 теплоотдача увеличивается в 2,0…2,3 раза, но при этом коэффициент гидравлических потерь возрастает в 3 раза ( % 0 , 1 ≅ St ). Шт ырьки. Картина обновления пограничного слоя в случае возникновения преграды в виде структуры из цилиндрических столбиков (штырьков) диаметром 2…3 мм, расположенных в шахматном порядке и соединяющих обе стенки полой лопатки, подобно действию ребрения ( % 0 , 1 ≅ St ), показано на рис.1.14 Лунки на поверхност и канала диаметром 2,5…3,0 мм и глубиной 0,3…0,5 мм, расположенные в шахматном порядке, порождают «смерчевой эффект», когда над лунками возникают столбообразные вихри типа смерчей ( рис.1.15 ). Учитывая, что гидравлические потери здесь малы, % 0 , 2 = St Лопат ка с дефлект ором. Дефлектор, вставленный внутрь охлаждаемой лопатки, позволяет реализовать лобовые натекания воздуха на ее стенку ( рис.1.16 ). Воздух через систему отверстий в дефлекторе подается отдельными струями на входную кромку лопатки. Коэффициент теплоотдачи охл α в зоне удара воздушной струи о стенку на порядок выше, чем при конвективном охлаждении (при течении охладителя параллельно стенки). Далее воздух проходит в зазор между стенкой лопатки и дефлектором, охлаждая спинку и корыто, и выбрасывается через выходную щель задней кромки лопатки, отбирая от нее тепло ( % 0 , 3 = St ). Вихревая мат рица ( рис.1.17 ) построена на взаимодействии струй, проходящих по перекрещивающимся каналам. Одна система каналов размещена на спинке лопатки, другая на корыте; теплообмен при этом возрастает при малом приросте гидравлического сопротивления (St=24%). Пут и повышения эффект ивност и конвект ивно-пленочного охлаж дения. Конвективно-пленочное охлаждение создает пристенную воздушную завесу, затрудняющую теплоподвод к лопатке ( рис.1.18 ). При проектировании завесы должно быть выполнено ряд условий. Минимальный шаг отверстий в ряду и между рядами 2...3 калибра (диаметра отверстия). Скорость выхода воздуха на поверхность должна быть равна или меньше скорости потока газа, чтобы исключить дополнительную турбулизацию завесы и увеличение Г α . Угол выхода струи должен быть минимальным в направлении потока газа (35°…20°) на всех участках, кроме входной кромки. На входной кромке ориентация отверстий в самой стенке лопатки должна быть такой, чтобы поток газа не запирал выход охладителя. Отношение длины отверстия канала к диаметру 10 4 / = d l . Должно быть гарантированно образование завесы на всех режимах работы двигателя, что возможно, если полное давление охладителя * охл P будет больше полного давления газа * Г P на % 7 5 , а площадь подвода охладителя будет больше суммарной площади отверстий перфорации. |