Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели

Подождите немного. Документ загружается.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

400

ñòâåííîñòü êîíñòðóêöèè îáåñïå÷èëà óìåíüøåíèå

ðèñêà äîâîäêè.

Îáðàçöîì ðåàëèçàöèè ýâîëþöèîííîãî ïîäõî-

äà ìîæíî ñ÷èòàòü è îäíîñòóïåí÷àòóþ ÒÂÄ GE

Aircraft Engines, ðàçðàáîòàííóþ äëÿ F101, èñïîëü-

çîâàííóþ â F110, â ñåìåéñòâå CFM56-2/-3/-5A/-5B/

-5Ñ/-7è ñìîäåëèðîâàííóþ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ

â F414, CF34-10..

Áàçà íàêîïëåííîãî îïûòà

Íåçàâèñèìî îò ïîäõîäà, ðåàëèçóåìîãî â êîí-

êðåòíîì ïðîåêòå, îäèí èç ïðèíöèïîâ êîíñòðóèðî-

âàíèÿ îñòàåòñÿ íåèçìåííûì – ýòî ìàêñèìàëüíîå

èñïîëüçîâàíèå íàêîïëåííîãî îïûòà - áàçû çíàíèé.

Îïîðà íà ïðîøëûé îïûò ÿâëÿåòñÿ ñàìûì íàäåæ-

íûì ñïîñîáîì ñíèæåíèÿ òåõíè÷åñêîãî è ôèíàíñî-

âîãî ðèñêà íîâîãî ïðîåêòà.

Ó êàæäîé ôèðìû ýòîò îïûò ñêëàäûâàåòñÿ èñ-

òîðè÷åñêè è äàëåêî íå âñåãäà îí ôîðìàëèçîâàí

â âèäå äîêóìåíòàöèè. Íîñèòåëÿìè åãî ÿâëÿþòñÿ

ñïåöèàëèñòû, ìàòåìàòè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå è ïðî-

öåäóðû, èñïîëüçóåìûå â ïðîöåññå ïðîåêòèðîâàíèÿ.

Íà ïðàêòèêå èñïîëüçîâàíèå áàçû çíàíèé îç-

íà÷àåò «ïðîåêòèðîâàíèå â ïðåäåëàõ íàêîïëåííîãî

ðàíåå îïûòà òåõíè÷åñêèõ ðåøåíèé»:

- ñîõðàíåíèå ïðîâåðåííîé ýêñïëóàòàöèåé òåõ-

íîëîãèè ïðîåêòèðîâàíèÿ,

- ñîõðàíåíèå ïðèíöèïîâ êîíñòðóèðîâàíèÿ îò-

äåëüíûõ óçëîâ è äåòàëåé - òî åñòü îñâîåííûõ ïðî-

èçâîäñòâåííûõ òåõíîëîãèé.

Áàçà çíàíèé ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ óñ-

ëîâèé óñïåøíîé ðåàëèçàöèè öåëûõ ñåìåéñòâ òóð-

áèí â ðàìêàõ ýâîëþöèîííîãî ïîäõîäà ê ïðîåêòè-

ðîâàíèþ.

Ãîòîâíîñòü ïðèìåíÿåìûõ òåõíîëîãèé

Íîâûå ìàòåðèàëû è íîâûå òåõíîëîãèè ÿâëÿ-

þòñÿ êëþ÷åâûì ôàêòîðîì äëÿ óñïåõà íîâûõ ðàç-

ðàáîòîê. Èñïîëüçîâàíèå íîâîé òåõíîëîãèè ïðè

ïðîåêòèðîâàíèè òóðáèíû òðåáóåò ïðåäâàðèòåëüíîé

– ïî êðàéíåé ìåðå, íà òðåõ óðîâíÿõ – ïðîâåðêè åå

ãîòîâíîñòè ê èñïîëüçîâàíèþ.

Ïåðâûé óðîâåíü – ýòî èññëåäîâàòåëüñêèé óðî-

âåíü (îïðåäåëåíèå êîíöåïöèè è îöåíêà åå ïîòåí-

öèàëà).

Âòîðîé óðîâåíü – ýòî òåõíîëîãè÷åñêàÿ äåìîí-

ñòðàöèÿ â óçëå (îöåíèâàåòñÿ ðåàëèçóåìîñòü è ýô-

ôåêòèâíîñòü òåõíîëîãèè ïðè ìîäåëüíûõ èñïûòà-

íèÿõ óçëà).

Òðåòèé óðîâåíü – èñïûòàíèÿ â ñèñòåìå äâè-

ãàòåëÿ (âêëþ÷àÿ äëèòåëüíûå öèêëè÷åñêèå èñïûòà-

íèÿ).

Çàðóáåæíûå êîìïàíèè îðèåíòèðóþòñÿ íà øêà-

ëó NASA (Íàöèîíàëüíîãî àãåíòñòâà ïî àýðîíàâòèêå

ÑØÀ), êîòîðàÿ îöåíèâàåò óðîâåíü ãîòîâíîñòè òåõ-

íîëîãèè â áàëëàõ îò 0 äî 9. Óðîâåíü ãîòîâíîñòè îöå-

íèâàåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò óðîâíÿ ýêñïåðèìåíòàëü-

íîé ïðîâåðêè òåõíîëîãèè. Ìàêñèìàëüíûé (9-é) óðî-

âåíü ãîòîâíîñòè ñîîòâåòñòâóåò ìèí

èìàëüíîé ñòåïå-

íè ðèñêà - ïðîâåðêå òåõíîëîãèè â ðåàëüíîé

êîíñòðóêöèè â ëåòíîé ýêñïëóàòàöèè.

Óñïåøíîå ïðîâåäåíèå âñåõ èñïûòàíèé, ê ñî-

æàëåíèþ, åùå íå äàåò ãàðàíòèè íàäåæíîé ýêñï-

ëóàòàöèè ñ ïðåäñêàçóåìûì óðîâíåì ñòîèìîñòè îá-

ñëóæèâàíèÿ, òàê êàê âñå óñëîâèÿ áóäóùåé ðàáîòû

íè ïðåäóñìîòðåòü, íè âîñïðîèçâåñòè íåâîçìîæ-

íî. Îäíàêî âíåäðåíèå íîâîé êîíñòðóêöèè òóðáè-

íû

ñ èñêëþ÷åíèåì îäíîãî èç óðîâíåé èñïûòàíèé

(íàïðèìåð, íà ìîäåëüíîì âîçäóøíîì ñòåíäå) ïðåä-

ñòàâëÿåò ñîáîé äîñòàòî÷íî áîëüøîé òåõíè÷åñêèé

ðèñê. Ïîýòîìó âî âñåõ ñîâðåìåííûõ ïðîåêòàõ ñòà-

äèÿ ìîäåëüíûõ èñïûòàíèé îáÿçàòåëüíî ïðèñóò-

ñòâóåò – äàæå ïðè èñïîëüçîâàíèè ìàñøòàáèðîâàí-

íûõ êîíñòðóêöèé.

Êîìïàíèÿ GE Aircraft Engines ïðè ñîçäàíèè

äâèãàòåëÿ GE90 ïðîâåëà ìîäåëüíûå èñïûòàíèé

âñåõ òóðáèí, îäíàêî ïðè ñîçäàíèè ìîäèôèêàöèè

GE90-115B òÿãîé 52 òîííû èçãîòîâèëà è âíîâü ïðî-

âåëà ìîäåëüíûå èñïûòàíèÿ ÒÂÄ è ÒÍÄ (íîâûå òóð-

áèíû îòëè÷àëèñü óâåëè÷åííîé ïðîïóñêíîé ñïîñîá-

íîñòüþ). Ïðè ðàçðàáîòêå ÒÂÄ äâèãàòåëÿ GP7000,

ïðåäñòàâëÿþùåé ãåîìåòðè÷åñêóþ ìîäåëü ÒÂÄ

GE90-115B â ìàñøòàáå 86% (÷òî ñîîòâåòñòâóåò

72% ìîäåëèðîâàíèÿ ïî ðàñõîäó), êîìïàíèÿ âñå ðàâ-

íî ïðîâåëà ïîëíûå èñïûòàíèÿ ÒÂÄ íà ìîäåëüíîì

ñòåíäå äëÿ îïòèìèçàöèè çàçîðîâ, ðàñõîäîâ îõëàæ-

äàþùåãî âîçäóõà è îòíîñèòåëüíîãî îêðóæíîãî ïî-

ëîæåíèÿ ñîïëîâûõ ëîïàòîê ïåðâîé è âòîðîé ñòó-

ïåíåé [8.1.4.40].

Êîìïàíèÿ Rolls-Royce ïðè ñîçäàíèè âñåõ íî-

âûõ äâèãàòåëåé ñåìåéñòâà Trent èñïûòàëà âñå íî-

âûå êîíñòðóêöèè ÒÂÄ, ÒÑÄ è ÒÍÄ íà ïîëíîðàç-

ìåðíûõ òóðáèííûõ ñòåíäàõ.

Ñòîèìîñòü ìîäåëüíûõ èñïûòàíèé òóðáèí

î÷åíü âûñîêà – ïðåæäå âñåãî èç-çà áîëüøèõ îòíî-

øåíèé äàâëåíèÿ è ðàñõîäîâ ðàáî÷åãî òåëà, êîòîðûå

íåîáõîäèìî ðåàëèçîâàòü.

Ïðè ñîçäàíèè ñòàöèîíàðíûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ

òóðáèí áîëüøîé ìîùíîñòè (â îòëè÷èå îò àâèàöè-

îííûõ) äî ñåðåäèíû 1990-õ ãîäîâ ñòàäèÿ ìîäåëü-

íûõ èñïûòàíèé ÷àñòî îòñóòñòâîâàëà èç-çà åå äîðî-

ãîâèçíû. Íîâûå áîëüøèå ñòàöèîíàðíûå òóðáèíû

îòïðàâëÿëèñü â ýêñïëóàòàöèþ áåç êàêîé-ëèáî çíà-

÷èòåëüíîé äîâîäêè.

Âî âòîðîé ïîëîâèíå 1990-õ ãîäîâ îïûò ýêñï-

ëóàòàöèè è ïîâûøåíèå óðîâíÿ ñëîæíîñòè âíåäðÿ-

åìûõ òåõíîëîãèé çàñòàâèë ïðîèçâîäèòåëåé ââåñòè

òàê íàçûâàåìóþ ñòàäèþ «îïûòíî-ïðîìûøëåííîé

ýêñïëóàòàöèè», à çàòåì è ñîçäàòü ñîáñòâåííûå

ñòåíäû.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

401

Îïûò êîðïîðàöèè ALSTOM ïîêàçàë, ÷òî ñòà-

äèè «îïûòíî-ïðîìûøëåííîé ýêñïëóàòàöèè» íå-

äîñòàòî÷íî äëÿ óìåíüøåíèÿ ðèñêà ñîçäàíèÿ íî-

âûõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ òóðáèí. Äîâîäêà

â ýêñïëóàòàöèè òóðáèíû íîâûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ

äâèãàòåëåé ALSTOM GT24/GT26 (179/262 ÌÂò)

99…2003 ã.ã. î

áîøëàñü êîìïàíèè â áîëåå ÷åì

â ïÿòü ìèëëèàðäîâ åâðî. Ýòîò îïûò ïîáóäèë êîìïà-

íèþ ïîñòðîèòü ïîëíîðàçìåðíûé ñòåíä äëÿ äîâîä-

êè ìàøèí áîëüøîé ìîùíîñòè è ââåñòè ñïåöèàëü-

íûå êîðïîðàòèâíûå ïðîöåäóðû äëÿ ìèíèìèçàöèè

ðèñêà ïðè ðàçðàáîòêå è âíåäðåíèè íîâûõ òóðáèí-

íûõ òåõíîëîãèé.

Íåäîîöåíêà ðèñêà âíåäðåíèÿ íîâîé êîíñòðóê-

öèè è íåäîñòàòî÷íûé îáúåì èñïûòàíèé ïðèâåëè

ê ïðîáëåìàì â ýêñïëóàòàöèè ñ òóðáèíàìè ñòàöèî-

íàðíûõ äâèãàòåëåé ñåðèè «F» [8.1.4.41] General

Electric Power Systems è ê çàòðàòàì ñòîëü æå îãðîì-

íîãî ìàñøòàáà íà çàìåíó ðîòîðîâ âñåãî ïàðêà äâè-

ãàòåëåé â ýêñïëóàòàöèè.

8.1.3.4 – Êëþ÷åâûå òåõíîëîãèè â

ðàçðàáîòêå òóðáèíû

Ê êëþ÷åâûì òåõíîëîãèÿì, íåîáõîäèìûì ïðè

ðàçðàáîòêå òóðáèíû, ìîæíî îòíåñòè:

- ïðîåêòèðîâàíèå íà ñðåäíåì äèàìåòðå (âû-

áîð îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ);

- àýðîäèíàìè÷åñêîå ïðîåêòèðîâàíèå ëîïàòî÷-

íûõ ðåøåòîê â 2D-ïîñòàíîâêå (íåâÿçêîé è âÿçêîé);

- àýðîäèíàìè÷åñêîå 3D-ìîäåëèðîâàíèå ìíî-

ãîñòóïåí÷àòîé òóðáèíû (íåâÿçêîå è âÿçêîå);

- ìîäåëèðîâàíèå (ãèäðàâëè÷åñêèé è òåïëîâîé

ðàñ÷åò) òåïëîâîãî ñîñòîÿíèÿ ëîïàòîê â 1D, 2D è 3D-

ïîñòàíîâêå;

- ìîäåëèðîâàíèå (ãèäðàâëè÷åñêèé è òåïëîâîé

ðàñ÷åò) òåïëîâîãî ñîñòîÿíèÿ ðîòîðîâ è êîðïóñîâ

â 1D, 2D è 3D-ïîñòàíîâêå;

- öèôðîâîå ãåîìåòðè÷åñêîå (òâåðäîòåëüíîå)

ìîäåëèðîâàíèå â èíæåíåðíîé ñèñòåìå âûñîêîãî

óðîâíÿ (Unigraphics, CATIA);

- ýôôåêòèâíûå ïðîèçâîäñòâåííûå òåõíîëîãèè

æàðîïðî÷íûõ ëîïàòî÷íûõ ñïëàâîâ (â òîì ÷èñëå

íàïðàâëåííîé êðèñòàëëèçàöèè è ìîíîêðèñòàëëè-

÷åñêèõ);

- ýôôåêòèâíûå ïðîèçâîäñòâåííûå òåõíîëîãèè

äëÿ ëèòüÿ ëîïàòîê ñ ìíîãîõîäîâîé ïåòëåâîé ñèñòå-

ìîé îõëàæäåíèÿ;

- òåõíîëîãèè ëîïàòî÷íûõ ïîêðûòèé (òåïëîçà-

ùèòíûõ è ìåòàëëè÷åñêèõ – ïðîòèâ îêèñëåíèÿ

è êîððîçèè);

- ýôôåêòèâíûå ïðîèçâîäñòâåííûå òåõíîëîãèè

ïîðîøêîâûõ ñïëàâîâ äëÿ ðîòîðîâ;

- òåõíîëîãèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé ïðîâåðêè

êîíñòðóêöèè òóðáèíû, îáåñïå÷èâàþùàÿ:

- èäåíòèôèêàöèþ ïðèìåíÿåìîãî ìàòå-

ìàòè÷åñêîãî îáåñïå÷åíèÿ;

- ïðîâåðêó ãîòîâíîñòè íîâîé òåõíîëî-

ãèè;

- ïðîâåðêó ñîîòâåòñòâèÿ òðåáîâàíèÿì

çàêàç÷èêà ïî äîëãîâå÷íîñòè è íàäåæíîñòè (ïîñðåä-

ñòâîì ñåðòèôèêàöèîííûõ è äëèòåëüíûõ èñïûòà-

íèé).

8.1.3.5 – Ýôôåêòèâíàÿ îðãàíèçàöèÿ

ïðîöåññà ïðîåêòèðîâàíèÿ

Îðãàíèçàöèÿ ïðîöåññà ïðîåêòèðîâàíèÿ äîëæ-

íà îáåñïå÷èòü âûïîëíåíèå ïðîåêòà ñ óäåðæàíèåì

ñòîèìîñòè è âðåìåíè ðàçðàáîòêè â äîïóñòèìûõ

ïðåäåëàõ. Îáùàÿ ñõåìà îðãàíèçàöèè ïðîöåññà ðàç-

ðàáîòêè òóðáèíû ïðèâåäåíà íà Ðèñ. 8.1.3.5_1.

Îñíîâíûå óñëîâèÿ îáåñïå÷åíèÿ ýôôåêòèâíî-

ñòè ïðîöåññà ðàçðàáîòêè:

- Ïðèìåíåíèå ñõåìû «ïàðàëëåëüíîãî èíæèíè-

ðèíãà» [8.1.4.42] («èíòåãðèðîâàííîé ðàçðàáîòêè

ïðîäóêòà»), â ïðîöåññå êîòîðîãî ïàðàëëåëüíî âûïîë-

íÿþòñÿ çàäà÷è ðàçðàáîòêè òóðáèíû, âûïîëíÿåìûå

ðàçíûìè ïðîåêòíûìè ãðóïïàìè

(çàäà÷è àýðîäèíà-

ìè÷åñêîãî, òåïëîâîãî, ïðî÷íîñòíîãî è ãåîìåòðè-

÷åñêîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ).

- Ïàðàëëåëüíîå âûïîëíåíèå çàäà÷ ïðîåêòèðî-

âàíèÿ è ïðîèçâîäñòâà (â òîì ÷èñëå ïåðåäà÷à èíæå-

íåðíîé èíôîðìàöèè äëÿ ïðîèçâîäñòâà ïî ìåðå åå

ãîòîâíîñòè, çàêàç çàãîòîâîê, òåõíîëîãè÷åñêàÿ ïîä-

ãîòîâêà ïðîèçâîäñòâà è ñàìî ïðîèçâîäñòâî).

- Ïðîâåäåíèå òåõíè÷åñêèõ îáçîðîâ (Design

Review) ñîñòîÿíèÿ ïðîåêòà äëÿ îöåíêè óðîâíÿ ðèñ-

êà. Ïåðåõîä ê ñëåäóþùåé ñòàäèè ïðîåêòèðîâàíèÿ

âîçìîæåí òîëüêî ïîñëå ïîëîæèòåëüíîãî çàêëþ÷å-

íèÿ ýêñïåðòîâ.

- Îðãàíèçàöèÿ èíôîðìàöèîííîãî îáìåíà ìåæ-

äó ïðîåêòíûìè ãðóïïàìè ïîñðåäñòâîì ñèñòåìû

óïðàâëåíèÿ äàííûìè î ïðîäóêòå (PDM - Product

Data Management).

- Îðãàíèçàöèÿ áàçû äàííûõ î íàêîïëåííûõ çíà-

íèÿõ – ýêñïåðèìåíòàëüíîé, àíàëèòè÷åñêîé

è äðó-

ãîé ïðîåêòíîé èíôîðìàöèè.

- Ãèáêîñòü ïðîåêòíûõ ïðîãðàìì, îáåñïå÷èâà-

þùàÿ âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ èõ êàê â ïðîåê-

òíûõ çàäà÷àõ, òàê è ïðè àíàëèçå ýêñïåðèìåíòà. Ýòà

ãèáêîñòü îáåñïå÷èâàåò êàê ñèñòåìíîñòü â ïîäõîäå

ê ïðîåêòèðîâàíèþ, òàê è ýêîíîìèþ.

- Íàëè÷èå àëüòåðíàòèâíûõ àëãîðèòìîâ (â òîì

÷èñëå áàçèðóþùèõñÿ íà ýêñïåðèìåíòå) äëÿ îäíèõ

è òåõ æå êîíöåïòóàëüíûõ çàäà÷. Ýòîò ïîäõîä îáåñ-

ïå÷èâàåò íàèáîëåå ñèñòåìíûé è îáúåêòèâíûé àíà-

ëèç ïðîáëåì ïðîåêòèðîâàíèÿ.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

402

Ðèñóíîê 8.1.3.5_1 – Ïðîöåññ ðàçðàáîòêè òóðáèíû

Âîçìîæíîñòü çàïîìèíàíèÿ (àðõèâèðîâàíèÿ)

è ïîñëåäóþùåãî âîñïðîèçâåäåíèÿ èíòåðàêòèâíûõ

äèçàéí-ñåññèé äëÿ íîâîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Ýòà âîç-

ìîæíîñòü ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ýêîíîìèòü âðåìÿ

íà ðåøåíèè íåêîòîðûõ ñòàíäàðòíûõ çàäà÷

, à ãëàâ-

íîå – âåðíóòüñÿ ê èñõîäíîé òî÷êå ïðè óõóäøåíèè

õàðàêòåðèñòèê â õîäå ïðîåêòèðîâàíèÿ (îñîáåííî

ïðè 2D àýðîäèíàìè÷åñêîì ïðîåêòèðîâàíèè).

- Âîçìîæíîñòü îáúåäèíåíèÿ ñëîæíûõ ìåòîäîâ

àíàëèçà â åäèíóþ ñèñòåìó, èñïîëüçóþùóþ îäíó

áàçó äàííûõ. Ýòî îáúåäèíåíèå ïîçâîëÿåò ñóùå-

ñòâåííî ñîêðàòèòü íåïðîèçâîäèòåëüíûå çàòðàòû

âðåìåíè íà ïåðåäà÷ó äàííûõ èç îäíîé ïðîãðàììû

â äðóãóþ.

8.1.4 – Ïåðå÷åíü èñïîëüçîâàííîé

ëèòåðàòóðû

8.1.4.1 Àáèàíö Â.Õ. Òåîðèÿ àâèàöèîííûõ ãàçîâûõ

òóðáèí. - Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1979.

8.1.4.2 Smith S.F. A Simple Correlation of Turbine

Efficiency, J. of R.A.S., ¹69, 1965.

8.1.4.3 Ni R.-H. Advanced Modeling Techniques for

New Commercial Engines. ISABE 99-7043, 1999.

8.1.4.4 Wilde G.L. The design and performance of high

temperature turbines in turbofan engines. Aeronautical

Journal, August 1977.

8.1.4.5 Mari C. Trends in the Technological

Developments of Aeroengines: an overview. ISABE

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

403

2001-1012, 2001.

8.1.4.6 Steffens K., Walther R. Driving the

Technological Edge in Airbreathing Propulsion. ISABE

2003-1002, 2003.

8.1.4.7 Rupp O. Maintenance cost forecast for civil

aircraft gas turbine engines. ISABE Paper N 99-7021.

8.1.4.8 Radial revisited. Modern Power Systems,

January 2004.

8.1.4.9 GE Aircraft Engines: CF6-80C2 Engine

Airflow FADEC Control, áåç àâòîðà, USA, 1995.

8.1.4.10 www.geae.com.

8.1.4.11 GE Aircraft Engines: GE90 Engine Airflow,

áåç àâòîðà, USA, 1992.

8.1.4.12 GE Aircraft Engines: GE90 Propulsion

System, áåç àâòîðà, USA, 1991.

8.1.4.13 CFM International: CFM56-5B Engine

Airflow, CFM56-2134, France, 1991.

8.1.4.14 CFM International: CFM56-5B, CFM-2142,

France, 1998.

8.1.4.15 www.CFM56.com

8.1.4.16 Tubbs H., Holland M.J. Advances in Turbine

Technology, ICAS-86-3.7.2, 1986.

8.1.4.17 www.rolls-royce.com/media/gallery/

default.jsp.

8.1.4.18 International Aero Engines: V2500 Engine,

S13975-10, 1999.

8.1.4.19 International Aero Engines: Concourse

V2500, May 1999.

8.1.4.20 www.iaenews.com

8.1.4.21 Pratt&Whitney: PW6000 Engine, S13975-7,

1999.

8.1.4.22 www.pratt-whitney.com/news_presskit

_images/asp.

8.1.4.23 The CFM56 in service. Aircraft Technology

Engineering & Maintenance – June/July 2001.

8.1.4.24 Meggitt solution for CFM56 bearing problem

takes wing. Flight International, June 15-21, 2004.

8.1.4.25 Rolls-Royce: Äâèãàòåëè ôèðìû Rolls-Royce

(Ðîëëñ-Ðîéñ) äëÿ ãðàæäàíñêîé àâèàöèè. Rolls-Royce

535. TS 10281, Ðîëëñ-Ðîéñ ïëê. Äåðáè, Àíãëèÿ,

1992.

8.1.4.26 Benzakein M.J. Propulsion Strategy for the

Century – A Vision into the Future. ISABE 2001-

1005, 2001.

8.1.4.27 European Gas Turbines: The Cyclone.

England, 1997.

8.1.4.28 Harper D., Martin D. Design of the 6C Heavy-

Duty Gas Turbine. GT2003-38686, ASME Turbo Expo

2003.

8.1.4.29 Pritchard J.E., H System

Technology

Update. GT2003-38711, ASME Turbo Expo 2003.

8.1.4.30 Gupta D.K. Materials and Processes for

Affordable and High Performance Propulsion Systems.

ISABE-2001-1104.

8.1.4.31 Êîñòåæ Ì.Ê., Îñèïîâ È.Ë., Ïåòðóíèí Ä.Â.

Ôîêèí À.Ì. Âûáîð îïòèìàëüíîé ñòðàòåãèè ïðè

ïðîåêòèðîâàíèè ãàçîâîé òóðáèíû è åå êîìïîíåí-

òîâ. XLIX Íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ ñåññèÿ ïî ïðîáëå-

ìàì ãàçîâûõ òóðáèí. Ìîñêâà, 2002.

8.1.4.32 Power Struggle. Maintenance Repair &

Overhaul. Nov./Dec.1999.

8.1.4.33 Airlines Continue the Search for Improved

Reliability. MRO Management, June 2003.

8.1.4.34 Soditis S. Turbine Engine Maintenance and

Overhaul. AIAA 97-2630. AIAA /ASME /SAE /ASEE

Joint Propulsion Conference and Exhibit, Seattle, USA,

July 1997.

8.1.4.35 PW2000 – a mature performer. Aircraft

Technology Engineering & Maintenance – October/

November 2003.

8.1.4.36 PW4000 engine focus. Aircraft Technology

Engineering & Maintenance – August/September 2002.

8.1.4.37 Service Solutions. Volume 3, Issue 2, March-

April 2003. GE Engine Services.

8.1.4.38 A Phoenix rises… Aircraft Technology

Engineering & Maintenance – April/May 2002.

8.1.4.39 Jones M., Birch N., Bradbrook S. Evolutions

in Aircraft Engine Design and a Vision for the Future.

ISABE 2001-1014.

8.1.4.40 GP7000 – Power for the A380. Aircraft

Technology Engineering & Maintenance – Paris 2003

Special

8.1.4.41 Advanced gas turbine teething troubles.

Modern Power Systems, September 1996.

8.1.4.42 Dodd, A.G., Butcher, M.C. The use of

simultaneous engineering for the design and

manufacture of the Low Pressure Turbine for the Rolls-

Royce Trent engine. Rolls-Royce, 1991.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

404

8.2 - Àýðîäèíàìè÷åñêîå

ïðîåêòèðîâàíèå òóðáèíû

Ïðîåêòèðîâàíèå òóðáèíû íà÷èíàåòñÿ ñ «àýðî-

äèíàìèêè» – âûáîðà êîëè÷åñòâà ñòóïåíåé è ðàçìå-

ðîâ ïðîòî÷íîé ÷àñòè. Ïðèíèìàåìûå íà ýòîé ñòàäèè

ðåøåíèÿ ôàêòè÷åñêè ïðåäîïðåäåëÿþò îáëèê áóäó-

ùåé òóðáèíû, åå êîíñòðóêòèâíûå îñîáåííîñòè è âîç-

ìîæíîñòü óäîâëåòâîðåíèÿ òðåáîâàíèé, êîòîðûå îíà

äîëæíà îáåñïå÷èòü, êîíêóðåíòîñïîñîáíîñòü, ñåáå-

ñòîèìîñòü, à òàêæå ñòîèìîñòü ðàçðàáîòêè.

8.2.1 - Ýòàïû è êëþ÷åâûå

òåõíîëîãèè àýðîäèíàìè÷åñêîãî

ïðîåêòèðîâàíèÿ

Ýòàïû àýðîäèíàìè÷åñêîãî ïðîåêòè-

ðîâàíèÿ

Äèàãðàììà íà Ðèñ. 8.2.1_1 [8.2.11.1] íàãëÿäíî

ïîêàçûâàåò ñòåïåíü ïðåäîïðåäåëåííîñòè ñòîèìî-

ñòè æèçíåííîãî öèêëà óçëîâ äâèãàòåëÿ íà ñòàäèÿõ

åãî æèçíåííîãî öèêëà. Óæå íà ñòàäèè ïðåäâàðè-

òåëüíîãî (îäíîìåðíîãî) ïðîåêòèðîâàíèÿ ïðåäîïðå-

äåëÿåòñÿ äâå òðåòè çàòðàò. Ñîîòâåòñòâåííî, ïðåäîï-

ðåäåëÿåòñÿ ñòîèìîñòü è äðóãèå õàðàêòåðèñòèêè

òóðáèíû.

Ècñëåäîâàíèå ôèðìû Boeing ïðèìåíèòåëüíî

ê ïðîåêòèðîâàíèþ àâèàöèîííûõ òóðáèí [8.2.11.2]

Ðèñóíîê 8.2.1_1 – Èçìåíåíèå ïðåäîïðåäåëåííîñòè

ñòîèìîñòè æèçíåííîãî öèêëà

òóðáèíû, ïðîèçâåäåííûõ çàòðàò

è ñóììû çíàíèé î òóðáèíå â çàâè-

ñèìîñòè îò ýòàïà æèçíåííîãî

öèêëà [8.2.11. 1]

Ýòàï 1 – ïðåäâàðèòåëüíîå ïðîåê-

òèðîâàíèå; ýòàï 2 – ïðîåêòèðî-

âàíèå è èñïûòàíèÿ; ýòàï 3 – ïðî-

èçâîäñòâî; ýòàï 4 – ýêñïëóàòàöèÿ

;

ýòàï 5 – ñïèñàíèå

ïîêàçàëî, ÷òî íà ñòàäèè âûáîðà îñíîâíûõ ïàðàìåò-

ðîâ òðàòèòñÿ ìåíåå 1% ñòîèìîñòè æèçíåííîãî öèê-

ëà. Íî ïðè ýòîì ïðèíèìàþòñÿ ðåøåíèÿ, îïðåäåëÿ-

þùèå 80% âñåõ áóäóùèõ ðàñõîäîâ.

Àýðîäèíàìè÷åñêîå ïðîåêòèðîâàíèå òóðáèíû

âêëþ÷àåò äâà ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâûõ ïî âàæíîñ-

òè áàçîâûõ ýòàïà: îäíîìåðíîå ïðîåêòèðîâàíèå òóð-

áèíû è ïðîåêòèðîâàíèå ëîïàòî÷íûõ âåíöîâ.

Îäíîìåðíîå ïðîåêòèðîâàíèå íà ñðåäíåì äèà-

ìåòðå ñ âûáîðîì îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ è äîñòî-

âåðíîé îöåíêîé îñíîâíûõ ïîêàçàòåëåé òóðáèí

âêëþ÷àåò ñëåäóþùèå òåõíîëîãèè:

- âûáîð êîëè÷åñòâà ñòóïåíåé;

- îïðåäåëåíèå ðàçìåðîâ ïðîòî÷íîé ÷àñòè;

- âûáîð êîëè÷åñòâà ëîïàòîê;

- ðàñïðåäåëåíèå óäåëüíîé ðàáîòû è ðåàêòèâ-

íîñòè ìåæäó ñòóïåíÿìè;

- âûáîð ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ, ðàñõîäîâ âîçäó-

õà è ñèñòåìû âòîðè÷íûõ ïîòîêîâ;

- îïðåäåëåíèå äîñòèæèìîãî óðîâíÿ ê.ï.ä.;

- îïðåäåëåíèå òåïëîíàïðÿæåííîñòè è äîñòè-

æèìîãî óðîâíÿ äîëãîâå÷íîñòè;

- îöåíêà ìàññû;

îöåíêà ïðîèçâîäñòâåííîé ñåáåñòîèìîñòè

è ñòîèìîñòè îáñëóæèâàíèÿ

Àýðîäèíàìè÷åñêîå ïðîåêòèðîâàíèå ëîïàòî÷-

íûõ âåíöîâ âêëþ÷àåò ñëåäóþùèå òåõíîëîãèè:

ñèíòåç ãåîìåòðèè ïðîôèëÿ (ñå÷åíèÿ âåíöà)

ñ ó÷åòîì îãðàíè÷åíèé (âîçìîæíîñòè ïðîèçâîäñòâà,

îõëàæäåíèå, ñòàòè÷åñêàÿ è äèíàìè÷åñêàÿ ïðî÷

íîñòü);

- àíàëèç è îïòèìèçàöèÿ àýðîäèíàìè÷åñêèõ

õàðàêòåðèñòèê ðåøåòêè ïðîôèëåé ñ èñïîëüçîâàíè-

åì 2D-ìîäåëèðîâàíèÿ ïîòîêà: íåâÿçêîãî (ïî óðàâ-

íåíèÿì Ýéëåðà) è âÿçêîãî (ïî óðàâíåíèÿì Íàâüå-

Ñòîêñà);

- ôîðìèðîâàíèå ëîïàòî÷íîãî âåíöà èç áàçîâûõ

ñå÷åíèé ñ ó÷åòîì àýðîäèíàìèêè, à òàêæå îãðàíè-

÷åíèé ïî ñèñòåìå îõëàæäåíèÿ;

- ñêâîçíîå ÷èñëåííîå 3D-ìîäåëèðîâàíèå ïî-

òîêà â ìíîãîñòóïåí÷àòîé òóðáèíå - íåâÿçêîå (ïî

óðàâíåíèÿì Ýéëåðà) è âÿçêîå (ïî óðàâíåíèÿì Íà-

âüå-Ñòîêñà);

- àíàëèç è îïòèìèçàöèÿ àýðîäèíàìè÷åñêèõ

õàðàêòåðèñòèê âåíöîâ;

- ÷èñëåííîå 2D/3D-ìîäåëèðîâàíèå íåñòàöèî-

íàðíîãî ïîòîêà â ìíîãîñòóïåí÷àòîé òóðáèíå â íå-

âÿçêîé è âÿçêîé ïîñòàíîâêå.

Îäíîìåðíîå ïðîåêòèðîâàíèå íà ñðåäíåì äèà-

ìåòðå ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå âàæíûì ýòàïîì ïðîåêòè-

ðîâàíèÿ òóðáèíû.

Âî-ïåðâûõ, îíî çàêëàäûâàåò òå ãðàíèöû (îñ-

íîâíûå ïàðàìåòðû), â ðàìêàõ êîòîðûõ äîëæåí áûòü

ðåàëèçîâàí ïðîåêò è êîòîðûå âî ìíîãîì ïðåäîïðå-

äåëÿþò ïîòåíöèàëüíûå ðåçóëüòàòû, äîñòèæèìûå íà

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

405

îñíîâå áîëåå ñëîæíûõ è ñîâðåìåííûõ òåõíîëîãèé

÷èñëåííîãî àíàëèçà ïîòîêà.

Âî-âòîðûõ, ïðèíèìàåìûå íà ýòîì ýòàïå ðåøå-

íèÿ ôàêòè÷åñêè ñîõðàíÿþò ñâîþ ñèëó íà ïðîòÿæå-

íèè âñåãî æèçíåííîãî öèêëà òóðáèíû – à îí äîñ-

òèãàåò 40…50 ëåò. Äëÿ íåêîòîðûõ äâèãàòåëåé,

êîíâåðòèðîâàííûõ èç àâèàöèîííûõ â ïðîìûøëåí-

íûå, æèçíåííûé öèêë òóðáèíû ÿâíî áóäåò âûøå

50 ëåò. Íà ïðîòÿæåíèè æèçíåííîãî öèêëà êðàéíå

ðåäêî – èç-çà äîðîãîâèçíû ðåàëèçàöèè – ïðèíèìà-

þòñÿ ðåøåíèÿ îá èçìåíåíèè îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ,

ïðèíÿòûõ â õîäå îäíîìåðíîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ.

Â ïåðâóþ î÷åðåäü ïðèíèìàþòñÿ ðåøåíèÿ

î ñìåíå ìàòåðèàëà, ïðèìåíåíèè ïîêðûòèÿ, ìîäè-

ôèêàöèè êîíñòðóêöèè ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ. Â ïîñ-

ëåäíþþ î÷åðåäü ìîäèôèöèðóåòñÿ àýðîäèíàìèêà.

Ïðîòî÷íàÿ ÷àñòü èçìåíÿåòñÿ êðàéíå ðåäêî, à ðåøå-

íèå îá èçìåíåíèè êîëè÷åñòâà ñòóïåíåé

óæå îçíà-

÷àåò íà÷àëî ðàçðàáîòêè íîâîé òóðáèíû.

Òàêèì îáðàçîì, ïðàâèëüíûå ðåøåíèÿ íà ýòà-

ïå îäíîìåðíîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ îïðåäåëÿþò êîí-

êóðåíòîñïîñîáíîñòü òóðáèíû â òå÷åíèå âñåãî æèç-

íåííîãî öèêëà.

Êëþ÷åâûå òåõíîëîãèè àýðîäèíàìè-

÷åñêîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ

Ê êëþ÷åâûì òåõíîëîãèÿì àýðîäèíàìè÷åñêî-

ãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ìîæíî îòíåñòè ñëåäóþùèå òåõ-

íîëîãèè:

- îäíîìåðíîå (íà ñðåäíåì äèàìåòðå) ïðîåêòè-

ðîâàíèå òóðáèíû;

- îäíîìåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïîòåðü ýíåðãèè

â ëîïàòî÷íûõ âåíöàõ òóðáèíû;

- 2D/3D-ìîäåëèðîâàíèå íåâÿçêîãî (ïî óðàâíå-

íèÿì Ýéëåðà) ïîòîêà â ïðîòî÷íîé ÷àñòè òóðáèíû;

- 2D/3D-ìîäåëèðîâàíèå âÿçêîãî (ïî óðàâíåíè-

ÿì Íàâüå-Ñòîêñà) ïîòîêà â òóðáèíå;

- ñèíòåç 2D è 3D-ãåîìåòðèè ëîïàòî÷íîãî âåí-

öà òóðáèíû.

8.2.2 - Òåõíîëîãèÿ îäíîìåðíîãî

ïðîåêòèðîâàíèÿ òóðáèíû

Âûáîð êîëè÷åñòâà ñòóïåíåé è ïðî-

òî÷íîé ÷àñòè

Âûáîð êîëè÷åñòâà ñòóïåíåé è ðàçìåðîâ ïðî-

òî÷íîé ÷àñòè ïðîèñõîäèò îäíîâðåìåííî, òàê êàê

íåîáõîäèìàÿ îêðóæíàÿ ñêîðîñòü çàâèñèò îò ñòåïå-

íè ðàñøèðåíèÿ íà êàæäîé ñòóïåíè, à ðàñïîëàãàå-

ìàÿ âåëè÷èíà îêðóæíîé ñêîðîñòè íåïîñðåäñòâåí-

íî çàâèñèò îò äèàìåòðà.

Ïðè âûáîðå ïðîòî÷íîé ÷àñòè íåîáõîäèìî

îáåñïå÷èòü äîñòàòî÷íóþ îêðóæíóþ ñêîðîñòü è îï-

òèìàëüíîå çíà÷åíèå îñåâîé ñêîðîñòè ãàçà (äëÿ îáåñ-

ïå÷åíèÿ ïðèåìëåìîãî ïî ê.ï.ä. òðåóãîëüíèêà ñêî-

ðîñòåé). Ïðè ýòîì ïàðàìåòð íàïðÿæåíèé Fn

(ïðîèçâåäåíèå îñåâîé ïëîùàäè íà ÷àñòîòó âðàùå-

íèÿ â êâàäðàòå) äîëæåí îñòàâàòüñÿ â ïðèåìëåìûõ

ïðåäåëàõ.

Îêðóæíàÿ ñêîðîñòü êîëåñà è îñåâàÿ ñêîðîñòü

ãàçà äîëæíû îáåñïå÷èâàòü ïðèåìëåìîå ïî ïîòåðÿì

ýíåðãèè ñî÷åòàíèå óäåëüíîé àýðîäèíàìè÷åñêîé

íàãðóçêè

∆∆

∆

H/U

è îòíîñèòåëüíîé îñåâîé ñêîðîñòè

ãàçà Ñà/U.

Óìåíüøåíèå îñåâîé ñêîðîñòè íà âûõîäå ïðè-

âîäèò ê óìåíüøåíèþ ïîòåðü ïîëíîãî äàâëåíèÿ

â âû-

õîäíîì óñòðîéñòâå è óâåëè÷åíèþ ïåðåïàäà ïîëíîãî

äàâëåíèÿ íà òóðáèíå, ò.å. åå ìîùíîñòè. Óìåíüøå-

íèå îñåâîé ñêîðîñòè ìîæåò áûòü îáåñïå÷åíî òîëü-

êî óâåëè÷åíèåì äëèíû ëîïàòîê òóðáèíû, óâåëè÷å-

íèåì íàïðÿæåíèé â ëîïàòêàõ, çàìêàõ è äèñêàõ.

Íà Ðèñ. 8.2.2_1 ïðèâåäåíû àáñîëþòíûå çíà-

÷åíèÿ ñêîðîñòåé ãàçà íà âûõîäå èç ðåàëèçîâàííûõ

êîíñòðóêöèé ñèëîâûõ òóðáèí.

Äëÿ ñîõðàíåíèÿ ìàòåðèàëüíîé ÷àñòè äîïóñ-

êàþòñÿ âûñîêèå óðîâíè âûõîäíîé ñêîðîñòè. GE

â 40-ìåãàâàòòíîì ïðîìûøëåííîì äâèãàòåëå

LM6000ÐÀ/B

ïðè ïîëíîì ñîõðàíåíèè ìàòåðèàëü-

íîé ÷àñòè ÒÂÄ è ÒÍÄ ñ àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ

CF6-80C2 äîïóñòèëà âûõîäíóþ ñêîðîñòü îêîëî

340 ì/ñ. Äàæå

ñ ïåðåïðîåêòèðîâàííûìè â ñåðåäè-

íå 1990-õ ïîñëåäíèìè ñòóïåíÿìè ÒÍÄ (äëÿ óâåëè-

÷åíèÿ îñåâîé ïëîùàäè íà âûõîäå - â ìîäåëè

LM6000ÐÑ/D) âûõîäíàÿ ñêîðîñòü ñîñòàâèëà íå

ìåíåå 300 ì/ñ.

Â çàíîâî ñîçäàâàåìûõ ÑÒ óðîâåíü âûõîäíîé

ñêîðîñòè ñóùåñòâåííî íèæå. Îí ñîñòàâëÿåò îò

160 ì/ñ

(LM1600,LM2500+) äî 190 ì/ñ (LM5000).

Â ýòîì æå äèàïàçîíå íàõîäÿòñÿ è âûõîäíûå ñêîðîñ-

òè â ÏÑ-90ÃÏ-1/2.

Ýòîò óðîâåíü è ñëåäóåò ñ÷èòàòü

áëèçêèì ê îïòèìàëüíîìó, õîòÿ ñóùåñòâóþò è êîí-

ñòðóêöèè ñ åùå áîëåå íèçêèì óðîâíåì âûõîäíîé

ñêîðîñòè – íàïðèìåð, Ì80 («Çîðÿ-Ìàøïðîåêò»,

ã.Íèêîëàåâ).

Âûáîð îñåâîé ñêîðîñòè íåïîñðåäñòâåííî

âëèÿåò è íà ãåîìåòðè÷åñêóþ êîíôóçîðíîñòü âåí-

öîâ (îòíîøåíèå ïëîùàäè ìåæëîïàòî÷íîãî êàíà-

ëà íà âõîäå ê ïëîùàäè ìèíèìàëüíîãî ñå÷åíèÿ

ìåæëîïàòî÷íîãî êàíàëà íà âûõîäå). Îïòèìàëüíàÿ

âåëè÷èíà êîíôóçîðíîñòè ñîñòàâëÿåò 1.6…2.0 (íå-

æåëàòåëüíî îïóñêàòü åå íèæå 1.4).

Êîíôóçîðíîñòü

îïðåäåëÿåò óñêîðåíèå ïîòîêà â âåíöå è óðîâåíü

ïîòåðü (îñîáåííî âòîðè÷íûõ ïîòåðü) â âåíöå.

Äîïóñòèìîå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà íàïðÿæå-

íèé (ïðè èçìåðåíèè â ì

(îá/ìèí)

/10

) ïðèáëè-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

406

Ðèñóíîê 8.2.2_1 - Àáñîëþòíûå ñêîðîñòè ãàçà íà âûõîäå èç ñèëîâûõ òóðáèí àâèàïðîèçâîäíûõ äâèãàòåëåé

æåííî ñîîòâåòñòâóåò óðîâíþ íàïðÿæåíèé ðàñòÿ-

æåíèÿ

â ðàáî÷åé ëîïàòêå â êã/ìì

. Íåæåëàòåëüíî

èìåòü åãî áîëåå 25…30 äëÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê ÒÂÄ

(ðàáîòàþùèõ ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ) è áîëåå

40…45 äëÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê ïîñëåäíèõ ñòóïåíåé

òóðáèíû. Â ðåàëèçîâàííûõ êîíñòðóêöèÿõ íàèáîëåå

íàïðÿæåííûõ â ýòîì îòíîøåíèè îäíîñòóïåí÷àòûõ

ÒÂÄ ïàðàìåòð íàïðÿæåíèé âàðüèðóåòñÿ (íà ðåæè-

ìå Redline) îò 24.8 (CFM56) äî 31.7 (PW6000). Äëÿ

ñàìîãî ñîâðåìåííîãî âîåííîãî äâèãàòåëÿ F119 ïà-

ðàìåòð íàïðÿæåíèé ðàâåí 32.4 [8.2.11.3]. Äëÿ ÒÂÄ

ïåðñïåêòèâíîãî ãàçîãåíåðàòîðà Pratt&Whitney

XTC67/1 Fn

= 38.5. Ýòîò ãàçîãåíåðàòîð ðàçðàáàòû-

âàåòñÿ ïî ïðîãðàììå ðàçðàáîòêè ïåðñïåêòèâíîé

òåõíîëîãèè IHPTET ïðàâèòåëüñòâà ÑØÀ è äîëæåí

îáåñïå÷èòü äëÿ áóäóùèõ âîåííûõ äâèãàòåëåé óâå-

ëè÷åíèå îòíîøåíèÿ òÿãè ê âåñó íà 100% è óâåëè-

÷åíèå òåìïåðàòóðû ïåðåä òóðáèíîé íà 220

[8.2.11.3].

Íà Ðèñ. 8.2.2_2 ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ ïàðàìåò-

ðà íàïðÿæåíèé äëÿ íåêîòîðûõ òóðáèí ïðîìûøëåí-

íûõ äâèãàòåëåé ñ ïîëåçíîé ìîù-íîñòüþ äî 16 ÌÂò.

Çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà óäåëüíîé àýðîäèíàìè÷åñ-

êîé íàãðóçêè (

∆∆

∆

H/U

) è îòíîñèòåëüíîé îñåâîé ñêî-

ðîñòè (Ñx/U) íà «äèàãðàììå Ñìèòà» îïðåäåëÿþò

äîñòèæèìûé ê.ï.ä. òóðáèíû. Ïîäîáíûå äèàãðàì-

ìû, ïîñòðîåííûå íà îñíîâå ñîáñòâåííûõ îäíîìåð-

íûõ ïîëóýìïèðè÷åñêèõ ìîäåëåé ïîòåðü ýíåðãèè

â ëîïàòî÷íûõ ðåøåòêàõ è èäåíòèôèöèðîâàííûå ïî

íàòóðíîìó ýêñïåðèìåíòó, ïðîäîëæàþò èñïîëüçî-

âàòüñÿ äëÿ âûáîðà ïàðàìåòðîâ íîâûõ ïðîåêòîâ (ñì.

Ðèñ. 8.2.2_3).

Âûáîð îñåâûõ ðàçìåðîâ òóðáèíû

Âûáîð îñåâûõ ðàçìåðîâ ñâîäèòñÿ ê âûáîðó

óäëèíåíèÿ ëîïàòîê (îòíîøåíèÿ äëèíû ëîïàòêè ïî

âûõîäíîé êðîìêå ê ñðåäíåé îñåâîé õîðäå) è îñå-

âûõ çàçîðîâ ìåæäó ëîïàòî÷íûìè âåíöàìè.

Óâåëè÷åííîå óäëèíåíèå ñïîñîáñòâóåò óìåíü-

øåíèþ óðîâíÿ âòîðè÷íûõ ïîòåðü (óäëèíåíèå ìå-

íåå 1.5 ïðèâîäèò ê îñîáåííî ñèëüíîìó âîçðàñòà-

íèþ ïîòåðü) è óìåíüøåíèþ ìàññû ëîïàòîê.

Ïîýòîìó äëÿ àâèàöèîííûõ ÒÍÄ, äëÿ êîòîðûõ âîï-

ðîñû ñíèæåíèÿ ìàññû îñîáåííî îñòðû, õàðàêòåð-

íû ïîâûøåííûå çíà÷åíèÿ óäëèíåíèé. Óâåëè÷åíèå

óäëèíåíèÿ çà ñ÷åò îñåâîé õîðäû óâåëè÷èâàåò àýðî-

äèíàìè÷åñêóþ íàãðóçêó ëîïàòîê, õàðàêòåðèçóåìóþ

êîýôôèöèåíòîì Öâàéôåëÿ [8.2.11.8] (êîýôôèöèåíò

Öâàéôåëÿ îïðåäåëÿåò óðîâåíü àýðîäèíàìè÷åñêîé

íàãðóçêè íà ïëîùàäü îñåâîé ïðîåêöèè ëîïàòêè â ï-

ðîòî÷íîé ÷àñòè) è óõóäøàåò ïðî÷íîñòíûå õàðàêòå-

ðèñòèêè ëîïàòîê – îñîáåííî ñòîéêîñòü ê âèáðàöè-

îííûì íàãðóçêàì.

Äëÿ îðèåíòèðîâî÷íîãî âûáîðà óäëèíåíèé ëî-

ïàòîê íåîõëàæäàåìûõ òóðáèí (ÒÍÄ è ÑÒ) ìîæíî

èñïîëüçîâàòü Ðèñ. 8.2.2_4, íà êîòîðîì ïðèâåäåíû

äàííûå ïî ðÿäó ñîâðåìåííûõ òóðáèí.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

407

Ðèñóíîê 8.2.2_2 – Ïàðàìåòð íàïðÿæåíèé äëÿ ðàáî÷åé ëîïàòêè ïîñëåäíåé ñòóïåíè ñèëîâîé òóðáèíû ðÿäà

ïðîìûøëåííûõ äâèãàòåëåé

Ðèñóíîê 8.2.2_3 – Âàðèàíòû äèàãðàììû Ñìèòà, ïðèìåíÿåìûå Rolls-Royce

à) Íà äèàãðàììå íàíåñåíû òî÷êè äëÿ êàæäîé ñòóïåíè ìíîãîñòóïåí÷àòûõ ÒÍÄ Trent 500,

Trent 800, BR715 è äëÿ êàæäîé èç ýòèõ òóðáèí â öåëîì [8.2.4];

á) äèàãðàììà ñ íàíåñåííûìè íà íåé ëèíèÿìè ïîñòîÿííîãî (îñðåäíåííîãî) óãëà ïîâîðîòà

ïîòîêà â ëîïàòêàõ è òî÷êàìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè ðåàëèçîâàííûì ÒÍÄ [8.2.11.5]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

408

Ðèñóíîê 8.2.2_4 – Îòíîñèòåëüíûå óäëèíåíèÿ ëîïàòîê àâèàöèîííûõ òóðáèí

Íà ðèñóíêå âèäíî, ÷òî êàêàÿ-ëèáî ñèñòåìàòè-

çàöèÿ ïðèâåäåííûõ ñòàòèñòè÷åñêèõ äàííûõ çàòðóä-

íåíà è êîððåëÿöèÿ ñ ïðèâåäåííûìè çàâèñèìîñòÿìè

Â.Õ.Àáèàíöà [8.2.11.6]

âåñüìà óñëîâíà. Â êà÷åñòâå

ïåðâîãî ïðèáëèæåíèÿ ëó÷øå èñïîëüçîâàòü äàííûå

ïðîòîòèïà.

Âûáîð îñåâîãî çàçîðà ïðîèçâîäèòñÿ ñ ó÷åòîì:

- íåîáõîäèìîñòè âûðàâíèâàíèÿ ïîòîêà ìåæ-

äó ðåøåòêàìè (äëÿ ìèíèìèçàöèè êîëåáàíèé ñòà-

òè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íà ïðîôèëå ïîñëåäóþùåé ðå-

øåòêè èç-çà ñëåäîâ ïðåäûäóùåé) – ñ ýòîé òî÷êè

çðåíèÿ çàçîð íåîáõîäèìî óâåëè÷èâàòü;

- ìèíèìàëüíîãî óðîâíÿ äîïîëíèòåëüíûõ ïî-

òåðü ïîëíîãî äàâëåíèÿ â óâåëè÷åííîì îñåâîì çà-

çîðå è âûðàâíèâàíèè ïîòîêà (ñ ýòîé òî÷êè çðåíèÿ

öåëåñîîáðàçåí ìèíèìàëüíûé çàçîð).

Íà Ðèñ. 8.2.2_5 ïîêàçàíî âëèÿíèå ïåðåïðîåê-

òèðîâàíèÿ ïðîòî÷íîé ÷àñòè äâóõñòóïåí÷àòîé ÒÂÄ

[8.2.11.7] ñ óâåëè÷åíèåì îñåâîãî çàçîðà ìåæäó ñî-

ïëîâîé è ðàáî÷åé ëîïàòêàìè. Óâåëè÷åíèå çàçîðà

ïîçâîëèëî ñóùåñòâåííî óìåíüøèòü êîëåáàíèÿ ñòà-

òè÷åñêîãî äàâëåíèÿ (è ñêîðîñòè) íà ïðîôèëå ðàáî-

÷åé ëîïàòêè ñ óâåëè÷åíèåì àýðîäèíàìè÷åñêîé ýô-

ôåêòèâíîñòè òóðáèíû ïðèìåðíî íà 0.3%.

Íåîáõîäèìàÿ äëÿ âûðàâíèâàíèÿ âåëè÷èíà çà-

çîðà çàâèñèò îò óðîâíÿ ñêîðîñòè ïîòîêà çà ïðåäû-

äóùåé ðåøåòêîé - ñ óâåëè÷åíèåì ñêîðîñòè îíà óâå-

ëè÷èâàåòñÿ. Äëÿ òðàíñçâóêîâûõ ñêîðîñòåé ìîæíî

îðèåíòèðîâàòüñÿ íà îïòèìàëüíóþ âåëè÷èíó çàçî-

ðà äî 65% îò âåëè÷èíû îñåâîé õîðäû ïðåäûäóùåé

ðåøåòêè, à äëÿ äîçâóêîâûõ ñêîðîñòåé ÒÍÄ/ÑÒ -

40%. Çäåñü òîæå ìîæíî ïîðåêîìåíäîâàòü èñïîëü-

çîâàòü äàííûå î ïðîòîòèïå èëè ïðîòî÷íóþ ÷àñòü

îäíîé èç èçâåñòíûõ òóðáèí.

Êîíôèãóðàöèÿ ïðîòî÷íîé ÷àñòè

Ïðè âûáîðå óãëîâ íàêëîíà ïðîòî÷íîé ÷àñòè

íàäî ó÷èòûâàòü îòðèöàòåëüíîå âëèÿíèå áîëüøèõ

(ñâûøå 15 ãðàäóñîâ ) çíà÷åíèé ýòèõ óãëîâ íà àýðî-

äèíàìè÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü ëîïàòî÷íîãî âåíöà,

îñîáåííî ïî íàðóæíîìó äèàìåòðó. Ïðè ýòîì óìåíü-

øàåòñÿ ìåñòíàÿ êîíôóçîðíîñòü (îòíîøåíèå ïëîùà-

äè íà âõîäå ê ïëîùàäè íà âûõîäå) âåíöà íà ïåðè-

ôåðèè ïðîòî÷íîé ÷àñòè è âîçíèêàåò ðàäèàëüíàÿ

ñîñòàâëÿþùàÿ ñêîðîñòè ïîòîêà, èñêàæàþùàÿ ïîëå

òå÷åíèÿ.

Â òóðáèíàõ ÂÄ òðàíñçâóêîâûå ñêîðîñòè ïî-

òîêà è îòíîñèòåëüíî ìàëàÿ äëèíà ëîïàòîê (ïðè-

âîäÿùàÿ ê çíà÷èòåëüíîìó âëèÿíèþ ïåðèôåðèé-

íûõ îáëàñòåé ïðîòî÷íîé ÷àñòè) îãðàíè÷èâàþò

ïðèìåíÿåìûå óãëû íàêëîíà âåëè÷èíîé 10…15

ãðàäóñîâ íà ñòîðîíó è îíè ðåäêî ïðåâûøàþò 20

ãðàäóñîâ.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

409

Ìàêñèìàëüíûå óãëû ðàñêðûòèÿ îáû÷íî èìå-

þò ìåñòî â ïåðâûõ ñòóïåíÿõ ÒÍÄ. Èç äàííûõ îò-

êðûòîé ëèòåðàòóðû ìîæíî îòìåòèòü ïðèíÿòûå ïðè

ïðîåêòèðîâàíèè ïðîòî÷íîé ÷àñòè ÒÍÄ äâèãàòåëÿ

GE îãðàíè÷åíèÿ ïî ìàêñèìàëüíîìó óãëó íàêëî-

íà ïðîòî÷íîé ÷àñòè â 25 ãðàäóñîâ. Àíàëèç ñóùå-

ñòâóþùèõ êîíñòðóêöèé ïîêàçûâàåò, ÷òî îáû÷íî

óãëû íàêëîíà ïðîòî÷íîé ÷àñòè òóðáèíû íå ïðåâû-

øàþò 30 ãðàäóñîâ.

Âûáîð êîíôèãóðàöèè ïðîòî÷íîé ÷àñòè íàä

áåñïîëî÷íûìè ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè èìååò äîïîë-

íèòåëüíóþ îñîáåííîñòü - ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ èç-

âåñòíûõ êîíñòðóêöèÿõ êîðïóñ èìååò öèëèíäðè÷åñ-

êóþ ïîâåðõíîñòü.

Ïîñòîÿííûé äèàìåòð ïðîòî÷íîé ÷àñòè ïîçâî-

ëÿåò èñêëþ÷èòü âëèÿíèå âçàèìíûõ îñåâûõ ïåðå-

ìåùåíèé ðîòîðà è ñòàòîðà íà ðàäèàëüíûé çàçîð.

Ïðè êîíè÷åñêîé ïðîòî÷íîé ÷àñòè íåäîñòàòî÷íàÿ

òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ îñåâûõ ïåðåìåùåíèé âíî-

ñèò íåîïðåäåëåííîñòü â âåëè÷èíó ðàäèàëüíîãî çà-

çîðà â ðàáî÷åì ñîñòîÿíèè.

Ïî ðåçóëüòàòàì ïðåäâàðèòåëüíîãî àíàëèçà

ñòðîèòñÿ ïðîòî÷íàÿ ÷àñòü òóðáèíû

(ñì. Ðèñ. 8.2.2_6)

äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ ïðè ïðîåêòèðîâàíèè.

Â õîäå ïðîåêòèðîâàíèÿ íåîáõîäèìî ïðîðàáà-

òûâàòü âîçìîæíîñòü ñîõðàíåíèÿ ìàêñèìàëüíîãî

êîëè÷åñòâà äåòàëåé òóðáèíû-ïðîòîòèïà (åñëè îíà

åñòü), îñîáåííî äèñêîâ è êîðïóñîâ, à òàêæå âõîä-

Ðèñóíîê 8.2.2_5 – Âëèÿíèå îñåâîãî çàçîðà íà ðàñïðåäåëåíèå ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ ïî ïðîôèëþ ðàáî÷åé

ëîïàòêè ïåðâîé ñòóïåíè ÒÂÄ (Pratt&Whitney)

íûõ è âûõîäíûõ óñòðîéñòâ (òàêèõ êàê ïåðåõîäíûå

êàíàëû íà âõîäå è çàäíÿÿ îïîðà íà âûõîäå). Âñå ýòè

ñîîáðàæåíèÿ îáåñïå÷èâàþò ìàêñèìàëüíóþ ïðååì-

ñòâåííîñòü è ìèíèìàëüíóþ ñåáåñòîèìîñòü íîâîé

òóðáèíû, à â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè – è óìåíüøå-

íèå çàòðàò íà äîâîäêó.

Àýðîäèíàìè÷åñêàÿ îïòèìèçàöèÿ íà

ñðåäíåì äèàìåòðå

Àýðîäèíàìè÷åñêàÿ îïòèìèçàöèÿ íà ñðåäíåì

äèàìåòðå ïðîèçâîäèòñÿ íà îñíîâå ñëåäóþùèõ ÷àñ-

òíûõ êðèòåðèåâ ïðîåêòèðîâàíèÿ, ñ ïîìîùüþ êîòî-

ðûõ îïòèìèçèðóþòñÿ òðåóãîëüíèêè ñêîðîñòåé

è îáåñïå÷èâàåòñÿ ìèíèìàëüíûé óðîâåíü ïîòåðü

ýíåðãèè â ëîïàòî÷íûõ âåíöàõ:

- îäèíàêîâûõ óãëîâ ïîâîðîòà ïîòîêà â ëîïà-

òî÷íûõ ðåøåòêàõ;

- îäèíàêîâûå ñêîðîñòè ïîòîêà çà ëîïàòî÷íû-

ìè ðåøåòêàìè òóðáèíû;

- îïòèìàëüíîå ñîîòíîøåíèå âòîðè÷íûõ è ïðî-

ôèëüíûõ (êðîìî÷íûõ) ïîòåðü çà ñ÷åò âûáîðà ÷èñ-

ëà ëîïàòîê;

- ñòåïåíü ðåàêòèâíîñòè (òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ)

â êîðíåâûõ ñå÷åíèÿõ ðàáî÷èõ ëîïàòîê (ïðè ïðèáëè-

æåííîé îöåíêå) íå äîëæíà áûòü íèæå 0…0.1; öå-

ëåñîîáðàçíî âûäåðæèâàòü åå â äèàïàçîíå 0.4…0.6,

îðèåíòèðóÿñü íà îáùóþ ýôôåêòèâíîñòü òóðáèíû;