Старцев Н.И. Конструкция узлов 2007. Н. И. Старцев, С. В. Фалалеев конструкция узлов авиационных двигателей
 Скачать 2.31 Mb.
|
|
( ссылка й 1 ); - совместные колебания диска турбины с лопатками; ( ссылка ц 2 ) - колебания рабочего колеса; ( ссылка у 3 ) - картина взаимодействия хвостовика с пазом в диске при действии центробежной силы. ( ссылка к 4 ) 1.6. Особенности конструкции свободной турбины В конструкции турбовального двигателя, устанавливаемого на вертолет отбор полезной мощности производится с помощью турбины, которая не имеет структурной (жесткой) связи с турбокомпрессором и потому называется свободной турбиной. Такой же принцип реализуется в некоторых турбовинтовых двигателях ( рис.1.62 ). Свободная турбина присутствует в современных схемах ТВД, в ТВВД и ТРДД с приводом вентилятора через редуктор и в конструкции стационарного газотурбинного привода. Учитывая, что свободная турбина не имеет жесткой связи с ротором турбокомпрессора двигателя, осевую силу необходимо воспринять, нейтрализовать элементами ротора и статора самой свободной турбины с тем, чтобы обеспечить нагружение РУП регламентированной осевой силой (не более 30 кН). Решение задачи определяется созданием системы разгрузки РУП ротора свободной турбины и оптимальным размещением шарикового и роликового подшипника в корпусе (опоре) свободной турбины, учитывая консольное расположение рабочих колес относительно подшипников. Разгрузка осуществляется обычно наддувом полости, формируемой с тыльной стороны диска турбины. Осевое усилие, приходящее на радиально- упорный подшипник передается через корпус (опору свободной турбины) на силовой корпус газогенератора и далее на подвеску. В ТРДД с вращением вентиляторных ступеней турбины через редуктор осевая сила должна уравновеситься реакцией элементов силовой схемы самой свободной турбины; на редуктор передается только крутящий момент шлицевых соединений валов. В свободной турбине НК-14СТ ( рис.1.63 ) осевая сила снижается с помощью разгрузочной полости с тыльной стороны диска последней ступени турбины НД, радиально-упорный подшипниках размещен в средней опоре, связь вала редуктора и турбины обеспечивается шлицами. Общепринятой схемой размещения подшипников ротора свободной турбины - передний подшипник роликовый, задний (радиально- упорный) - шариковый. Такое расположение уводит РУП в зону благоприятного теплового режима и обеспечивает фиксированное положение фланца выходного вала и узла стыковки с потребителем. Шариковый подшипник часто устанавливается в паре с роликовым, когда стремятся разграничить функции, обеспечив нагружение шарикового подшипника только осевой силой. Двигатель - привод, работая на природном газе, должен иметь ресурс в 5…7 раз превышающий ресурс авиационного ГТД (50000…100000час). Надежность газотурбинного привода должна обеспечивать круглосуточную, безостановочную работу без постоянного присутствия человека с межрегламентными наработками в 3500…5000 часов. Он должен функционировать в широком диапазоне климатических условий (северные районы, южные пустыни), в условиях обледенения и большой естественной запыленности атмосферы. Попадание в двигатель пыли, а при неблагоприятном направлении ветра, сажи и паров масла приводить к загрязнению проточной части, повышению температуры газов перед турбиной и росту удельного расхода топлива. Загрязнение нарушает действие системы охлаждения турбинных лопаток, нарушает защитное действие покрытий. При проектировании свободной турбины энергетической установки накладываются ограничения по частоте вращения: - 3000 об/мин для привода электрогенератора, чтобы выдержать стандартную частоту переменного тока 50 Гц; - 4500..85000 об/мин для привода насосов и нагнетателей. 1.7. Реверсивные турбины Появление реверсивных турбин ( рис.1.64 ) вызвано использованием газотурбинной установки в качестве главной установки, обеспечивающей все виды движения судна. Они состоят из комбинации турбин переднего (ТПХ) и заднего (ТЗХ) ходов. ТПХ реверсивной газовой турбины проектируется на уменьшенное значение u/cS для снижения величины вентиляционных потерь Варианты конструктивных схем реверсивных турбин представлены на рис.1.65 В конструкции реверсивных турбин используются клапаны, перекрывающие газодинамический тракт, не участвующий на данном этапе работы силовой установки судна. Требования к клапанам: • Герметичность в положении «закрыто» (утечки величиной больше 1-2% увеличивают тормозной эффект, создаваемого турбиной, в полость которой эта утечка происходит.) • В положении «открыто» каждый клапан должен обеспечивать минимальные гидравлические сопротивления. Разновидности исполнения клапанов: 1. Клапанное устройство совмещено с сопловым аппаратом ( рис.1.66 ). 2. Клапаны переднего (лента) и заднего хода (задвижка) ( рис.1.67 ). Суммарные потери при постановке этого клапана, составляющие 0,2-0,3%, могут быть дополнительно снижены. ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1. ТЗХ должны проектироваться на полный расход газа. 2. Определение достаточности мощности заднего хода. Результирующим показателем процесса реверса является относительный выбег судна, равный s/l, где s - выбег судна при реверсе до его остановки; l - длина судна. Приемлемой величиной считается выбег, равный пяти-шести длинам судна. Относительная мощность ТЗХ в паротурбинных установках транспортных судов задается порядка 40%. В практике военного газотурбостроения эта величина задается порядка 20-30%. На рис.1.68 и 1.69 показаны конструктивные исполнения реверсивной турбины и клапана заднего хода. С помощью пневмоцилиндра можно обеспечить новое положение органов реверса «стоп-винт». Указанный режим крайне необходим при маневрировании корабля. В этом случае лента перепуска приоткрыта, а поворотные лопатки не дозакрыты и рабочий газ течет как по контуру переднего хода, так и по контуру заднего хода. При равновесии крутящих моментов на рабочих лопатках переднего и заднего ходов ротора наступает момент, когда устанавливаются нулевые обороты ротора турбины. 2. Камеры сгорания Функцией камеры сгорания (КС) является подвод тепла к рабочему телу путем сжигания топлива. 2.1. Организация рабочего процесса в КС Трудность организации горения в КС состоит в том, что процесс горения должен протекать в строго определенном месте жаровой трубы (ЖТ), а воздух, в котором сжигается топливо, движется с большой скоростью. Следовательно, чтобы выполнить условие стабилизации горения (по месту), пламя должно распространяться с той же скоростью навстречу воздушному потоку. Вторая проблема заключается в том, что для устойчивого горения необходимо выдерживать определенные соотношения по количеству воздуха и топлива в топливовоздушной смеси (ТВС). Это условие порождает необходимость разделения воздушного потока на два: один из потоков участвует в реакции горения, обеспечивая потребное значение по коэффициенту избытка воздуха, другой поток втекает в ЖТ после зоны горения и, смешиваясь с горячими продуктами сгорания, обеспечивает заданную температуру рабочего тела на входе в турбину. Процесс сжигания топлива организуется в несколько ступеней, хотя отдельные операции идут практически одновременно, и КС функционально разделяется на ряд участков ( рис.2.1 ). Диффузор. В диффузоре поток воздуха из компрессора, имеющий скорость 150…200м/с, замедляется с таким расчетом, чтобы в средних сечениях ЖТ его скорость не превышала 15…25м/с для обеспечения устойчивого горения. Зона циркуляции. Для стабилизации пламени одного снижения скорости в диффузоре недостаточно. Как уже отмечалось, нужно выполнить условие, чтобы в заданном сечении ЖТ скорость течения газа а С и турбулентная скорость распространения пламени T U были равны и обратны по направлению, т.е. а Т С U = − Такое динамическое равновесие достигается с помощью обратных токов горячих газов в головной части ЖТ. Конструктивно это реализуется чаще всего во фронт овом уст ройст ве (ФУ) - комбинации форсунки с завихрителем, в котором поток воздуха закручивается на угол 45…60° ( рис.2.2 ). Закрученный поток создает в зоне, прилегающей к оси форсунки, пониженное давление. В эту зону устремляется поток горячего газа из зоны горения и часть воздуха из первого ряда отверстий в стенках ЖТ - возникает циркуляционное течение, часть которого, где направление струй противоположно движению осевого потока, называется зоной обрат ных т оков (ЗОТ). Между этими двумя зонами складывается « слой смешения», в котором понижены скорости течения и высоки поперечные пульсации, что благоприятствует интенсификации процесса горения и удержания пламени. Разделение пот оков воздуха на первичный и вт оричный. За диффузором происходит разделение потока воздуха. Первая часть поступает во фронтовое устройство и называется первичным воздухом. Другая часть - вт оричный воздух, омывающая ЖТ, проходит внутрь ее через систему отверстий и используется для питания зоны горения, охлаждения стенок, на подмешивание к горячим газам и на охлаждение элементов турбины. Для углеродных топлив максимальная температура в зоне горения может достигать * г T =1800- 2700К. Также является важным - выдерживание α по режимам работы двигателя. Управлением процессом горения возможно уменьшить эмиссию вредных выбросов ( СО , n m C H , X NO , дым). Подгот овка т опливовоздушной смеси (ТВС) ( рис.2.3 ). Топливо от насоса через агрегат распределения топлива подводится к каждой форсунке двумя трубками, а в самой форсунке по двум каналам, чтобы обеспечить распыл топлива на режиме малого газа (работает один канал) и подачу большого количества топлива на основных режимах (работают оба канала). Мелкие частицы топлива диаметром от 200 до 5мкм имеют то свойство, что суммарная площадь поверхности таких капель резко возрастает, а, следовательно, увеличивается и скорость испарения. Если сферическую каплю диаметром 10мм разбить на капли диаметром 10мкм, то их суммарная площадь увеличится в 1000 раз: при прочих равных условиях скорость испарения возрастает на три порядка. Распыленное топливо подается в зону циркуляции, капли, встречаясь с горячими газами, интенсивно прогреваются, испаряются, смешиваются с воздухом, формируя окончательный состав ТВС. Все эти процессы идут практически одновременно и завершаются на расстоянии 30…50мм от среза сопла форсунки. Отметим, что крупные капли медленно нагреваются и поэтому имеют такую «пробивную силу», что могут достигать стенок ЖТ и даже выходить за пределы зоны горения. Процесс горения. После того, как температура ТВС достигла критической величины, происходит воспламенение смеси, начинается процесс горения. Вначале выгорает ТВС с оптимальным составом смеси ( 1 α ≈ ). Выделившееся при этом тепло идет на повышение температуры в первичной зоне и на испарение оставшейся части топлива. За каждой форсункой формируется очаг пламени, обеспечивающий стабилизацию фронта пламени на разных режимах (при разных скоростях потока). Вытекающие через первый ряд отверстий большого диаметра струи вторичного воздуха играют здесь главную роль в процессе сгорания топлива: оно сгорает вокруг этих струй и в зоне обратных токов, образующихся за этими струями. Розж иг КС. Пусковые уст ройст ва. Если горение в КС началось, то этот процесс поддерживается до останова двигателя, благодаря схеме подготовки и непрерывного поджигания ТВС обратными токами горячего газа, приходящего из зоны циркуляции. Начало горения или розжиг КС происходит с помощью источника зажигания в виде электрической свечи или пускового воспламенителя. Он должен обеспечить подвод к подготовленной ТВС энергии, которой хватит для того, чтобы создать ядро пламени. Размеры и температура ядра должны быть достаточные, чтобы обеспечить последующее распространение пламени на всю первичную зону. Для этого должно быть определено и оптимальное местоположение ядра, а также свечей относительно ФУ. Формирование поля т емперат ур перед т урбиной. Зона смешения. Вторичный воздух, который не участвует в горении топлива, подается внутрь ЖТ после зоны горения, чтобы получить среднемассовую температуру и эпюру распределения температур по высоте рабочей лопатки, потребную для турбины. Количество воздуха (пример), распределяемое по зонам, изображено на рис. … Воздух подается через один или два ряда отверстий в стенках ЖТ поперечными струями и перемешивается с горячим газом. Максимально возможная глубина проникновения составляет около 5-ти начальных диаметров струи и должна достигать половины высоты ЖТ. 2.2. Конструктивные схемы камер сгорания Камеры сгорания выполняются по прямот очной схеме, которые разделяются в свою очередь на трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые, по прот ивот очной и радиально-кольцевой схеме. Прямоточные схемы КС определяются сохранением осевого направления движения рабочего тела от входа к выходу, и отличаются минимальными гидравлическими потерями, высокими выходными параметрами (полнота сгорания Г η , малая длина и масса) и малой эмиссией вредных веществ ( СО , n m C H , ) X NO Трубчат ая КС ( рис.2.4 ) представляет собой набор из нескольких ЖТ, каждая из которых имеет свой корпус, соединенный с общим кольцевым корпусом в котором расположен газосборник, собирающий горячий газ от всех ЖТ перед 1СА турбины. Легкосъемная КС имеет фронтовое устройство, состоящее из завихрителей и форсунки. Обтекатель-воздухозаборник образует с коническим корпусом кольцевой диффузор. ЖТ имеет три ряда отверстий на передней конической стенке и два ряда близкорасположенных отверстий диаметром, ограничивающих первичную зону горения. Вторичная зона представлена одним рядом отверстий, а зона смешения двумя рядами отверстий. ЖТ в переднем поясе крепится тремя полыми штифтами, которые обеспечивают ее радиальное расширение. С газосборником ЖТ соединяется телескопически. Пламяпереброс от двух запальных устройств в другие ЖТ происходит через соединительные патрубки. Такие камеры использовались на низкотемпературных ГТД первых поколений и имели то преимущество, что позволяли замену ЖТ в эксплуатации, что при малых ресурсах горячих деталей имело немаловажное значение. Было преимущество и при экспериментальной отработке процессов горения. Недостатки трубчатой КС: - увеличение веса двигателя из-за нарушения наружной силовой связи между компрессором и турбиной, имеющейся при других схемах КС; - высокие значения неравномерности поля температур и гидравлических потерь из-за разделения, а затем соединения газового потока перед 1СА; - большие площади охлаждения стенок ЖТ; - большая длина и масса. Трубчатые КС нашли применение в стационарных газотурбинных установках, когда они располагаются вне проточной части двигателя (так называемые выносные ЖТ), количество которых составляет от 1 до 8…10. Трубчат о-кольцевая КС ( рис.2.5 ) отличается от трубчатой тем, что отдельные ЖТ заключены в общий корпус. Наружный кожух корпуса КС включен в силовую схему двигателя, что позволяет снизить вес КС и двигателя в целом и обеспечить связь с опорой (пример Д-30 и «Тэй»). Недостатки трубчатой КС наблюдаются и здесь. В трубчатой и трубчато-кольцевой КС при розжиге возникает проблема переброса пламени через пламя-перебрасывающие патрубки. В оптимальном исполнении вход в каждый патрубок должен совпадать с зоной наибольшей температуры в ЖТ, а положение выхода должно гарантировать, что вытекающий из патрубка газ попадет непосредственно в циркуляционную зону в передней части соседней ЖТ. Вызывает затруднения замена жаровых труб, хотя имеются некоторые конструктивные проработки ( видеоролик «разборка трубчато-кольцевой КС»). В кольцевой КС ( рис.2.6 ) устанавливается одна ЖТ с общим фронтовым устройством, состоящим из набора форсунок (от 8 до 140 штук). Поверхность охлаждаемых стенок ЖТ в трубчато-кольцевой КС по сравнению с кольцевой (устанавливаемых в одинаковый корпус) больше в 1,4 раза, а отношение объемов зон горения составляет 0,715. Это означает, чтобы иметь то же время пребывания, длина зоны горения в трубчато-кольцевой КС должна быть увеличена в 1,4 раза. Меньшая площадь охлаждения стенок и меньший расход охлаждающего воздуха, дефицит которого растет с ростом параметров цикла, возможность более тонкой настройки эпюры температур на выходе, малая длина и вес, возможность выполнить требования по эмиссии вредных веществ - все это привело к тому что кольцевая КС используется во всех современных ТРДД. Прот ивот очная КС ( рис.2.7 ) используется обычно в сочетании с центробежным или осецентробежным компрессором и связана с поворотом потока на 360°. Такая компоновка двигателя позволяет снизить его длину и вес, и может использоваться при проектировании ТРДД с 3 m ≥ (пример LF507), где объем, ограниченный внутренней стенкой канала 2 контура достаточен для размещения центробежной ступени и КС. Противоточная КС широко применяется на ТВаД для вертолетов, ВСУ, где нет жестких ограничений на диаметральные габариты. Радиально-кольцевая КС ( рис.2.8 ) с распылением топлива вращающимися форсунками, поступающего через вал, и кольцевой ЖТ, которая располагается под углом 90° к валу двигателя. Как и в случае с противоточной схемой здесь достигается цель - уменьшить длину двигателя. Подвод воздуха в зону горения происходит через щелевые каналы на наружной стенке (вертикальная часть) и далее через три 93 ряда отверстий. Зона смешения определяется патрубками - карманами, размещенными только на наружной стенке. Воздух к внутренней стенке подводится через пустотелые охлаждаемые лопатки соплового аппарата турбины. Основной недостаток противоточной и радиально-кольцевой КС - это большая величина отношения поверхности ЖТ к объему, что вызывает затруднения с охлаждением стенок. Относительные весовые характеристики (к расходу воздуха) таких камер хуже, чем прямоточных. Постоянный рост параметров цикла * * K г P и T казалось бы облегчает задачу проектирования КС по стабильному горению с высоким Г η , однако создание КС современного ТРДД затрудняется дефицитом охлаждающего воздуха и постоянно растущими ограничениями по выбросам вредных веществ. |