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

Подождите немного. Документ загружается.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

430

Ðèñóíîê 8.2.8_2 – Ðàñ÷åò òóðáèííîé ðåøåòêè ïî

2D-Íàâüå-Ñòîêñó, ïîêàçûâàþùèé

âîçìîæíîñòü ðàñïîçíàâàíèÿ îò-

ðûâíûõ çîí ñ îáëàñòÿìè îáðàò-

íîãî òå÷åíèÿ ãàçà (çîíà íà ñïèíêå

ïðîôèëÿ îêîëî âûõîäíîé êðîìêè)

Îäíàêî öåëåâîå ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòè

â äâó-

ìåðíîé ïîñòàíîâêå ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñå÷åíèé

ìîæåò îòëè÷àòüñÿ îò âûøåèçëîæåííîãî, òàê êàê ýòà

çàäà÷à ÿâëÿåòñÿ ïðîìåæóòî÷íîé. Ðàñïðåäåëåíèå

ñêîðîñòè â ñå÷åíèè äîëæíî áûòü òàêîâûì, ÷òîáû

îïòèìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå èìåëî ìåñòî â îêîí-

÷àòåëüíîé ïîñòàíîâêå – ìíîãîñòóïåí÷àòîì ðàñ÷å-

òå ïî 3D-ìîäåëè (Ýéëåðà èëè Íàâüå-Ñòîêñà). Õà-

ðàêòåð èçìåíåíèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòè ïðè

ïåðåõîäå îò äâóìåðíîé ê ïðîñòðàíñòâåííîé ïîñòà-

íîâêå íå ìîæåò áûòü óíèâåðñàëüíûì è îïðåäåëÿ-

åòñÿ îïûòíûì ïóòåì.

Íà ñëåäóþùåì ýòàïå ñïðîåêòèðîâàííàÿ ðå-

øåòêà îöåíèâàåòñÿ íà óðîâåíü ïîòåðü (êèíåòè÷åñ-

êîé ýíåðãèè èëè ïîëíîãî äàâëåíèÿ), íà ÷óâñòâè-

òåëüíîñòü ê óãëó àòàêè (ê èçìåíåíèþ óãëà àòàêè íà

âõîäå) è èçìåíåíèþ ðåæèìà ðàáîòû ïî ÷èñëó Ìàõà.

Ïîñëåäíèå õàðàêòåðèñòèêè î÷åíü âàæíû äëÿ ìíî-

ãîðåæèìíûõ òóðáèí (ÒÍÄ è ÑÒ). Ìîäåëèðîâàíèå

ïðîâîäèòñÿ ïî 2D-Íàâüå-Ñòîêñó (ìîäåëèðîâàíèå

âÿçêîãî ïîòîêà â ðåøåòêå ïî óðàâíåíèÿì Íàâüå-

Ñòîêñà). Ïîìèìî èçìåíåíèÿ óðîâíÿ ïîòåðü è åãî

èçìåíåíèÿ ñ ÷èñëîì Ìàõà è óãëîì àòàêè, îöåíèâà-

åòñÿ âåðîÿòíîñòü îòðûâà ïîòîêà íà ïðîôèëå (ñì.

Ðèñ. 8.2.8_2).

2D-àýðîäèíàìè÷åñêîå ïðîåêòèðîâàíèå ÿâëÿåò-

ñÿ îñíîâîé â ïîëó÷åíèè ýôôåêòèâíîé àýðîäèíàìè-

êè òóðáèíû. Êàê óæå ãîâîðèëîñü, íåîáû÷àéíóþ

âàæíîñòü èìååò íàëè÷èå ãèáêîãî è ýôôåêòèâíîãî

ìàòåìàòè÷åñêîãî îáåñïå÷åíèÿ äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ

ëîïàòî÷íûõ ðåøåòîê.

Â ñîâðåìåííîé ïðàêòèêå ñîâåðøåíñòâîâàíèå

ìåòîäîâ ïðîåêòèðîâàíèÿ ïðîôèëåé èñïîëüçóåòñÿ íå

äëÿ ïîâûøåíèÿ ê.ï.ä., à äëÿ ïîääåðæàíèÿ äîñòèã-

íóòîãî óðîâíÿ ýôôåêòèâíîñòè ïðè óìåíüøåíèè

ñåáåñòîèìîñòè è ñòîèìîñòè îáñëóæèâàíèÿ òóðáè-

íû – çà ñ÷åò ñîêðàùåíèÿ êîëè÷åñòâà ëîïàòîê

[8.2.11.5].

Òàê íàçûâàåìûå ïðîôèëè ñ «âûñîêîé ïîäúåì-

íîé ñèëîé» («High Lift») è ñ «óëüòðà-âûñîêîé

ïîäúåìíîé ñèëîé» («Ultra High Lift») [8.2.11.28] ïî-

çâîëÿþò ñîêðàòèòü êîëè÷åñòâî ëîïàòîê íà âåëè÷è-

íó äî 20% - ïðè ñîõðàíåíèè óðîâíÿ àýðîäèíàìè-

÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè. Òàêèå ïðîôèëè èíòåíñèâíî

èññëåäóþòñÿ è íà÷èíàþò èñïîëüçîâàòüñÿ â ïåðâóþ

î÷åðåäü â àâèàöèîííûõ òóðáèíàõ.

Îêîí÷àòåëüíàÿ àýðîäèíàìè÷åñêàÿ îöåíêà

è îïòèìèçàöèÿ ïðîôèëåé (ðåøåòîê) è ëîïàòî÷íûõ

âåíöîâ òóðáèíû – îïðåäåëåíèå ãðàíè÷íûõ óñëî-

âèé, õàðàêòåðèñòèê îáòåêàíèÿ è ïîòåðü - ïðîâî-

äèòñÿ â ñèñòåìå áîëåå âûñîêîãî óðîâíÿ, êîòîðóþ

ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷èñëåííàÿ ìîäåëü ñêâîçíîãî

òå÷åíèÿ ïîòîêà â ìíîãîñòóïåí÷àòîé òóðáèíå (3D-

Ýéëåð èëè 3D-Íàâüå-Ñòîêñ). Ñêâîçíîå 3D-ìîäå-

Ðèñóíîê 8.2.8_3 – Ñðàâíåíèå óðîâíåé ñêîðîñòè íà

ïîâåðõíîñòè ïðîôèëåé äëÿ

îáû÷íîãî ïðîôèëÿ, ïðîôèëåé

ñ «âûñîêîé ïîäúåìíîé ñèëîé»

(«High Lift») è «î÷åíü âûñîêîé

ïîäúåìíîé ñèëîé»

(«Ultra High Lift»), ñïðîåêòèðî-

âàííûõ â Rolls-Royce [8.2.11.28]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

431

ëèðîâàíèå äëÿ ìíîãîñòóïåí÷àòîé òóðáèíû â öå-

ëîì (âêëþ÷àÿ âõîäíûå è âûõîäíûå óñòðîéñòâà,

ïåðåõîäíûå êàíàëû, ñòîéêè è ñïðÿìëÿþùèå àï-

ïàðàòû) ïîçâîëÿåò àâòîìàòè÷åñêè è íàèáîëåå òî÷-

íî ìîäåëèðîâàòü ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ äëÿ êàæäîé

îòäåëüíîé ëîïàòî÷íîé ðåøåòêè òóðáèíû è îöåíè-

âàòü åå õàðàêòåðèñòèêè (îáòåêàíèå è ïîòåðè) íàè-

áîëåå òî÷íî.

Ïðè íåóäîâëåòâîðèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèêàõ

è íåîáõîäèìîñòè äàëüíåéøåé îïòèìèçàöèè ïðîèñ-

õîäèò âîçâðàùåíèå ê 2D-ïðîåêòèðîâàíèþ ïðîôè-

ëåé è ïîñòðîåíèþ âåíöîâ.

Îãðàíè÷åíèÿ

Ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå òåõíîëîãèè

2D-ïðî-

åêòèðîâàíèÿ ñâÿçàíî ñ èñïîëüçîâàíèåì êîíñòðóê-

òèâíûõ è òåõíîëîãè÷åñêèõ îãðàíè÷åíèé.

Âî-ïåðâûõ, ýòî âûáîð êîëè÷åñòâà ëîïàòîê.

Äëÿ óíèôèêàöèè òèïà ïðèìåíÿåìîãî åëî÷íîãî çàì-

êà ñ ñóùåñòâóþùèì (÷òî âñåãäà ïðåäïî÷òèòåëüíåå

òî÷êè çðåíèÿ ñîõðàíåíèÿ îñíàñòêè è óìåíüøå-

íèÿ ðèñêà) êîëè÷åñòâî ðàáî÷èõ ëîïàòîê óòî÷íÿ-

åòñÿ

ñ ó÷åòîì ïðèìåíÿåìîãî çàìêà. Òîãäà íîâîå êî-

ëè÷åñòâî ëîïàòîê (Z

) ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî íà

îñíîâå ñóùåñòâóþùåãî ó ïðîòîòèïà (Z

) ñ ó÷åòîì

îòíîøåíèé ñðåäíèõ äèàìåòðîâ çàìêîâ íîâîé êîí-

ñòðóêöèè (D

) è êîíñòðóêöèè ïðîòîòèïà (D

) -

= Z

Â êà÷åñòâå ñðåäíåãî äèàìåòðà ïðèíèìàåòñÿ

óêàçûâàåìûé â ÷åðòåæå äèàìåòð òàê íàçûâàåìî

«áàçîâîé ïëîñêîñòè çàìêà» - áàçîâîãî äèàìåòðàëü-

íîãî ðàçìåð

à çàìêà. Îòêëîíåíèå îò ïîëó÷åííîãî

÷èñëà â ñòîðîíó óâåëè÷åíèÿ/óìåíüøåíèÿ êîëè÷å-

ñòâà ëîïàòîê ïðèâîäèò, ñîîòâåòñòâåííî, ê óòîíå-

íèþ õâîñòîâèêà ëîïàòêè/óòîëùåíèþ âûñòóï

äèñêà èëè ê óòîëùåíèþ õâîñòîâèêà/óòîíåíèþ âû-

ñòóïà äèñêà.

Âî-âòîðûõ, ýòî ïðî÷íîñòíûå îãðàíè÷åíèÿ. Íà

îñíîâàíèè ðàñ÷åòíîé îïòèìèçàöèè ìàññû ïðîôèëü-

íîé ÷àñòè ëîïàòêè çàäàþòñÿ êîíñòðóêòèâíûå îãðà-

íè÷åíèÿ:

- òðåáóåìîå ðàñïðåäåëåíèå ïëîùàäè ñå÷åíèÿ

ìåòàëëà ïî äëèíå ïðîôèëÿ (îáåñïå÷åíèå ïðî÷íîñ-

òè ïî íàïðÿæåíèÿì ðàñòÿæåíèÿ);

- òðåáóåìîå ðàñïðåäåëåíèå ìèíèìàëüíîãî

ìîìåíòà èíåðöèè ïî äëèíå ïðîôèëÿ (îáåñïå÷åíèå

ïðî÷íîñòè ïî íàïðÿæåíèÿì èçãèáà è äèíàìè÷åñ-

êèì íàïðÿæåíèÿì).

Â-òðåòüèõ, ýòî ïðîèçâîäñòâåííûå îãðàíè÷å-

íèÿ. Ïðîèçâîäñòâåííàÿ áàçà äëÿ ïðîèçâîäñòâà ëî-

ïàòîê îïðåäåëÿåò òåõíîëîãè÷åñêèå îãðàíè÷åíèÿ:

- ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà âûõîäíîé êðîìêè;

- ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ñòåíîê ó îõëàæäàå-

ìîé ëîïàòêè;

- ìèíèìàëüíûé óãîë çàîñòðåíèÿ âûõîäíîé

êðîìêè;

- ïðÿìîóãîëüíàÿ ïîëêà äëÿ êîðíåâîãî ñå÷åíèÿ

ëîïàòêè (ñóììà àáñîëþòíûõ ìàêñèìàëüíûõ îðäè-

íàò âûõîäíîé êðîìêè è ñïèíêè äîëæíà áûòü ìåíü-

øå øàãà ðåøåòêè);

Ó îõëàæäàåìûõ è ïîëûõ ëîïàòîê äîïîëíè-

òåëüíî çàäàþòñÿ ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ñòåíêè

(ó âûõîäíîé è âûõîäíîé êðîìêè è â ìåñòå ìàêñè-

ìàëüíîé òîëùèíû â êàæäîì ñå÷åíèè) è ìèíèìàëü-

íûå ðàäèóñû âõîäíîé è âûõîäíîé êðîìêè âíóòðåí-

íåé ïîëîñòè.

8.2.9 - Ìåòîäû óïðàâëåíèÿ

ïðîñòðàíñòâåííûì ïîòîêîì

â òóðáèíå

Ôîðìèðîâàíèå ëîïàòî÷íîãî âåíöà ïðåäñòàâ-

ëÿåò ñîáîé ýôôåêòèâíîå ñðåäñòâî óïðàâëåíèÿ ðàñ-

ïðåäåëåíèåì àýðîäèíàìè÷åñêîé íàãðóçêè è ïîòåðü

ýíåðãèè ïî äëèíå ëîïàòêè ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ

ñóììàðíûõ ïðîôèëüíûõ è âòîðè÷íûõ ïîòåðü è ïî-

âûøåíèÿ ê.ï.ä. ñòóïåíè. Îäíàêî ïðèìåíåíèå òàêèõ

ìåòîäîâ óïðàâëåíèÿ ïîòîêîì äîëæíî áûòü ýêîíî-

ìè÷åñêè îïðàâäàíî ñ òî÷êè çðåíèÿ ñîîòíîøåíèÿ

ñòîèìîñòè ðåàëèçàöèè è ïîëó÷àåìîãî ýôôåêòà.

Ñèíòåç ëîïàòî÷íîãî âåíöà (èç îïòèìèçèðîâàí-

íûõ â ïëîñêîé ïîñòàíîâêå áàçîâûõ ïðîôèëåé íà

öèëèíäðè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòÿõ) ïðîâîäèòñÿ ñ ïî-

ìîùüþ ñïëàéí-ôóíêöèè è çàäàâàåìûõ õàðàêòåðè-

ñòèê ïðîñòðàíñòâåííîé ôîðìû âåíöà. Ôîðìèðóåò-

ñÿ òî÷å÷íî-çàäàííàÿ ïîâåðõíîñòü ïðîôèëÿ ëîïàòêè

- ãåîìåòðè÷åñêàÿ ìîäåëü, èñïîëüçóåìàÿ íà âñåõ

ñëåäóþùèõ ñòàäèÿõ àýðîäèíàìè÷åñêîãî àíàëèçà.

Ê êîíñòðóêòèâíûì ìåòîäàì ðåàëèçàöèè ïðî-

ñòðàíñòâåííîé ôîðìû âåíöà îòíîñÿòñÿ ñëåäóþùèå.

Ìåñòíîå îòêðûòèå âûõîäíîé êðîìêè (óâå-

ëè÷åíèå ýôôåêòèâíîãî óãëà âûõîäà).

Ìåñòíîå îòêðûòèå âûõîäíîé êðîìêè â êîíöå-

âûõ ñå÷åíèÿõ ñîïëîâûõ è ðàáî÷èõ ëîïàòîê ñïîñîá-

ñòâóåò óìåíüøåíèþ àýðîäèíàìè÷åñêîé íàãðóçêè

â ýòèõ ñå÷åíèÿõ è óìåíüøåíèþ ãåíåðàöèè âòîðè÷-

íûõ ïîòåðü, à òàêæå óâåëè÷åíèþ ñòåïåíè ðåàêòèâ-

íîñòè â êîðíåâûõ ñå÷åíèÿõ ðàáî÷èõ ëîïàòîê.

Îòêðûòèå êîðíåâûõ ñå÷åíèé ñîïëîâûõ ëîïà-

òîê ÒÍÄ (äî 6 ãðàäóñîâ) íàèáîëåå ýôôåêòèâíî äëÿ

óìåíüøåíèÿ âòîðè÷íûõ ïîòåðü â íàèáîëåå íàãðó-

æåííûõ êîðíåâûõ ñå÷åíèÿõ ñîïëîâûõ è ðàáî÷èõ

ëîïàòîê. Â ìàëîðàçìåðíûõ òóðáèíàõ ìîæåò áûòü

ýôôåêòèâíî îòêðûòèå îáîèõ êîíöåâûõ ñå÷åíèé

ñîïëîâûõ ëîïàòîê ñ ïåðåíåñåíèåì îñíîâíîé àýðî-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

432

äèíàìè÷åñêîé íàãðóçêè â ñåðåäèíó ëîïàòêè

è óìåíüøåíèåì óãëà ïîâîðîòà è âòîðè÷íûõ ïîòåðü

â êîíöåâûõ ñå÷åíèÿõ [8.2.11.29].

Ìåðèäèîíàëüíîå ñóæåíèå ïðîòî÷íîé ÷àñòè

ÑÀ 1 ñòóïåíè

Ìåðèäèîíàëüíîå ñóæåíèå ïðîòî÷íîé ÷àñòè

ïðàêòè÷åñêè ïðèìåíèìî äëÿ ïåðâîãî ñîïëîâîãî

àïïàðàòà è èìååò öåëüþ óìåíüøåíèå âòîðè÷íûõ

ïîòåðü çà ñ÷åò ðåàëèçàöèè áîëüøåé ÷àñòè ïîâîðî-

òà ïîòîêà ñ ìåíüøåé ñêîðîñòüþ, à çàòåì ðàçãîíà

ïîòîêà, ïðåèìóùåñòâåííî, â ïðÿìîì êàíàëå.

Ðàçëè÷íûå âàðèàíòû ïðîôèëèðîâàíèÿ íàðóæ-

íîé îãðàíè÷èâàþùåé ïîâåðõíîñòè áûëè èññëåäîâà-

íû åùå Äåé÷åì [8.2.11.30], íî ðåçóëüòàòû ïîñëåäó-

þùèõ èññëåäîâàíèé, â

òîì ÷èñëå ñ èñïîëüçîâàíèåì

÷èñëåííûõ ìåòîäîâ ðàñ÷åòà, ïîêàçàëè, ÷òî íàèáî-

ëåå îïòèìàëüíîé ÿâëÿåòñÿ êîíè÷åñêàÿ ôîðìà íà-

ðóæíîé ïîâåðõíîñòè. Ïðè ýòîì íàèá

îëüøåå óìåíü-

øåíèå ïîòåðü èìååò ìåñòî, êàê ïîêàçûâàåò

ýêñïåðèìåíò, ó êîðíåâîãî ñå÷åíèÿ ëîïàòêè. Ýêñïå-

ðèìåíòû â

ñîñòàâå ñòóïåíè ïîêàçàëè, ÷òî íå âñåãäà

óìåíüøåíèå ïîòåðü â ñîïëîâîì àïïàðàòå ïðèâîäèò

ê óâåëè÷åíèþ ê.ï.ä. ñòóïåíè

Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìåðèäèîíàëüíîå ñóæåíèå

ïðîòî÷íîé ÷àñòè ïðèìåíÿåòñÿ ïðàêòè÷åñêè íà âñåõ

ïåðâûõ ñîïëîâûõ àïïàðàòàõ ÒÂÄ

(ñì. Ðèñ. 8.1.2.5_1,

8.1.2.5_4, 8.1.2.6_1).

Íàêëîí ëîïàòîê íà êîðûòî

Íàêëîí ëîïàòîê íà êîðûòî íà âåëè÷èíó äî

15…20 ãðàäóñîâ óìåíüøàåò ïîòåðè ó êîðíåâîãî

ñå÷åíèÿ ëîïàòêè è óâåëè÷èâàåò èõ ó ïåðèôåðèè, êàê

ñëåäóåò èç áîëüøèíñòâà èçâåñòíûõ ýêñïåðèìåíòîâ.

Íàêëîí ëîïàòîê ñ÷èòàåòñÿ òàêæå ñðåäñòâîì óìåíü-

øåíèÿ ãðàäèåíòà ðåàêòèâíîñòè ñòóïåíè ïî ðàäèó-

ñó. Îäíàêî â íåêîòîðûõ èç èçâåñòíûõ ýêñïåðèìåí-

òîâ (ïî êðàéíåé ìåðå â äâóõ) íàêëîí ëîïàòîê íà

êîðûòî íå îêàçàë âëèÿíèÿ íà ãðàäèåíò ðåàêòèâíî-

ñòè. Ñîâðåìåííûå ìåòîäû àýðîäèíàìè÷åñêîãî ïðî-

åêòèðîâàíèÿ ïîçâîëÿþò äîñòàòî÷íî òî÷íî îöåíèòü

âëèÿíèå íàêëîíà íà ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ è ïî-

òåðè â ëîïàòî÷íûõ âåíöàõ.

Èçãèá ñðåäíåé ÷àñòè ëîïàòîê â ñòîðîíó êî-

ðûòà è ñïèíêè

Òàê æå, êàê íàêëîí ëîïàòîê íà êîðûòî óìåíü-

øàåò ïîòåðè ó êîðíåâîãî ñå÷åíèÿ, íàêëîí âåðõíåé

÷àñòè íà ñïèíêó óìåíüøàåò ïîòåðè ó âåðõíåãî ñå-

÷åíèÿ ëîïàòêè. Íà ýòîì áàçèðóåòñÿ èäåÿ òàê íàçû-

âàåìûõ ñàáëåâèäíûõ ëîïàòîê, ñðåäíÿÿ ÷àñòü êîòî-

ðûõ ñìåùåíà â ñòîðîíó êîðûòà. Èäåÿ òàêèõ ëîïàòîê

èçâåñòíà äàâíî è ïåðâûå èññëåäîâàíèÿ òàêèõ ëî-

ïàòîê ïðîâåäåíû â ïàðîòóðáîñòðîåíèè (ñì.

Ðèñ. 8.2.9_1).

Îäíàêî â ðåàëüíîé êîíñòðóêöèè âïåðâûå íà-

øëè ïðèìåíåíèå ëîïàòêè ñ èçãèáîì â ñòîðîíó

Ðèñóíîê 8.2.9_1 – Ñîïëîâûå ëîïàòêè ñ èçãèáîì ïðî-

ôèëÿ â ñòîðîíó êîðûòà (ñàáëå-

âèäíûå) è ñ èçãèáîì ïðîôèëÿ

â ñòîðîíó ñïèíêè

Ðèñóíîê 8.2.9_2 – Èçãèá ëîïàòîê â ñòîðîíó ñïèíêè

â êîíñòðóêöèè ñîïëîâîé ëîïàòêè

2 ñòóïåíè ÒÂÄ äâèãàòåëÿ PW4168

ñïèíêè (ñì. Ðèñ. 8.2.9_2). Âîïðîñ îá ýôôåêòèâ-

íîñòè ïðèìåíåíèÿ ëîïàòîê ñ èçãèáîì èññëåäîâàí

â ðàáîòå ñïåöèàëèñòîâ Pratt&Whitney [8.2.11.31].

Èçãèá â ñòîðîíó ñïèíêè (â îòëè÷èå îò ñàáëåâèä-

íûõ ëîïàòîê) ïîêàçàë ðåàëüíûé âûèãðûø â ê.ï.ä.

äâóõñòóïåí÷àòîé ÒÂÄ (íà òóðáèííîì ñòåíäå)

â 0.5%.

Äóãîîáðàçíàÿ âûõîäíàÿ êðîìêà ñîïëîâîé

ëîïàòêè

Äóãîîáðàçíàÿ ôîðìà âûõîäíîé êðîìêè ñîïëî-

âîé ëîïàòêè (1 ñòóïåíè) ïðè ïðàêòè÷åñêè ïëîñêèõ

ïîâåðõíîñòÿõ êîðûòà è ñïèíêè ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷-

íî ðàñïðîñòðàíåííûì âèäîì ïðîñòðàíñòâåííîé

ôîðìû âåíöà.

Âïåðâûå òàêàÿ ôîðìà ëîïàòêè áûëà èññëåäîâà-

íà Ìîðãàíîì [8.2.11.32], ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷èâ-

øèì óâåëè÷åíèå ê.ï.ä. íà 0.8%. Èç ðàáîòû

Ìîðãàíà

íå ñëåäóåò, ÷òî òàêîãî çíà÷èòå

ëüíîãî âûèãðûøà

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

433

ìîæíî îæèäàòü â ëþáûõ óñëîâèÿõ. Òåì íå ìåíåå,

ëîïàòêè ñ ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ äóãîîáðàçíîñòè

âûõîäíîé êðîìêè ïðèìåíåíû â ðåàëüíûõ êîíñòðóê-

öèÿõ, íàïðèìåð, â ÒÂÄ RB211-535E4 (Rolls-Royce)

– Ðèñ. 8.3.2_3.

Ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî ïðèìåíåíèå ëþáîãî

âèäà ïðîñòðàíñòâåííîé ôîðìû âåíöà äîëæíî áûòü

îáîñíîâàíî ñ èñïîëüçîâàíèåì ÷èñëåííûõ ðàñ÷åòîâ

àýðîäèíàìèêè òóðáèíû è âåíöà. Ëþáîé èç óïîìÿ-

íóòûõ ìåòîäîâ ìîæåò áûòü ýôôåêòèâíûì òîëüêî

â îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ - íàïðèìåð, ñàáëåâèäíûå

ëîïàòêè ïîëó÷èëè ïåðâîå ïðèçíàíèå â ïàðîâûõ òóð-

áèíàõ ñ îòíîñèòåëüíî íèçêèì èñõîäíûì ê.ï.ä. Èõ

Ðèñóíîê 8.2.9_3 – Ïðîñòðàíñòâåííàÿ ôîðìà ñîïëîâûõ è ðàáî÷èõ ëîïàòîê â òóðáèíå äâèãàòåëÿ Trent 700

Ðèñóíîê 8.2.9_4 – Ðàáî÷àÿ ëîïàòêà ÒÍÄ, ñïðîåêòè-

ðîâàííàÿ Rolls-Royce/ITP â õîäå

ðåàëèçàöèè îäíîé èç åâðîïåéñêèõ

òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîãðàìì

(ANTLE) [8.2.11.5]

ïðèìåíåíèå â ãàçîâûõ òóðáèíàõ íå âñåãäà ïîçâîëÿ-

åò ïîëó÷èòü îæèäàåìûé âûèãðûø, òàê êàê èñõîä-

íàÿ áàçà (èñïîëüçîâàííàÿ â ýêñïåðèìåíòàõ) ìîãëà

áûòü äîñòàòî÷íî íèçêîé.

Òàêèì æå îáðàçîì ïåðåðàñïðåäåëåíèå ðàáî-

òû âäîëü ðàäèóñà íå ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíî ýô-

ôåêòèâíûì. Èìååòñÿ â âèäó óâåëè÷åíèå óãëà ïî-

âîðîòà ïîòîêà â ñðåäíåì ñå÷åíèè (â êîòîðîì

îòñóòñòâóþò âòîðè÷íûå ïîòåðè) è óìåíüøåíèå

åãî â êîðíåâîì è ïåðèôåðèéíîì ñå÷åíèÿõ – ò.å. ïå-

ðåðàñïðåäåëåíèå ðàáîòû â îáëàñòü ñðåäíåãî äèà-

ìåòðà ñ ìåíüøèì óðîâíåì ïîòåðü ýíåðãèè. Åñëè

â èçâåñòíîé ðàáîòå Øëåãåëÿ [8.2.11.29] â ìàëîðàç-

ìåðíîé òóðáèíå óäàëîñü ïîëó÷èòü 1.8% óâåëè÷å-

íèÿ ê.ï.ä., òî â ðàáîòå ñïåöèàëèñòîâ General

Electric [8.2.11.33] âñå èñïûòàííûå âàðèàíòû ïðî-

ñòðàíñòâåííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ òóðáèííîé ñòó-

ïåíè îêàçàëèñü õóæå èñõîäíîãî.

Òåì íå ìåíåå, ýëåìåíòû ïðîñòðàíñòâåííîãî

ïðîåêòèðîâàíèÿ ÿâíî âèäíû â íåêîòîðûõ ñîâðåìåí-

íûõ êîíñòðóêöèÿõ – íàïðèìåð, â ÒÍÄ ñåìåéñòâà

Trent (Rolls-Royce) – Ðèñ. 8.2.9_3.

Ïðèìåíåíèå äîñòàòî÷íî ñëîæíîé ïðîñòðàí-

ñòâåííîé ôîðìû âåíöà íåèçáåæíî ïðèâîäèò ê òåõ-

íîëîãè÷åñêèì ñëîæíîñòÿì ïðè åãî ïðîèçâîäñòâå.

Ïîýòîìó íåîáõîäèìà îöåíêà öåëåñîîáðàçíîñòè

ïðèìåíåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííîé ôîðìû ñ ó÷åòîì

óâåëè÷åíèÿ ñåáåñòîèìîñòè ïðîèçâîäñòâà, ò.å. ïî

êðèòåðèþ ñòîèìîñòü-ýôôåêòèâíîñòü.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

434

8.2.10 - Ýêñïåðèìåíòàëüíîå

îáåñïå÷åíèå àýðîäèíàìè÷åñêîãî

ïðîåêòèðîâàíèÿ

Ðàçâèòèå ýêñïåðèìåíòàëüíîé áàçû

Îñíîâíûå ðàáî÷èå èíñòðóìåíòû äëÿ ïðîåê-

òèðîâàíèÿ – îäíîìåðíîå ìîäåëèðîâàíèå è ìíîãî-

ìåðíîå ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå íåâÿçêîãî è âÿç-

êîãî ïîòîêà â ïðîòî÷íîé ÷àñòè – íå îáåñïå÷èâàþò

íåîáõîäèìîé òî÷íîñòè ðåçóëüòàòîâ. Ýòî ñëåäñòâèå

ïðèáëèæåííîñòè ñàìèõ ìîäåëåé (âñå îíè ñîõðà-

íÿþò áîëüøîé ïîòåíöèàë ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ)

è èñïîëüçîâàíèÿ â íèõ èìåþùåãîñÿ ýêñïåðèìåí-

òàëüíîãî îïûòà.

Ïðèìåíåíèå èõ çà ïðåäåëàìè èìå-

þùåãîñÿ îïûòà è ýêñïåðèìåíòàëüíîé áàçû âñå åùå

ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çíà÷èòåëüíûé ðèñê.

Èìåííî ïîýòîìó èñïûòàíèÿ êðóïíîìàñøòàá-

íûõ ìîäåëåé èëè ïîëíîðàçìåðíûõ òóðáèí íà ñïå-

öèàëüíûõ ñòåíäàõ íà õîëîäíîì âîçäóõå íå òîëüêî

íå ñõîäÿò ñ ïîâåñòêè äíÿ, íî è ïðèîáðåòàþò âñå

áîëüøèå ìàñøòàáû. Äàæå äëÿ ÒÍÄ, èñïûòàíèÿ

êîòîðûõ òðåáóþò îñîáåííî âûñîêèõ çàòðàò, ñòðî-

ÿòñÿ ïîëíîðàçìåðíûå íàòóðíûå ñòåíäû. (Èç-çà âû-

ñîêîé ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè è âûñîêèõ ñòåïå-

íåé ðàñøèðåíèÿ ÒÍÄ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü

çíà÷èòåëüíî áîëüøèé ðàñõîä âîçäóõà è ñæàòü åãî

äî çíà÷èòåëüíî áîëüøåãî äàâëåíèÿ, ÷åì ïðè èñïû-

òàíèÿõ ÒÂÄ).

GE Aircraft Engines, â ñâîå âðåìÿ ïðîâåäÿ èñ-

ïûòàíèÿ ÒÍÄ ïðîåêòîâ E

è GE90-85B ñ ìîäåëè-

ðîâàíèåì ñîîòâåòñòâåííî 2/3 è 3/4, â 2002 ãîäó

ïîñòðîèëà íîâûé àâòîíîìíûé ñòåíä äëÿ èñïûòà-

íèé ïîëíîðàçìåðíûõ ÒÍÄ [8.2.11.34]. MTU èñïû-

òûâàåò ïîëíîðàçìåðíûå ÒÍÄ ñâîåé ðàçðàáîòêè (è,

â ÷àñòíîñòè, ÒÍÄ GP7200) íà ñòåíäå Øòóòãàðòñ-

êîãî óíèâåðñèòåòà [8.2.11.35]. Êîìïàíèÿ Rolls-

Royce èñïûòûâàåò âñå íîâûå ÒÂÄ è ÒÍÄ ñåìåé-

ñòâà Trent íà àâòîíîìíûõ ñòåíäàõ íà õîëîäíîì

âîçäóõå [8.2.11.4]. Òàêèå æå èñïûòàíèÿ ïðîõîäÿò

âñå íîâûå òóðáèíû ñåìåéñòâà äâèãàòåëåé ìàëîé

òÿãè BR700 [8.2.11.28].

Â êà÷åñòâå äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ ýêñïåðèìåí-

òàëüíîé áàçû ñîçäàþòñÿ íîâûå ñòåíäû – ñ èìèòè-

ðîâàíèåì ïåðåõîäíîãî êàíàëà è ïåðâîãî ñîïëîâî-

ãî àïïàðàòà ÒÍÄ (ñòåíä GE äëÿ ÒÂÄ GP7200),

à òàêæå äëÿ èñïûòàíèÿ äâóõêàñêàäíûõ òóðáèí. Ýòî

ñòåíä GE: äëÿ èñïûòàíèé âçàèìîâëèÿíèÿ ÒÂÄ

è ÒÍÄ CFM56 â òåõíîëîãè÷åñêîé ïðîãðàììå

TECH56 [8.2.11.26] è ñòåíä Rolls-Royce äëÿ ñîâìå-

ñòíîãî èñïûòàíèÿ ÒÂÄ è ÒÑÄ Trent 500 [8.2.11.36].

Ýòè ñòåíäû ïîçâîëÿþò îáåñïå÷èòü íàèáîëåå áëèç-

êèå ê äåéñòâèòåëüíîñòè óñëîâèÿ èñïûòàíèÿ ñ ó÷å-

òîì âçàèìîäåéñòâèÿ òóðáèí.

Ïðîöåññ ðàçðàáîòêè íîâûõ àýðîäèíàìè÷åñêèõ

òåõíîëîãèé äëÿ òóðáèíû, íåñìîòðÿ íà àêòèâíîå

âòîðæåíèå â ýòó îáëàñòü ÷èñëåííîãî ýêñïåðèìåí-

òà, ïðîäîëæàåò îñíîâûâàòüñÿ íà ýêñïåðèìåíòàëü-

íîé ïðîâåðêå è îòðàáîòêå.

Ðèñóíîê 8.2.10_1 – Òóðáèííûé ñòåíä äëÿ èñïûòàíèé òóðáèí íà õîëîäíîì âîçäóõå

(èñïûòàíèå ÒÍÄ BR715 – Rolls-Royce [8.2.11.28])

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

435

Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå

òóðáèíû

Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå òóðáèíû íà

ñòåíäå (ñì. Ðèñ. 8.2.10_1) ïðîâîäèòñÿ ñ öåëüþ:

1) Îïðåäåëåíèÿ ðåàëüíîé àýðîäèíàìè÷åñêîé

ýôôåêòèâíîñòè (ê.ï.ä.) è ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñ-

òè òóðáèíû.

2) Îïðåäåëåíèÿ õàðàêòåðèñòèê òóðáèíû â âàæ-

íîì äëÿ ïðèìåíåíèÿ äèàïàçîíå ïðèâåäåííîé îê-

ðóæíîé ñêîðîñòè è ñòåïåíè ðàñøèðåíèÿ.

3) Îïðåäåëåíèÿ ðåàëüíîé àýðîäèíàìè÷åñêîé

íàãðóçêè îòäåëüíûõ ñòóïåíåé è âåíöîâ, èõ àýðî-

äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê è ðåçåðâîâ ïîâûøå-

íèÿ ê.ï.ä.

4) Èññëåäîâàíèÿ ðàáîòû ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ

è ñèñòåìû ðåãóëèðîâàíèÿ ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ.

5) Èäåíòèôèêàöèè àýðîäèíàìè÷åñêèõ è òåï-

ëîâûõ ìîäåëåé òóðáèíû ðàçëè÷íîãî óðîâíÿ äëÿ

ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî îáåñïå÷åíèÿ

è èñïîëüçîâàíèÿ â õîäå äîâîäêè è ðàçðàáîòêè äðó-

ãèõ òóðáèí.

Èññëåäîâàíèå ïîëíîðàçìåðíûõ òóðáèí íà íà-

òóðíûõ òóðáèííûõ ñòåíäàõ ÿâëÿåòñÿ î÷åíü äîðî-

ãîñòîÿùèì äåëîì. Â Ðîññèè òàêîé ñòåíä èìååòñÿ

â ÖÈÀÌ. Îí ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü èñïûòàíèÿ êàê

îõëàæäàåìûõ, òàê è íåîõëàæäàåìûõ òóðáèí.

Â õîäå äîâîäêè äâèãàòåëÿ èññëåäîâàíèå àýðî-

äèíàìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ òóðáèíû ïðîâîäèòñÿ

îáû÷íî íà íàòóðíûõ äâèãàòåëÿõ è ãàçîãåíåðàòîðàõ.

Õîòÿ îáëàñòü èññëåäóåìûõ ðåæèìîâ ïðè ýòîì îã-

ðàíè÷åíà áëèçîñòüþ ê ðàáî÷åé òî÷êå, ýòè èñïûòà-

íèÿ ÿâëÿþòñÿ ÷àñòî åäèíñòâåííî âîçìîæíûìè ïî

óñëîâèÿì ñòîèìîñòè.

Îñíîâíûå óñëîâèÿ ìîäåëèðîâàíèÿ àýðîäèíà-

ìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â òóðáèíå è çàâèñÿùèõ îò íèõ

ïðîöåññîâ òåïëîïåðåäà÷è ñâîäÿòñÿ ê îáåñïå÷åíèþ

ãåîìåòðè÷åñêîãî, êèíåìàòè÷åñêîãî è äèíàìè÷åñêî-

ãî ïîäîáèÿ òóðáèí ýêñïåðèìåíòàëüíîãî è ñòàíäàð-

òíîãî äâèãàòåëåé, à èìåííî:

1) Ïîäîáèÿ ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ, îï-

ðåäåëÿþùèõ ãåîìåòðè÷åñêîå ïîäîáèå ïðîòî÷íîé

÷àñòè òóðáèíû èñïûòûâàåìîãî è ñòàíäàðòíîãî äâè-

ãàòåëÿ.

2) Ðàâåíñòâî êðèòåðèåâ ïîäîáèÿ, õàðàêòåðè-

çóþùèõ ïðîöåññ ðàñøèðåíèÿ ãàçà â òóðáèíå (÷è-

ñåë Ìàõà, Ðåéíîëüäñà - Re, ïîêàçàòåëÿ èçîýíòðî-

ïû ðàñøèðåíèÿ K = Cp/Cv).

3) Ïîäîáèå òðåóãîëüíèêîâ ñêîðîñòåé, îáåñïå÷è-

âàþùèõ êèíåìàòè÷åñêîå ïîäîáèå ðåæèìà òóðáèíû.

4) Ïîäîáèå ïîëåé ïàðàìåòðîâ â èñïûòûâàåìîé

è ñòàíäàðòíîé òóðáèíàõ.

Òðåáîâàíèå ãåîìåòðè÷åñêîãî ïîäîáèÿ îáåñïå-

÷èâàåòñÿ èñïîëüçîâàíèåì íàòóðíûõ ãàçîãåíåðàòî-

Ðèñóíîê 8.2.10_2 – Èçìåðåíèå è ïðèâåäåíèå (ê ïîë-

íîìó äàâëåíèþ íà âõîäå â òóðáè-

íó) ñòàòè÷åñêèõ äàâëåíèé

â îñåâûõ çàçîðàõ íà âåðõíåì

è íèæíåì äèàìåòðàõ ïðîòî÷-

íîé ÷àñòè [8.2.27]

ðîâ è äâèãàòåëåé ñ íàòóðíûì ðàáî÷èì òåëîì (ðà-

âåíñòâî Ê) íà ðåæèìàõ ðàáîòû, ñîîòâåòñòâóþùèõ

ðåàëüíûì èëè áëèçêèì ê íèì ïî óðîâíþ äàâëåíèÿ

ãàçà (ðàâåíñòâî Re).

Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïîäîáèÿ òðåóãîëüíèêîâ ñêî-

ðîñòåé è ÷èñåë Ìàõà â ïðîòî÷íîé ÷àñòè íåîáõî-

äèìî îáåñïå÷åíèå ðàâåíñòâà ñòåïåíè ðàñøèðåíèÿ

ïî ïîëíîìó äàâëåíèþ íà òóðáèíå (

ππ

* = P

*/P

è ïðèâåäåííîé ÷àñòîòû âðàùåíèÿ n

ÏÐ

= n/(Ò

0.5

Ðàâåíñòâî ýòèõ êðèòåðèåâ ïîäîáèÿ îáåñïå÷è-

âàåò:

- îäèíàêîâîå îòíîñèòåëüíîå ðàñïðåäåëåíèå

óäåëüíîé ðàáîòû ïî ëîïàòî÷íûì âåíöàì;

- îäèíàêîâûå ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ ïî òåïëîîò-

äà÷å îò ãàçà ê äåòàëÿì ïðîòî÷íîé ÷àñòè;

- îäèíàêîâóþ ðàáî÷óþ òî÷êó ïî àýðîäèíàìè-

÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì äëÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé

è ñòàíäàðòíîé òóðáèíû.

Ðàâåíñòâî ïîëåé ïàðàìåòðîâ îáåñïå÷èâàåòñÿ

çà ñ÷åò ðàâåíñòâà êðèòåðèåâ ïîäîáèÿ è èñïîëüçî-

âàíèÿ êàìåðû ñãîðàíèÿ ñ õàðàêòåðèñòèêàìè, ñîîò-

âåòñòâóþùèì ñòàíäàðòíûì.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

436

Ðèñóíîê 8.2.10_3 – Ñðàâíåíèå ðàñ÷åòíîé è ýêñïåðèìåíòàëüíîé (øëèðåí-ôîòîãðàôèÿ) êàðòèíû òå÷åíèÿ

â ëîïàòî÷íîé ðåøåòêå [8.2.27]

Èäåíòèôèêàöèÿ ìàòåìàòè÷åñêèõ

ìîäåëåé òóðáèíû

Èäåíòèôèêàöèÿ ìàòåìàòè÷åñêèõ ìîäåëåé òå-

÷åíèÿ â ïðîòî÷íîé ÷àñòè òóðáèíû îñóùåñòâëÿåòñÿ

ïî èçìåðåííûì ñòàòè÷åñêèì äàâëåíèÿì â îñåâûõ

çàçîðàõ ïðîòî÷íîé ÷àñòè (ñì. Ðèñ. 8.2.10_2) è èçìå-

ðåííîé ñòåïåíè ðàñøèðåíèÿ íà êàæäîé ñòóïåíè.

Èäåíòèôèêàöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò ïîä-

áîðà ìèíèìàëüíûõ ïëîùàäåé ëîïàòî÷íûõ âåíöîâ

è êîýôôèöèåíòîâ ïîòåðü â íèõ äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ

ðàñïðåäåëåíèÿ ïî ñòóïåíÿì ïîëíûõ è ñòàòè÷åñêèõ

äàâëåíèé â ìîäåëè è â ýêñïåðèìåíòå.

Îáúåêòîì èäåíòèôèêàöèè ÿâëÿþòñÿ àýðîäè-

íàìè÷åñêèå ìîäåëè (îäíîìåðíàÿ è 3D-Ýéëåð) ìî-

äåëè ïðîòî÷íîé ÷àñòè òóðáèíû. Ïîñëå èäåíòèôè-

êàöèè ýòè ìîäåëè ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ:

- àíàëèçà àýðîäèíàìè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè

òóðáèíû è ðàçðàáîòêè ìåðîïðèÿòèé ïî åå óñîâåð-

øåíñòâîâàíèþ;

- ïðîãíîçà åå õàðàêòåðèñòèê â äðóãèõ óñëîâè-

ÿõ ðàáîòû èëè ýêñïëóàòàöèè;

- ñîïðîâîæäåíèÿ äîâîäêè è ýêñïëóàòàöèè òóð-

áèíû (ïðè àíàëèçå âîçíèêàþùèõ ïðîáëåì, ðàçðà-

áîòêå ìîäèôèêàöèé è òàê äàëåå).

Â ýêñïåðèìåíòå âîçìîæíà è êà÷åñòâåííàÿ

èäåíòèôèêàöèÿ ìîäåëåé Íàâüå-Ñòîêñà

(ñì.

Ðèñ. 8.2.10_3) ïî èõ ïðîãíîçíîé ñïîñîáíîñòè ïî

ïðåäñêàçàíèþ îòðûâà ïîòîêà íà ïðîôèëå.

8.2.11 - Ïåðå÷åíü

èñïîëüçîâàííîé ëèòåðàòóðû

8.2.11.1 Fabrycky, W., Blanchard, B. Life-Cycle Costs

and Economic Analysis, ISBN 0-13-538323-4, Prentice

Hill, New Jersey, 1991.

8.2.11.2 Beatty, R.F., Prueger, G.H. Turbomachinery

Design Process Improvements Produce More Robust

Machine. AIAA 2000-3876, 36

Joint Propulsion

Conference and Exhibit, 2000.

8.2.11.3 Core Competency. Aviation Week&Space

Technology, Sept.1, 2003

8.2.11.4 Gonzalez, P., Ulizar I. Advanced Low Pressure

Turbine Design for a High By-Pass Ratio Aero Engine.

ISABE 2001-1061.

8.2.11.5 Vazquez, R., Cadrecha D., Torre D. High Stage

Loading Low Pressure Turbine. A New Proposal for

an Efficiency Chart. GT2003-38374, ASME TURBO

EXPO 2003.

8.2.11.6 Àáèàíö Â.Õ. Òåîðèÿ àâèàöèîííûõ ãàçîâûõ

òóðáèí, 1979.

8.2.11.7 Meece C.E. Gas Turbine Technologies of the

Future. ISABE 95-7006, 1995.

8.2.11.8 Õîðëîêê Äæ.Õ. Îñåâûå òóðáèíû. Ì., Ìà-

øèíîñòðîåíèå, 1972.

8.2.11.9 NASA/P&WA Energy Efficient Engine. High

Pressure Turbine Detailed Design Report. NASA CR-

165608, 1984.

8.2.11.10 NASA/GE E

- Flight Propulsion System

Final Design and Analysis. NASA CR-168219, 1985.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

437

8.2.11.11 Ãîñòåëîó Äæ. Àýðîäèíàìèêà ðåøåòîê òóð-

áîìàøèí. Ìîñêâà: Ìèð, 1987.

8.2.11.12 Kecker S.C., Okapuu U. A Mean Line

Prediction Method for Axial Flow Turbine Efficiency.

ASME Paper No. 81-GT-58. (Ýíåðãåòè÷åñêèå ìàøè-

íû è óñòàíîâêè, ò.104, N1, 1982)

8.2.11.13 Ìóõòàðîâ Ì.Õ., Êðè÷àêèí Â.È. Ìåòîäè-

êà îöåíêè ïîòåðü â ïðîòî÷íîé ÷àñòè îñåâûõ òóð-

áèí ïðè ðàñ÷åòå èõ õàðàêòåðèñòèê. Òåïëîýíåðãå-

òèêà, ¹7, 1969.

8.2.11.14 Cherry D.G. The Aerodynamic Design and

Performance of the NASA/GE E

Low Pressure

Turbine. – AIAA Paper, 1984, N 1162.

Ãàçîäèíàìè-

÷åñêèé ðàñ÷åò è õàðàêòåðèñòèêè òóðáèíû âåíòè-

ëÿòîðà äâèãàòåëÿ Å

ôèðìû Äæåíåðàë Ýëåêòðèê

Íîâîñòè çàðóáåæíîé íàóêè è òåõíèêè. Ñåðèÿ

Àâèà-

öèîííîå Äâèãàòåëåñòðîåíèå, N 3, 1985

8.2.11.15 Moustapha S.H., Kacker S.C., Tremblay B.

An Improved Incidence Losses Prediction Method for

Turbine Airfoils. Presented at the Gas Turbine and

Aeroengine Congress and Exposition. June 4-8, 1989,

Toronto, Ontario, Canada.

8.2.11.16 Áîãîä À.Á., Ãðàíîâñêèé À.Â., Êàðåëèí

À.Ì. Ïîâûøåíèå òî÷íîñòè è ñîêðàùåíèå âðåìåíè

ïðè ÷èñëåííîì èññëåäîâàíèè òðàíñçâóêîâûõ òå÷å-

íèé ãàçà â ðåøåòêàõ òóðáîìàøèí. Òåïëîýíåðãåòè-

êà. ¹8, 1986, ñ.48-52.

8.2.11.17 Mathematical Models of Gas Turbine

Engines and their components. AGARD Lecture

Series, AGARD-LS-198, 1994.

8.2.11.18 Denton G.D. The Use of Distributed Body

Force to Simulate Viscouse Flows in 3-D Flow

Calculations. ASME Paper #86-GT-144, 1986.

8.2.11.19 Dunn M.G. Convective Heat Transfer and

Aerodynamics in Axial Flow Turbines. 2001-GT-0506.

Proceedings of ASME TURBOEXPO 2001

8.2.11.20 NASA/PWA Energy Efficient Engine. Low

Pressure Turbine Subsonic Cascade Component

Development and Integration Program. NASA CR-

165592, 1982.

8.2.11.21 NASA/PWA Energy Efficient Engine. High

Pressure Turbine Supersonic Cascade Technology

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

438

8.3 - Îõëàæäåíèå äåòàëåé

òóðáèíû

Ñèñòåìà îõëàæäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ â íàñòîÿùåå âðå-

ìÿ íåîòúåìëåìîé ÷àñòüþ êîíñòðóêöèè ëþáîé ñî-

âðåìåííîé òóðáèíû. Â ÒÂÄ îõëàæäàþòñÿ âñå ëîïàò-

êè, ðîòîðû, êîðïóñà. Â ÒÍÄ – ðîòîðû, êîðïóñà

è äîñòàòî÷íî ÷àñòî – ëîïàòêè ïåðâûõ ñòóïåíåé.

Íåïðåðûâíîå ñîâåðøåíñòâîâàíèå è óñëîæíåíèå

òåõíîëîãèé îõëàæäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ îáÿçàòåëüíûì óñ-

ëîâèåì ðåàëèçàöèè êîíêóðåíòîñïîñîáíîé êîíñòðóê-

öèè òóðáèíû – êîíñòðóêöèè, â êîòîðîé ïðè óâåëè-

÷åíèè òåìïåðàòóðû ïåðåä òóðáèíîé ðàñõîä âîçäóõà

íà îõëàæäåíèå íå ïåðåêðûâàåò âûèãðûø â óäåëü-

íûõ ïàðàìåòðàõ äâèãàòåëÿ, à ðåñóðñ äåòàëåé òóðáè-

íû ñîîòâåòñòâóåò òðåáîâàíèÿì çàêàç÷èêîâ.

8.3.1 - Òåïëîâîå ñîñòîÿíèå

ýëåìåíòîâ òóðáèí

Íà ñîâðåìåííûõ ãðàæäàíñêèõ ÒÐÄÄ áîëüøîé

òÿãè óðîâåíü òåìïåðàòóðû ãàçà ïåðåä òóðáèíîé

ïðàêòè÷åñêè ñðàâíÿëñÿ ñ óðîâíåì òåìïåðàòóðû

ïåðåä òóðáèíîé âîåííûõ ÒÐÄÄ. Ìàêñèìàëüíàÿ òåì-

ïåðàòóðà ãàçà ïåðåä ðîòîðîì ÒÂÄ äîñòèãàåò

1700…1850Ê.

Äâèãàòåëè äëÿ áëèæíå-ñðåäíåìàãèñòðàëüíûõ

ñàìîëåòîâ (CFM56, V2500) èìåþò ñóùåñòâåííî

ìåíüøèé óðîâåíü òåìïåðàòóðû.

Ðàáî÷èå è ñîïëîâûå ëîïàòêè òóðáèíû ðàáî-

òàþò â íåïîñðåäñòâåííîì ñîïðèêîñíîâåíèè ñ âû-

ñîêîòåìïåðàòóðíûì ãàçîì, ïðè ýòîì äîïóñòèìàÿ

òåìïåðàòóðà ëîïàòî÷íûõ ñïëàâîâ íèæå ðàáî÷èõ

òåìïåðàòóð ãàçà ïåðåä êàæäûì âåíöîì

íà

200…500°Ñ. Íàèáîëüøóþ òðóäíîñòü ïðåäñòàâëÿ-

åò îáåñïå÷åíèå íàäåæíîñòè ðàáî÷èõ ëîïàòîê, îñî-

áåííî â òóðáèíå âûñîêîãî äàâëåíèÿ. Îíè íàðÿäó

ñ ñîïëîâûìè ëîïàòêàìè ïîäâåðæåíû òåðìè÷åñêîé

óñòàëîñòè, âèáðàöèè, ãàçîâîé êîððîçèè è ýðîçèè,

äåéñòâèþ ãàçîâûõ íàãðóçîê. Êðîìå òîãî, ðàáî÷èå

ëîïàòêè ïîäâåðãàþòñÿ äåéñòâèþ öåíòðîáåæíûõ

ñèë. Ñ ó÷åòîì âñåãî ýòîãî äëÿ íàäåæíîé ðàáîòû

ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà ìåòàëëà ëîïàòîê íå äîëæíà

ïðåâûøàòü 900…1000°Ñ, à ìàêñèìàëüíûé óðîâåíü

- 1100°Ñ. Óðîâåíü äîïóñòèìûõ ðàáî÷èõ òåìïåðà-

òóð íåïîñðåäñòâåííî çàâèñèò îò õàðàêòåðèñòèê

ïðèìåíÿåìîãî ìàòåðèàëà ëîïàòîê.

Íåïîñðåäñòâåííîìó âîçäåéñòâèþ ãàçà ïîäâåð-

æåíû òàêæå íåêîòîðûå ðîòîðíûå è ñòàòîðíûå äå-

òàëè òóðáèíû: êîðïóñà, îáîäíàÿ ÷àñòü äèñêîâ, ëà-

áèðèíòû è äðóãèå, ìåíåå íàãðóæåííûå äåòàëè. Äëÿ

îáåñïå÷åíèÿ èõ íàäåæíîé ðàáîòû â òå÷åíèå çàäàí-

íîãî ðåñóðñà ïðèìåíÿþòñÿ:

- ñïåöèàëüíûå æàðîïðî÷íûå, æàðîñòîéêèå

è êîððîçèîííî-ñòîéêèå ñïëàâû, ñïîñîáíûå ñîïðî-

òèâëÿòüñÿ ñóëüôèäíî-îêñèäíîé êîððîçèè;

- èçãîòîâëåíèå ëîïàòîê ìåòîäîì íàïðàâëåííîé

êðèñòàëëèçàöèè èëè èç ìîíîêðèñòàëëà;

- ïîêðûòèÿ äëÿ ïîâûøåíèÿ æàðîñòîéêîñòè

ìàòåðèàëà (íàïðèìåð, èç îêèñè àëþìèíèÿ);

- ìåòàëëè÷åñêèå ìíîãîêîìïîíåíòíûå ïîêðû-

òèÿ äëÿ ïîâûøåíèÿ êîððîçèîííîé æàðîñòîéêîñòè

ìàòåðèàëà - íàïðèìåð, ïîêðûòèå èç ÷åòûðåõ êîì-

ïîíåíòîâ (íèêåëü – õðîì – àëþìèíèé - èòòðèé);

- òåïëîçàùèòíûå ïîêðûòèÿ èç êåðàìè÷åñêèõ

ìàòåðèàëîâ ñ íèçêîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ – äëÿ ñíè-

æåíèÿ òåïëîâîãî ïîòîêà â ìåòàëë ëîïàòêè;

- ðàçëè÷íûå ñõåìû âîçäóøíîãî (äëÿ ïðîìûø-

ëåííûõ òóðáèí èíîãäà äàæå ïàðîâîãî) îõëàæäåíèÿ.

Îïòèìàëüíàÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ñòîèìîñòè æèç-

íåííîãî öèêëà äâèãàòåëÿ êîíñòðóêöèÿ òóðáèíû

ïîäðàçóìåâàåò îïòèìàëüíîå ñî÷åòàíèå âñåõ ïåðå-

÷èñëåííûõ âûøå îñíîâíûõ ñïîñîáîâ îáåñïå÷åíèÿ

ðàáîòîñïîñîáíîñòè. Ïðèìåíåíèå äîðîãîñòîÿùèõ

æàðîïðî÷íûõ ñïëàâîâ óâåëè÷èâàåò ñòîèìîñòü ìà-

òåðèàëà, íî óìåíüøàåò ïîòðåáíîñòü â îõëàæäåíèè.

Ïðèìåíåíèå áîëåå ñëîæíîé è ýôôåêòèâíîé ñèñòå-

ìû îõëàæäåíèÿ òóðáèííîé ëîïàòêè óâåëè÷èâàåò åå

ñåáåñòîèìîñòü, íî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ìåíåå

äîðîãèå ìàòåðèàëû.

Ïðîåêòèðîâàíèå îïòèìàëüíîé ñèñòåìû îõëàæ-

äåíèÿ ïðåäïîëàãàåò ïîñëåäîâàòåëüíîå íàõîæäåíèå

îáîñíîâàííîãî êîìïðîìèññà íà âñåõ ñòàäèÿõ ðåà-

ëèçàöèè ïðîåêòà.

8.3.1.1 - Ïðèíöèïû îõëàæäåíèÿ

Íàèáîëåå ïîïóëÿðíîé ñèñòåìîé îõëàæäåíèÿ

ñîâðåìåííûõ òóðáèí ÿâëÿåòñÿ ñõåìà îòêðûòîãî

(ñ âûïóñêîì îõëàäèòåëÿ â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü òóðáè-

íû) âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ. Äëÿ îõëàæäåíèÿ òóð-

áèíû ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ âîçäóõ, îòáèðàåìûé çà

ÊÂÄ èëè çà îäíîé èç åãî ñòóïåíåé. Äëÿ íàðóæíîãî

îõëàæäåíèÿ êîðïóñîâ òóðáèíû (è óïðàâëåíèÿ ðà-

äèàëüíûìè çàçîðàìè) èñïîëüçóåòñÿ âîçäóõ èç-çà

ÊÍÄ èëè èç-çà âåíòèëÿòîðà. Ñ òî÷êè çðåíèÿ îáùåé

ýôôåêòèâíîñòè òóðáèíû â äâèãàòåëå îáû÷íî íåîá-

õîäèìî ïðîåêòèðîâàòü ñèñòåìó îõëàæäåíèÿ âî-ïåð-

âûõ - ñ ìèíèìàëüíûì ðàñõîäîì îõëàæäàþùåãî

âîçäóõà, à âî-âòîðûõ - ñ èñïîëüçîâàíèåì ïî ìåðå

âîçìîæíîñòè îòáîðà âîçäóõà èç-çà ïðîìåæóòî÷íûõ

ñòóïåíåé êîìïðåññîðà.

Óìåíüøåíèå ðàñõîäà âîçäóõà íà îõëàæäåíèå

òóðáèíû ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî:

- ôîðìèðîâàíèåì îïòèìàëüíîé ðàäèàëüíîé

ýïþðû òåìïåðàòóðû ãàçà çà ÊÑ;

- óìåíüøåíèåì îêðóæíîé íåðàâíîìåðíîñòè

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

439

òåìïåðàòóðû çà ÊÑ;

- ïðèìåíåíèåì àïïàðàòà çàêðóòêè äëÿ çàêðóò-

êè âîçäóõà â íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ äèñêà íà âõî-

äå â ðîòîð ÒÂÄ (ïðè ýòîì ñíèæàåòñÿ òåìïåðàòóðà

îõëàæäàþùåãî âîçäóõà);

- ïðåäâàðèòåëüíûì îõëàæäåíèåì âîçäóõà â âîç-

äóõî-âîçäóøíîì òåïëîîáìåííèêå, óñòàíîâëåííîì

â íàðóæíîì êîíòóðå ÒÐÄÄ (òàêàÿ ñõåìà ðåàëèçîâà-

íà íà äâèãàòåëÿõ Ä-30Ô6 è ÀË-31Ô) èëè (â ñëó÷àå

ïðîìûøëåííîãî äâèãàòåëÿ) âûâåäåííîì çà ïðåäåëû

äâèãàòåëÿ è îáäóâàåìîãî ýëåêòðîâåíòèëÿòîðîì;

- óìåíüøåíèåì óòå÷åê îõëàæäàþùåãî âîçäó-

õà â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü òóðáèíû;

- óâåëè÷åíèåì ýôôåêòèâíîñòè ñèñòåìû îõëàæ-

äåíèÿ ëîïàòîê;

- óìåíüøåíèåì ïîòåðü äàâëåíèÿ îõëàæäàþùå-

ãî âîçäóõà ïðè ïîäâîäå ê ëîïàòêàì (ýòî ïîçâîëÿåò

ñîõðàíèòü è ýôôåêòèâíî èñïîëüçîâàòü ïîòåíöèàë

äàâëåíèÿ îõëàæäàþùåãî âîçäóõà íåïîñðåäñòâåííî

â ëîïàòêàõ).

Ñóùåñòâóåò îáùåïðèíÿòàÿ õàðàêòåðèñòèêà

ýôôåêòèâíîñòè ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ – îòíîñèòåëü-

íàÿ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ, îöåíèâàþùàÿ ñî-

âåðøåíñòâî ñèñòåìû è ïîçâîëÿþùàÿ îïðåäåëèòü

òåìïåðàòóðó ëîïàòêè ïðè èçâåñòíîì ðàñõîäå âîç-

äóõà. Îòíîñèòåëüíàÿ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ

ÿâëÿåòñÿ îòíîøåíèåì ðåàëüíîãî ïîíèæåíèÿ òåì-

ïåðàòóðû ìåòàëëà ëîïàòêè (Ò

) îòíîñèòåëüíî ãàçà

Òã ê ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîìó ïîíèæåíèþ - äî

òåìïåðàòóðû îõëàæäàþùåãî âîçäóõà (Ò

). Ñîîòâåò-

ñòâåííî, îòíîñèòåëüíàÿ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäå-

íèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå:

θθ

= (Ò

– Ò

) / (Ò

– Ò

Íà Ðèñ. 8.3.1.1_1 ïðåäñòàâëåí ïðîãðåññ â îá-

ëàñòè ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ (çà ñ÷åò êîíñò-

ðóêòèâíîãî ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ñõåì îõëàæäåíèÿ)

è åãî ðåøàþùèé âêëàä â óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû

ãàçà ïåðåä ðîòîðîì ÒÂÄ â ñîâðåìåííûõ êîíñòðóê-

öèÿõ.

Íà Ðèñ. 8.3.1.1_2 ïðèâåäåíû ïðèáëèæåííûå

çàâèñèìîñòè ñðåäíåé (ïî ñå÷åíèþ ëîïàòêè) îòíî-

ñèòåëüíîé ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ äëÿ êîíâåê-

òèâíîãî è êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ.

Äëÿ áîëüøèõ ðàñõîäîâ âîçäóõà êîíâåêòèâíàÿ ñõå-

Ðèñóíîê 8.3.1.1_1 – Óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû ãàçà ïåðåä ðîòîðîì òóðáèíû [8.3.1]