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

Подождите немного. Документ загружается.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

490

Ðèñóíîê 8.5.2_4 – 1ÑÀ ÒÂÄ PW2000 (Pratt&Whitney)

1 – âåðõíÿÿ ïîëêà; 2 – ôëàíåö;

3 – íèæíÿÿ ïîëêà; 4 – òîðåö ïîë-

êè; 5 – çàäíèé ôëàíåö; 6 – âõîäíàÿ

êðîìêà; 7 – îòâåðñòèÿ íà êîðûòî

èç ïåðåäíåé ïîëîñòè; 8 – îòâåð-

ñòèÿ íà êîðûòî èç çàäíåé ïîëîñ-

òè

ðå èëè íà ñòåíêå. Ýòî ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü ðàñõî-

äîì âîçäóõà ïî ó÷àñòêàì ïðîôèëÿ è óìåíüøèòü

âåðîÿòíîñòü çàòåêàíèÿ ãàçà âî âíóòðåííþþ ïîëîñòü

ïðè ÷àñòè÷íîì ïðîãàðå ñòåíêè.

Äëÿ ñîïëîâûõ ëîïàòîê ïåðâîé ñòóïåíè äîïó-

ñòèìû îòíîñèòåëüíî áîëüøèå âåëè÷èíû ðàñõîäà

âîçäóõà íà îõëàæäåíèå (8…12% îò ðàñõîäà âîçäó-

õà íà âõîäå â ÊÂÄ). Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî îò-

áîð ìîùíîñòè îò ïîòîêà ãàçà íà÷èíàåòñÿ òîëüêî íà

ðàáî÷èõ ëîïàòêàõ ïåðâîé ñòóïåíè, íà êîòîðûõ ðà-

áîòàåò ñìåñü ãàçà è âîçäóõà èç 1 ñîïëîâîé ëîïàò-

êè. Ïîýòîìó óâåëè÷åíèå îòáîðà íà ëîïàòêó óâåëè-

÷èâàåò òîëüêî òåìïåðàòóðó ãàçà ïåðåä íåé, íî íå

ìåíÿåò òåìïåðàòóðó ãàçà ïåðåä ðîòîðîì ÒÂÄ (Ò41

– ñì. Ðèñ. 8_1, 8_3), êîòîðàÿ è ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå

âàæíîé â ñèñòåìå äâèãàòåëÿ.

Îõëàæäàåìûå ñîïëîâûå ëîïàòêè ïåðâîé ñòó-

ïåíè ÒÂÄ îáû÷íî èìåþò è îõëàæäàåìûå ïîëêè.

Íà Ðèñ. 8.5.2_6 ïðèâåäåíà êîíñòðóêöèÿ 1ÑÀ ÒÂÄ

CF6-80C2, íà âíóòðåííèõ ïîëêàõ êîòîðîãî õîðî-

øî âèäíû îòâåðñòèÿ ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ.

Ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ 2ÑÀ ÒÂÄ

Òèïè÷íàÿ êîíñòðóêöèÿ îõëàæäàåìîãî 2ÑÀ

(ÒÂÄ E

General Electric [8.5.4.2]) ïîêàçàíà íà

Ðèñ. 8.5.2_5.

Íàðóæíûé êîðïóñ 1 ÒÂÄ èìååò íà âíóòðåí-

íåì äèàìåòðå ôëàíåö 2, â êîòîðîì ñ ïîìîùüþ çà-

öåïà 3 íà íàðóæíîé ïîëêå êðåïèòñÿ ñîïëîâàÿ ëî-

ïàòêà. Çàäíèé ôëàíåö 4 íàðóæíîé ïîëêè êðåïèòñÿ

ê âíóòðåííåìó ôëàíöó 5 êîðïóñà ñ ïîìîùüþ áîë-

òà 6. Íàðóæíàÿ ïîëêà ëîïàòêè 7 îáðàçóåò «âíóò-

ðåííèé êîðïóñ» è îäíîâðåìåííî íàðóæíûé êîíòóð

ïðîòî÷íîé ÷àñòè. Íèæíÿÿ (âíóòðåííÿÿ) ïîëêà 8

ëîïàòêè îáðàçóåò íèæíèé êîíòóð ïðîòî÷íîé ÷àñòè

è ê çàäíåìó ôëàíöó 9 ýòîé ïîëêè êðåïèòñÿ ñîòîâîå

óïëîòíåíèå 10 ñ ïîìîùüþ áîëòà 11.

Â íàðóæíîì êîðïóñå 1 èìååòñÿ êîëüöåâîé ôëà-

íåö 12, â êîòîðûé ÷åðåç òðóáû ïîäâîäèòñÿ îõëàæ-

äàþùèé âîçäóõ â êîëüöåâóþ ïîëîñòü 13 íàä ñîïëî-

âûìè ëîïàòêàìè. ×àñòü ýòîãî âîçäóõà ÷åðåç

ïëàñòèí÷àòûé äåôëåêòîð 14 îõëàæäàåò ñòðóéíûì

íàòåêàíèåì âíóòðåííþþ ïîâåðõíîñòü íàðóæíûõ

ïîëîê, à îñíîâíàÿ ÷àñòü âõîäèò âî âíóòðåííþþ ïî-

ëîñòü 15 äåôëåêòîðà ëîïàòêè è ðåàëèçóåò ñòðóéíîå

îõëàæäåíèå ñòåíîê ëîïàòêè ÷åðåç îòâåðñòèÿ â äåô-

ëåêòîðå. Âîçäóõ ïîñëå îõëàæäåíèÿ ïîëîê è ñòåíîê

ëîïàòêè ñîáèðàåòñÿ â ïîëîñòè 16 ìåæäó äåôëåê-

òîðîì è ñòåíêîé è ÷åðåç ùåëåâîé êàíàë 17 â âûõîä-

íîé êðîìêå âûòåêàåò â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü ÷åðåç ïàçû

18 íà êîðûòå ïåðåä âûõîäíîé êðîìêîé.

Çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü âîçäóõà èç âíóòðåííåé

ïîëîñòè äåôëåêòîðà ÷åðåç îòâåðñòèÿ 19 â íèæíåé

ïîëêå ïîñòóïàåò â ïîëîñòü ïîä ëîïàòêîé äëÿ íàä-

äóâà îñåâîãî çàçîðà è îõëàæäåíèÿ ñîòîâîãî óïëîò-

íåíèÿ 20 è ñîîòâåòñòâóþùåãî åìó ëàáèðèíòà ðî-

òîðà ÒÂÄ. Ê òèïè÷íûì îñîáåííîñòÿì ñèñòåì

îõëàæäåíèÿ 2ÑÀ ñëåäóåò îòíåñòè èñïîëüçîâàíèå

âîçäóõà ïðîìåæóòî÷íîé ñòóïåíè ÊÂÄ (ñ áîëåå íèç-

êîé òåìïåðàòóðîé è äàâëåíèåì, ÷åì íà âûõîäå èç

ÊÂÄ), ÷òî äîïóñòèìî ïî äàâëåíèÿì â ïðîòî÷íîé

÷àñòè è âûãîäíî äëÿ òåðìîäèíàìèêè äâèãàòåëÿ.

Â ïðèâåäåííîì ñëó÷àå èñïîëüçóåòñÿ âîçäóõ ñåäü-

ìîé (èç äåñÿòè) ñòóïåíè êîìïðåññîðà.

Óêàçàííûé íà Ðèñ. 8.5.2_5 ðàñõîä âîçäóõà äëÿ

âûñîêîòåìïåðàòóðíîé òóðáèíû áóäåò ñóùåñòâåííî

âûøå (äî 4,0…4,5%). Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðèâå-

äåííûé íà ðèñóíêå óðîâåíü óòå÷åê ÿâëÿåòñÿ äîñòà-

òî÷íî îïòèìèñòè÷íûì è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñêîðåå

òðåáîâàíèÿ ê óòå÷êàì, ÷åì èõ ðåàëüíûé óðî

âåíü.

Äëÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ äâèãàòåëåé âîç-

ìîæíî òàêæå èñïîëüçîâàíèå äîïîëíèòåëüíîãî ïëå-

íî÷íîãî îõëàæäåíèÿ âáëèçè âõîäíîé êðîìêè.

Ïðè âåñüìà âåðîÿòíîì èñïîëüçîâàíèè ïðî-

ñòðàíñòâåííîé ôîðìû ëîïàòîê 2ÑÀ èñïîëüçîâàíèå

äåôëåêòîðà ìîæåò áûòü çàòðóäíåíî èëè äàæå íå-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

491

Ðèñóíîê 8.5.2_5 – Êîíñòðóêöèÿ îõëàæäàåìîãî 2ÑÀ ÒÂÄ ïðîåêòà E

General Electric [8.5.4.2]

1 – íàðóæíûé êîðïóñ; 2 – ôëàíåö êîðïóñà; 3 – çàöåï; 4 – ôëàíåö ïîëêè; 5 – ôëàíåö êîðïóñà;

6 – áîëò; 7 – íàðóæíàÿ ïîëêà; 8 – íèæíÿÿ ïîëêà; 9 – ôëàíåö; 10 – ñîòîâîå óïëîòíåíèå;

11 – áîëò; 12 – êîëüöåâîé ôëàíåö; 13 – êîëüöåâàÿ ïîëîñòü; 14 – ïëàñòèí÷àòûé äåôëåê-

òîð; 15 – ïîëîñòü äåôëåêòîðà ëîïàòêè; 16 – ïîëîñòü ìåæäó äåôëåêòîðîì è ñòåíêîé;

17 – îõëàæäàþùèé êàíàë; 18 – ïàçû; 19 – îòâåðñòèÿ â ïîëêå; 20 – ñîòû

âîçìîæíî. Â ýòîì ñëó÷àå ïðèìåíÿåòñÿ òàêàÿ æå

ìíîãîõîäîâàÿ ñõåìà òå÷åíèÿ âîçäóõà, êàê è â ðàáî-

÷åé ëîïàòêå ïåðâîé ñòóïåíè ÒÂÄ.

Èçãîòîâëåíèå è ðåìîíò

Ñîïëîâûå ëîïàòêè ìîãóò èçãîòàâëèâàòüñÿ

ãðóïïàìè (áëîêàìè) ïî íåñêîëüêî øòóê â êàæäîì

áëîêå (ñì. Ðèñ. 8.5.2_6, 8.5.2_7). Ïðåèìóùåñòâà

èçãîòîâëåíèÿ ëîïàòîê â áëîêàõ ïðîÿâëÿþòñÿ èñ-

êëþ÷èòåëüíî â óäåøåâëåíèè ïðîèçâîäñòâà – èç-çà

èñêëþ÷åíèÿ îïåðàöèé òî÷íîé ìåõàíè÷åñêîé îáðà-

áîòêè áîêîâûõ ñîïðÿãàåìûõ ïîâåðõíîñòåé âåðõíèõ

è íèæíèõ ïîëîê ëîïàòîê.

Äëÿ îõëàæäàåìûõ ëîïàòîê ÒÂÄ â áëîêå îáû÷-

íî áûâàåò íå áîëåå äâóõ ëîïàòîê, òàê êàê â ÒÂÄ

íàèáîëåå ñèëüíû òåðìè÷åñêèå äåôîðìàöèè. Êðî-

ìå òîãî, óäîðîæàåòñÿ ðåìîíò òàêèõ ëîïàòîê (ïðè

íåîáõîäèìîñòè çàìåíû òîëüêî îäíîé ëîïàòêè). Äëÿ

Ðèñóíîê 8.5.2_6 – Áëî÷íûé 1ÑÀ ÒÂÄ äâèãàòåëÿ

CF6-80C2 (ïî äâå ëîïàòêè â áëîêå)

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

492

Ðèñóíîê 8.5.2_8 – Ðåìîíò áëî÷íîãî ÑÀ ÒÂÄ CFM56-5

1 – ôëàíåö âåðõíåé ïîëêè; 2 – ôëàíåö íèæíåé ïîëêè; 3 – îòëèâêà áëîêà

Ðèñóíîê 8.5.2_7 – Áëî÷íûé ÑÀ ÒÍÄ (ïî øåñòü

ëîïàòîê â áëîêå)

ÒÍÄ â îäíîì áëîêå ìîæåò áûòü äî øåñòè è áîëåå

ëîïàòîê.

Îäíàêî ïðè ïîÿâëåíèè ïðîáëåì ñ òî÷íîñòüþ

ëèòüÿ óùåðá îò áðàêà âîçðàñòàåò â ñîîòâåòñòâèè

ñ êîëè÷åñòâîì ëîïàòîê â áëîêå. Êðîìå òîãî, áëî÷-

íûå ëîïàòêè ìîãóò ïðèâåñòè ê óâåëè÷åíèþ ñòîèìî-

ñòè ðåìîíòà – êîãäà ïðè ïîâðåæäåíèè îäíîé èç

ëîïàòîê â áëîêå ïðèõîäèòñÿ âûáðàñûâàòü âåñü áëîê.

Èìåííî ïî ýòîé ïðè÷èíå â íîâûõ êîíñòðóêöèÿõ

ñòðåìÿòñÿ ïðèìåíÿòü îäèíî÷íûå ëîïàòêè.

GE Aircraft Engines òðàäèöèîííî ïðèìåíÿåò

áëîêè ïî äâå ëîïàòêè äëÿ ïåðâîé è âòîðîé ñòóïå-

íåé ÒÂÄ. Äëÿ ðåøåíèÿ ïðîáëåìû ñòîèìîñòè ðå-

ìîíòà ðàçðàáîòàíà òåõíîëîãèÿ, ïðèìåíèìàÿ äàæå

äëÿ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ñîïëîâûõ ëîïàòîê (ñì.

Ðèñ. 8.5.2_8). Ïðè ýòîì èç áëî÷íîãî ÑÀ ñîõðàíÿ-

þòñÿ äåòàëè êðåïëåíèÿ âåðõíåé 1 è íèæíåé 2 ïî-

ëîê, à áëîê ñ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèìè ïðîôèëÿìè 3

îòëèâàåòñÿ çàíîâî. Â íîâîì áëîêå äåòàëè êðåïëå-

íèÿ íèæíåé 2 è âåðõíåé 3 ïîëîê ñîõðàíÿþòñÿ è ñî-

åäèíåíû ñ îòëèâêîé ñ ïîìîùüþ ïàéêè.

8.5.3 - Àïïàðàòû çàêðóòêè

Îáÿçàòåëüíîé ÷àñòüþ êîíñòðóêöèè ñòàòîðà

ñîâðåìåííîé òóðáèíû ñòàë àïïàðàò çàêðóòêè. Àï-

ïàðàò ïðåäâàðèòåëüíîé çàêðóòêè îõëàæäàþùåãî

âîçäóõà íà âûõîäå èç ñòàòîðà è âõîäå â ðîòîð ïðè-

ìåíÿåòñÿ äëÿ ñíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû îõëàæäàþùå-

ãî âîçäóõà äëÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê. Àïïàðàò çàêðóòêè

ñòàë îáÿçàòåëüíîé ÷àñòüþ êîíñòðóêöèè ÒÂÄ (èíîã-

äà è âûñîêîîáîðîòíûõ îõëàæäàåìûõ ÒÍÄ âîåííûõ

äâèãàòåëåé).

Ïðè çàêðóòêå îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â íàï-

ðàâëåíèè âðàùåíèÿ äèñêà è óâåëè÷åíèè åãî ñêîðî-

ñòè äî îêðóæíîé ñêîðîñòè äèñêà ïðîèñõîäèò óìåíü-

øåíèå òåìïåðàòóðû òîðìîæåíèÿ âîçäóõà ïî

îòíîøåíèþ ê ðîòîðó. Ýòî óìåíüøåíèå îïðåäåëÿ-

åòñÿ ðàçíîñòüþ ñêîðîñòåé âîçäóõà îòíîñèòåëüíî

ñòàòîðà è ðîòîðà, òàê êàê â îòíîñèòåëüíîì äâèæå-

íèè ñêîðîñòü âîçäóõà (è åãî òåìïåðàòóðà òîðìîæå-

íèÿ) ìåíüøå.

Àïïàðàò çàêðóòêè ðàçãîíÿåò îõëàæäàþùèé

âîçäóõ è çàêðó÷èâàåò åãî â íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ

äèñêà. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ëîïàòî÷íóþ ðåøåò-

êó èëè ðÿä ñïåöèàëüíûõ ñîïåë (èíîãäà êðóãëûõ).

Íà Ðèñ. 8.5.3_1 ïðèâåäåíà êîíñòðóêöèÿ àïïàðàòà

çàêðóòêè ÒÂÄ RB211-535E4 (Rolls-Royce) [8.5.4.3].

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

493

Ðèñóíîê 8.5.3_1 – Àïïàðàò çàêðóòêè ÒÂÄ

RB211-535E4 [8.5.4.3] (Ïå÷àòà-

åòñÿ ñ ðàçðåøåíèÿ Rolls-Royce

plc.)

1 – ïîëîñòü ïåðåä àïïàðàòîì

çàêðóòêè; 2 – ëîïàòêè; 3 – ïî-

ëîñòü ïåðåä äèñêîì; 4 – âåðõíèé

ëàáèðèíò; 5 – íèæíèé ëàáè-

ðèíò; 6 – îòâåðñòèÿ â äèñêå;

7 – îáîä äèñêà; 8 – çàìîê ÐË;

9 – ÐË

Âîçäóõ èç âòîðè÷íîé çîíû êàìåðû ñãîðàíèÿ ïîñòó-

ïàåò â êîëüöåâóþ ïîëîñòü 1 ïåðåä ëîïàòêàìè 2 àï-

ïàðàòà çàêðóòêè. Èç ëîïàòîê âîçäóõ ñ îêðóæíîé

ñêîðîñòüþ, ðàâíîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ äèñêà, ïî-

ñòóïàåò â ïîëîñòü 3 ïåðåä äèñêîì. Âåðõíèé ëàáè-

ðèíò 4 ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ óòå÷êè

âîçäóõà â îñåâîé çàçîð. Íèæíèé ëàáèðèíò 5 ïðåä-

íàçíà÷åí äëÿ óïëîòíåíèÿ ïîëîñòè 3 îò ãîðÿ÷åãî

âîçäóõà èç-çà ÊÂÄ. Èç ïîëîñòè 3 âîçäóõ ÷åðåç îò-

âåðñòèÿ 6 â îáîäå 7 äèñêà ÒÂÄ ïîñòóïàåò ïîä çà-

ìîê 8 ðàáî÷åé ëîïàòêè 9 è äàëåå âî âíóòðåííþþ

ïîëîñòü ëîïàòêè.

Â ðåàëüíûõ êîíñòðóêöèÿõ ìàêñèìàëüíîå ñíè-

æåíèå òåìïåðàòóðû òîðìîæåíèÿ âîçìîæíî ó îäíî-

ñòóïåí÷àòûõ òóðáèí ñ î÷åíü âûñîêîé ñòåïåíüþ

ðàñøèðåíèÿ è âûñîêîé îêðóæíîé ñêîðîñòüþ ðàáî-

÷åãî êîëåñà. Ó òàêèõ òóðáèí íà âõîäå â äèñê ñíè-

æåíèå òåìïåðàòóðû ìîæåò äîñòèãàòü 90…100

Ñ.

Íî åùå äî âõîäà â ïðîôèëüíóþ ÷àñòü ðàáî÷åé

ëîïàòêè âîçäóõ ïîäîãðåâàåòñÿ çà ñ÷åò öåíòðîáåæ-

íûõ ñèë (ïðîïîðöèîíàëüíî ðàçíèöå îêðóæíûõ ñêî-

ðîñòåé íà ðàäèóñàõ âõîäà â äèñê è â ðàáî÷óþ ëî-

ïàòêó). Â êîíå÷íîì ñ÷åòå, íà âõîäå â ëîïàòêó

àáñîëþòíîå ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû âîçäóõà (îòíî-

ñèòåëüíî òåìïåðàòóðû çà êîìïðåññîðîì â ìåñòå

îòáîðà) ìîæåò ñîñòàâèòü íå áîëåå 10?Ñ. Îäíàêî

ñõåìà ïîäâîäà âîçäóõà ñ àïïàðàòîì çàêðóòêè ñíè-

ìàåò ïîäîãðåâ, êîòîðûé èìåë áû ìåñòî áåç àïïàðà-

òà çàêðóòêè è ñíèæàåò òåìïåðàòóðó ëîïàòêè íà äå-

ñÿòêè ãðàäóñîâ.

8.5.4 – Ïåðå÷åíü èñïîëüçîâàííîé

ëèòåðàòóðû

8.5.4.1 The big turbofans. Interavia 6/1988.

8.5.4.2 Halila, E.E., Lenahan, D.T., Thomas, T.T.

Energy Efficient Engine. High Pressure Turbine Test

Hardware Detailed Design Report, NASA CR-167955,

1982.

8.5.4.3 The Jet Engine. Rolls-Royce plc, 1997.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

494

8.6 - Ðàäèàëüíûå çàçîðû

â òóðáèíàõ

Ðàäèàëüíûå çàçîðû ìåæäó ðîòîðîì è ñòàòîðîì

òóðáèíû íåîáõîäèìû äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû

è îêàçûâàþò çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå íà åå ýôôåêòèâ-

íîñòü. Ýòî âëèÿíèå óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè

êàê àáñîëþòíîãî, òàê è îòíîñèòåëüíîãî (ïî îòíî-

øåíèþ ê äëèíå ëîïàòêè) çíà÷åíèÿ ðàäèàëüíîãî çà-

çîðà.

8.6.1 - Âëèÿíèå ðàäèàëüíîãî çàçîðà

íà ê.ï.ä. òóðáèíû

Ïðîòåêàþùåå ÷åðåç ðàäèàëüíûé çàçîð íàä ðà-

áî÷åé ëîïàòêîé è ÷åðåç ðàäèàëüíûé çàçîð ïîä ñî-

ïëîâîé ëîïàòêîé ðàáî÷åå òåëî íå âíîñèò ñâîåãî

âêëàäà â ìîùíîñòü òóðáèíû. Â ðàäèàëüíîì çàçîðå

ýòè óòå÷êè òåðÿþò ñâîé ïîòåíöèàë ïî äàâëåíèþ

è ñîõðàíÿþò ñâîþ òåìïåðàòóðó, ò.å. ýíåðãèþ, íå

îòäàâàÿ åå â ïîëåçíóþ ðàáîòó òóðáèíû.

Âåëè÷èíà óòå÷åê äîñòàòî÷íî íàäåæíî îïðåäå-

ëÿåòñÿ íà áàçå ýìïèðè÷åñêèõ ôîðìóë, îáîáùàþ-

ùèõ ìíîãî÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëå-

äîâàíèÿ.

Äëÿ òóðáèíû ñ ëîïàòêàìè áåç áàíäàæíûõ ïî-

ëîê ìîæíî ðåêîìåíäîâàòü äîñòàòî÷íî ïðîñòîå ñî-

îòíîøåíèå èç ðàáîòû [8.6.5.1]. Ñîãëàñíî ýòîé ðà-

áîòå, îòíîñèòåëüíîå óìåíüøåíèå ê.ï.ä. ñòóïåíè

òóðáèíû (ïî ïàðàìåòðàì òîðìîæåíèÿ) çà ñ÷åò ðà-

äèàëüíîãî çàçîðà ðàâíî óäâîåííîé îòíîñèòåëüíîé

âåëè÷èíå ðàäèàëüíîãî çàçîðà (âåëè÷èíå çàçîðà,

îòíåñåííîé ê ñðåäíåé âûñîòå ïðîòî÷íîé ÷àñòè,

êîòîðàÿ âêëþ÷àåò ëîïàòêó è ðàäèàëüíûé çàçîð).

Àâòîðû îáîáùèëè ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû

ïî èçìåíåíèþ ê.ï.ä. äëÿ îòíîñèòåëüíûõ âåëè÷èí

çàçîðà äî 5%. Âàæåí äëÿ êîíñòðóèðîâàíèÿ ëîïà-

òîê âûâîä î òîì, ÷òî âåëè÷èíû óòå÷åê ïðàêòè÷åñ-

êè íå çàâèñÿò îò êîíñòðóêöèè òîðöà ëîïàòêè (ïðàê-

òè÷åñêè îäèíàêîâû äëÿ ïëîñêîãî òîðöà è òîðöà

ñ êàíàâêîé – â òîì ÷èñëå ñ âûïóñêîì îõëàæäàþùå-

ãî âîçäóõà).

Óêàçàííàÿ çàâèñèìîñòü âûãëÿäèò ñëèøêîì

ïðîñòîé, òàê êàê íå âêëþ÷àåò äàæå ñòåïåíü ðåàê-

òèâíîñòè. Íî åå àâòîðû óêàçûâàþò, ÷òî â áåçáàí-

äàæíîé ëîïàòêå îñíîâíóþ ðîëü èãðàåò ïåðåòåêà-

íèå ãàçà íà òîðöå ñî ñòîðîíû äàâëåíèÿ (êîðûòà) íà

ñòîðîíó ðàçðåæåíèÿ (ñïèíêó), êîòîðîå íå çàâèñèò

îò ñòåïåíè ðåàêòèâíîñòè. Êðîìå òîãî, çàâèñèìîñòü

[8.6.5.1] óäîâëåòâîðèòåëüíî ïîäòâåðæäàåòñÿ è äðó-

ãèìè äàííûìè [8.6.5.2, 8.6.5.3].

Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñäåëàòü âàæíûé äëÿ

ïðàêòèêè âûâîä î ðàâíîçíà÷íîñòè ñ òî÷êè çðåíèÿ

óòå÷åê äâóõ îñíîâíûõ âàðèàíòîâ êîíñòðóêöèè òîð-

öà – ñïëîøíîãî (ïëîñêîãî) è ñ êàíàâêîé. Ýòîò âû-

âîä â ïðèíöèïå ïîäòâåðæäàåòñÿ è ïðàêòèêîé – èñ-

ïîëüçîâàíèåì â ñåðèéíûõ êîíñòðóêöèÿõ ëîïàòîê

ÒÂÄ êàê òîðöà ñ êàíàâêîé (ÏÑ-90À, CFM56, CF6-

80C2), òàê è ïëîñêîãî òîðöà (PW2000, PW4000,

V2500).

Äëÿ ëîïàòîê ñ áàíäàæíûìè ïîëêàìè öåëåñî-

îáðàçíî èñïîëüçîâàòü îáû÷íûå ôîðìóëû äëÿ îï-

ðåäåëåíèÿ ðàñõîäà ãàçà ÷åðåç ëàáèðèíòíûå óïëîò-

íåíèÿ [8.6.5.4].

Ýôôåêòèâíîñòü ëàáèðèíòíîãî óïëîòíåíèÿ

óâåëè÷èâàåòñÿ:

- ñ çàîñòðåíèåì âåðõíåé ÷àñòè çóáöà óïëîòíå-

íèÿ;

- ñ óâåëè÷åíèåì ðàçìåðîâ âîçäóøíîé êàìåðû

ìåæäó çóáöàìè (ñ óâåëè÷åíèåì îòíîøåíèÿ ïëîùà-

äåé ðàäèàëüíîãî çàçîðà è ìåæçóáöîâîé êàìåðû

óâåëè÷èâàåòñÿ ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå);

- ñ ââåäåíèåì ñòóïåíåê ìåæäó ñîñåäíèìè ïà-

ðàìè óïëîòíåíèé çóáåö - ñîòû;

- ñ íàêëîíîì çóáöîâ ïðîòèâ íàïðàâëåíèÿ óòå÷êè.

8.6.2 - Èçìåíåíèå ðàäèàëüíûõ çàçî-

ðîâ òóðáèíû â ðàáîòå

Èçìåíåíèå ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ âñëåäñòâèå

èçíîñà

Èçíîñ êîíöåâîé (òîðöåâîé) ïîâåðõíîñòè ðàáî-

÷åé ëîïàòêè ÒÂÄ ÿâëÿåòñÿ îñíîâíîé ïðè÷èíîé óâå-

ëè÷åíèÿ ðàäèàëüíîãî çàçîðà ìåæäó ðîòîðîì è ñòà-

òîðîì. Èçíîñ ðîòîðà (êîòîðûé ìîæåò èìåòü ìåñòî

íà îäíîì èç ïåðåõîäíûõ ðåæèìîâ) ïðèâîäèò

ê óâå-

ëè÷åíèþ ðàáî÷åãî çàçîðà è ñíèæåíèþ ê.ï.ä. íà âñåõ

îñòàëüíûõ – â òîì ÷èñëå îñíîâíûõ ðàáî÷èõ - ðå-

æèìàõ äâèãàòåëÿ. Èçíîñ êîðïóñà ÷àùå âñåãî áûâà-

åò ìåñòíûì (îáóñëîâëåííûì íåèäåàëüíîé ôîðìîé

äåòàëè) è îáû÷íî íå èìååò ñòîëü çíà÷èòåëüíûõ

ïîñëåäñòâèé äëÿ ýôôåêòèâíîñòè òóðáèíû.

Îñíîâíûìè ïðè÷èíàìè èçíîñà òîðöà ðàáî÷åé

ëîïàòêè ÿâëÿþòñÿ òðåíèå (âðåçàíèå â êîðïóñ)

è ýðîçèîííûé èçíîñ. Ýðîçèîííûé èçíîñ òîðöà ëî-

ïàòîê (à òàêæå è êîðïóñíûõ âñòàâîê íàä ýòèìè ëî-

ïàòêàìè) â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè ñòàíîâèòñÿ

ãëàâíîé ïðè÷èíîé íåêîíòðîëèðóåìîãî óâåëè÷åíèÿ

ðàäèàëüíîãî çàçîðà äëÿ ïåðâîé (è â îïðåäåëåííîé

ñòåïåíè - âî âòîðîé) ñòóïåíè ÒÂÄ [8.6.5.5].

Èçìåíåíèå ðàäèàëüíîãî çàçîðà îò òåìïà

ïðîãðåâà äåòàëåé òóðáèíû.

Òåìï ïðîãðåâà õàðàêòåðèçóåòñÿ âåëè÷èíîé,

íàçûâàåìîé ïîñòîÿííîé âðåìåíè

τ τ

= mc / (

αα

F),

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

495

ãäå m – ìàññà;

c – óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü ìàòåðèàëà;

αα

– êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è;

F – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè.

Áîëåå ìàññèâíûå èëè èìåþùèå ìåíüøóþ èí-

òåíñèâíîñòü òåïëîîòäà÷è äåòàëè (íàïðèìåð, äèñ-

êè) íàãðåâàþòñÿ è îñòûâàþò ìåäëåííåå, à äåòàëè

ñ ìåíüøåé ìàññîé èëè ñ áîëüøèì êîýôôèöèåíòîì

òåïëîîòäà÷è - áûñòðåå (íàïðèìåð, êîðïóñ).

Êàê ïîêàçûâàåò àíàëèç, èçìåíåíèÿ ðàçìåðîâ äå-

òàëåé âî âðåìÿ ðàáîòû âûçâàíû â îñíîâíîì âëèÿíèåì

òåìïåðàòóðû. Âëèÿíèå öåíòðîáåæíûõ íàãðóçîê (äëÿ

ðîòîðà) â íåñêîëüêî ðàç ìåíåå çíà÷èòåëüíî.

Êîðïóñ â ïðåäåëå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áûñòðî

ðåàãèðóþùóþ íà èçìåíåíèå ðåæèìà äâèãàòåëÿ òîí-

êóþ îáîëî÷êó è îáû÷íî äîñòàòî÷íî áûñòðî èçìå-

íÿåò ñâîþ òåìïåðàòóðó (è, ñîîòâåòñòâåííî, ðàçìåð)

ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû ïîòîêà ãàçà â ïðîòî÷-

íîé ÷àñòè. Ðîòîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìàññèâíóþ

(çà ñ÷åò äèñêîâ) êîíñòðóêöèþ, ê òîìó æå íàõîäÿ-

ùóþñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â ñðåäå îõëàæäàþùåãî

âîçäóõà (êîòîðûé ãîðàçäî ìåäëåííåå ãàçà ðåàãèðó-

åò íà èçìåíåíèå ðåæèìà äâèãàòåëÿ). Ïîýòîìó òåï-

ëîâàÿ èíåðöèîííîñòü ðîòîðà ñóùåñòâåííî âûøå.

Ïðè óâåëè÷åíèè ðåæèìà îòñòàâàíèå ðîòîðà âåäåò

ê óâåëè÷åíèþ ðàäèàëüíîãî çàçîðà, à ïðè óìåíüøå-

íèè (ñáðîñå) ðåæèìà - ê åãî óìåíüøåíèþ.

Ìíîãîå â ýòèõ ïðîöåññàõ çàâèñèò îò òåìïà èç-

ìåíåíèÿ ðåæèìà äâèãàòåëÿ è ñîîòíîøåíèÿ òåïëî-

âîé èíåðöèîííîñòè ðîòîðà è êîðïóñà. Ïðè íåäî-

ñòàòî÷íîì ðàäèàëüíîì çàçîðå â ñáîðêå èëè

íåáëàãîïðèÿòíîì ñî÷åòàíèè òåïëîâîé èíåðöèîí-

íîñòè ðîòîðà è ñòàòîðà ìîæåò âîçíèêíóòü êîíòàêò

è íåäîïóñòèìûé èçíîñ, êàê íà ñáðîñå ðåæèìà, òàê

è ïðè áûñòðîì óâåëè÷åíèè ðåæèìà (íàïðèìåð, íà

âçëåòå).

Âëèÿíèå, êîòîðîå îêàçûâàåò óâåëè÷åíèå ðàäè-

àëüíûõ çàçîðîâ òóðáèíû â ðàáîòå íà åå ýôôåêòèâ-

íîñòü, ïðèâåëî ê ïîÿâëåíèþ íà äâèãàòåëå ñèñòåì

óïðàâëåíèÿ ðàäèàëüíûìè çàçîðàìè.

8.6.3 - Óïðàâëåíèå ðàäèàëüíûìè çà-

çîðàìè

Öåëÿìè ïðè óïðàâëåíèè çàçîðàìè òóðáèíû

ÿâëÿþòñÿ:

- îáåñïå÷åíèå ìèíèìàëüíî âîçìîæíîãî ðàáî-

÷åãî çàçîðà íà îñíîâíîì ðàáî÷åì ðåæèìå (ðåæèìå

êðåéñåðñêîãî ïîëåòà) èëè íåñêîëüêèõ îñíîâíûõ

ðåæèìàõ, îáåñïå÷èâàþùåãî ìàêñèìàëüíûé ê.ï.ä.

òóðáèíû;

- èñêëþ÷åíèå íåïðèåìëåìîãî èçíîñà êîðïóñà

è îñîáåííî ðîòîðà ïðè âîçìîæíîì êîíòàêòå íà ïå-

ðåõîäíûõ ðåæèìàõ, êîòîðîå ïðèâîäèò ê óâåëè÷å-

íèþ ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ íà âåëè÷èíó èçíîñà íà

âñåõ ñòàöèîíàðíûõ ðàáî÷èõ ðåæèìàõ.

Óïðàâëåíèå ðàäèàëüíûìè çàçîðàìè ïîäðàçó-

ìåâàåò:

- êîíñòðóêòèâíîå îáåñïå÷åíèå ìèíèìàëüíî

äîïóñòèìûõ ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ - òàê íàçûâàåìîå

ïàññèâíîå ðåãóëèðîâàíèå ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ;

- êîíñòðóêòèâíîå îáåñïå÷åíèÿ ìèíèìàëüíî-

ãî èçíîñà äåòàëåé ðîòîðà (ëîïàòîê è ëàáèðèíòîâ)

ñòàòîðà (êîðïóñà è óïëîòíåíèé) âî âðåìÿ ýêñïëóà-

òàöèè;

- ïðèìåíåíèå ñèñòåì àêòèâíîãî óïðàâëåíèÿ

ðàäèàëüíûìè çàçîðàìè (ÑÀÓÐÇ) âî âðåìÿ ðàáî÷å-

ãî öèêëà äâèãàòåëÿ;

Ñóùåñòâóþò èññëåäîâàòåëüñêèå ðàáîòû, ïîñâÿ-

ùåííûå ýêîíîìè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ðåãóëèðîâàíèÿ

ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ â òóðáîìàøèíàõ äâóõêîíòóðíûõ

àâèàöèîííûõ äâèãàòåëåé [8.6.5.5].

Îíè ïîêàçûâàþò,

÷òî âûèãðûø â ñòîèìîñòè æèçíåííîãî öèêëà äâèãà-

òåëÿ îò âíåäðåíèÿ ìåðîïðèÿòèé ïî óïðàâëåíèþ ðàäè-

àëüíûì çàçîðîì â ÒÂÄ â äâà ðàçà áîëüøå, ÷åì â ÊÂÄ

è â ÷åòûðå ðàçà áîëüøå, ÷åì â ÒÍÄ.

Ïàññèâíîå ðåãóëèðîâàíèå ðàäèàëüíûõ çà-

çîðîâ.

Ïàññèâíîå óïðàâëåíèå ðàäèàëüíûìè çàçîðà-

ìè îñíîâàíî íà âûáîðå ìàòåðèàëîâ è êîíñòðóêöèè

ðîòîðà è ñòàòîðà òóðáèíû, îáåñïå÷èâàþùèõ ìèíè-

ìàëüíîå îòíîñèòåëüíîå ïåðåìåùåíèå.

Â êîíñòðóêöèÿõ àâèàöèîííûõ òóðáèí, ñî-

çäàííûõ äî íà÷àëà 1980-õ ãîäîâ è äî ñèõ ïîð íà-

õîäÿùèõñÿ â ýêñïëóàòàöèè, ïðèìåíÿëîñü òîëüêî

ïàññèâíîå ðåãóëèðîâàíèå ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ.

Íàðóæíûå êîðïóñà òóðáèíû ñíàðóæè íå îõëàæ-

äàëèñü èëè îõëàæäàëèñü òîëüêî ïîñòîÿííûì ïî-

òîêîì âîçäóõà íàðóæíîãî êîíòóðà (â äâóõêîíòóð-

íûõ äâèãàòåëÿõ).

Êîíñòðóêòèâíûå ìåðû ïî óïðàâëåíèþ ðàäèàëü-

íûìè çàçîðàìè òóðáèíû â îñíîâíîì çàêëþ÷àþòñÿ

â óâåëè÷åíèè òåïëîâîé èíåðöèîííîñòè êîðïóñà òóð-

áèíû. Ýòî âûçâàíî òåì, ÷òî ãåîìåòðè÷åñêèå ïàðà-

ìåòðû ðîòîðà è åãî ìàòåðèàëû îïðåäåëÿþòñÿ â

îñ-

íîâíîì ïî óñëîâèÿì ïðî÷íîñòè è îáåñïå÷åíèÿ

òðåáóåìîãî ðåñóðñà.

Íà Ðèñ. 8.4.1.2_5 ïðèâåäåíà êîíñòðóêöèÿ êîð-

ïóñà ÒÂÄ PW6000, êîòîðàÿ èñïîëüçóåò ðàçëè÷íûå

ñïîñîáû óâåëè÷åíèÿ òåïëîâîé èíåðöèîííîñòè êîð-

ïóñà:

- ïðèìåíåíèå äâóõñëîéíîãî êîðïóñà (êîëüöå-

âîãî íàðóæíîãî, óäàëåííîãî îò ïðîòî÷íîé ÷àñòè

è âíóòðåííåãî - èç îòäåëüíûõ ñåãìåíòîâ, ñîñòàâ-

ëÿþùåãî ïðîòî÷íóþ ÷àñòü); ïðè ýòîì õîëîäíûé

íàðóæíûé êîðïóñ îïðåäåëÿåò ðàäèàëüíîå ïåðåìå-

ùåíèå ñòàòîðà;

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

496

- ââåäåíèå äâóõ îáëàñòåé êîíöåíòðàöèè ìàñ-

ñû (ôëàíöåâ) ñî ñïåöèàëüíûì èõ îõëàæäåíèåì íà

íàðóæíîì êîðïóñå;

- ñòðóéíîå îõëàæäåíèå âñòàâîê ÷åðåç ñïåöè-

àëüíûå îòâåðñòèÿ è èõ òåðìîáàðüåðíîå ïîêðûòèå

äëÿ óìåíüøåíèÿ òåïëîâîãî ïîòîêà â êîðïóñ.

Êîíñòðóêòèâíîå îáåñïå÷åíèå ìèíèìàëü-

íûõ ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ.

Äëÿ îáëåã÷åíèÿ ìåñòíîé ïðèðàáîòêè êîðïóñà

áåç èçíîñà ðîòîðà ñîïðÿæåííûå ñ ðîòîðîì äåòàëè

êîðïóñà äåëàþò èç ìÿãêîãî ìàòåðèàëà èëè ïîêðû-

âàþò èõ òàêèì ìàòåðèàëîì.

Äëÿ ñïëîøíîãî ïëîñêîãî òîðöà ëîïàòêè èñ-

ïîëüçóåòñÿ íàïëàâêà èëè íàïàéêà ÷àñòè÷åê àáðà-

çèâíîãî ìàòåðèàëà, êîòîðûé ðàáîòàåò ñîâìåñòíî ñî

âñòàâêàìè (â êîðïóñå) èç ïðèðàáàòûâàåìîãî ìàòå-

ðèàëà. Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ ïîçâîëÿåò êîìïåíñèðî-

âàòü íåèçáåæíûå êîëåáàíèÿ ìåñòíîé âåëè÷èíû çà-

çîðà çà ñ÷åò îòêëîíåíèÿ îò ïðàâèëüíîé îêðóæíîñòè

êîíñòðóêöèè êîðïóñà è ýêñöåíòðèñèòåòà ðîòîðà.

Ëîêàëüíàÿ ïðèðàáîòêà ìÿãêîãî êåðàìè÷åñêîãî ìà-

òåðèàëà (íàíîñèìîãî íà âñòàâêè â êîðïóñå) ïîçâî-

ëÿåò ñîõðàíèòü òîðåö ðàáî÷åé ëîïàòêè è, ñîîòâåò-

ñòâåííî, ðàäèàëüíûé çàçîð â îñòàëüíîé ÷àñòè

ðàáî÷åãî êîëåñà.

Â ñîõðàíåíèè âåëè÷èíû ðàäèàëüíîãî çàçîðà

â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè íàèáîëåå âàæíóþ ðîëü èã-

ðàåò ïðåäîòâðàùåíèå ýðîçèè, îêèñëåíèÿ è êîððîçèè

òîðöåâîé ïîâåðõíîñòè ðàáî÷åé ëîïàòêè ïåðâîé ñòó-

ïåíè ÒÂÄ è êîðïóñíûõ âñòàâîê íàä íåé. Ãëàâíóþ

ðîëü â ýòîì ïðîöåññå èãðàåò ïðèìåíåíèå ïëåíî÷íî-

ãî îõëàæäåíèÿ òîðöà (

ñïîñîáû êîòîðîãî ðàññìîòðå-

íû â ðàçäåëå 8.4.2) è âñòàâîê. Åùå îäèí äîêàçàâøèé

ñâîþ ýôôåêòèâíîñòü ñïîñîá çàìåäëåíèÿ ïðîöåññîâ

ýðîçèè è êîððîçèè – èçãîòîâëåíèå ëîïàòîê è âñòàâîê

èç ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ëèòüÿ. Ìîíîêðèñòàëëè÷åñ-

êèé ìàòåðèàë (ñì. Ðèñ. 8.7.2_1) îáëàäàåò ñóùåñòâåí-

íî áîëåå âûñîêîé óñòîé÷èâîñòüþ ê âûñîêîòåìïåðà-

òóðíîìó îêèñëåíèþ è êîððîçèè.

Àêòèâíîå ðåãóëèðîâàíèå ðàäèàëüíûõ çàçî-

ðîâ.

Àêòèâíîå ðåãóëèðîâàíèå çàçîðîâ ïðåäíàçíà-

÷åíî äëÿ óìåíüøåíèÿ ðàññîãëàñîâàíèÿ òåìïîâ ïðî-

ãðåâà ðîòîðíûõ è ñòàòîðíûõ ÷àñòåé òóðáèíû. Íà

Ðèñ. 8.6.2_1 è 8.6.2_2 ïðèâåäåíî èçìåíåíèå ðàäè-

àëüíîãî çàçîðà ðàáî÷åé ëîïàòêè ïåðâîé ñòóïåíè

ÒÂÄ â ïîëåòíîì öèêëå äâèãàòåëÿ çà ñ÷åò ïðèìåíå-

íèÿ ÑÀÓÐÇ. ÑÀÓÐÇ óïðàâëÿåò òåïëîâîé èíåðöè-

îííîñòüþ ñòàòîðà ñ ïîìîùüþ óïðàâëÿåìîãî åãî îõ-

ëàæäåíèÿ (óïðàâëåíèÿ ðàñõîäîì îõëàæäàþùåãî

âîçäóõà íà êîðïóñ).

Ðèñóíîê 8.6.2_1 – Èçìåíåíèå ðàäèàëüíîãî çàçîðà äëÿ 1ÐË ÒÂÄ íà ðåæèìàõ çàïóñêà, âçëåòà, íàáîðà âûñîòû

è êðåéñåðñêîãî ïîëåòà (áåç âêëþ÷åíèÿ è ñ âêëþ÷åíèåì ÑÀÓÐÇ) [8.6.5.3]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

497

Íà ïðàêòèêå àêòèâíîå è ïàññèâíîå ðåãóëèðîâà-

íèå çàçîðîâ îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ ñîâìåñòíî. Íà

Ðèñ. 8.4.1.3_1 ïðèâåäåíà ñèñòåìà îáäóâà êîðïóñîâ

ÒÂÄ è ÒÍÄ CF6-80C2, êîòîðàÿ îáåñïå÷èâàåò íå òîëü-

êî îáäóâ ÷åðåç òðóáîïðîâîäû, íî è ñ ïîìîùüþ ñïå-

öèàëüíûõ êîæóõîâ ïðèæèìàåò èñïîëüçîâàííûé âîç-

äóõ ê êîðïóñó ÒÂÄ äëÿ óëó÷øåíèÿ òåïëîîáìåíà.

Íà Ðèñ. 8.1.2.4_4, 8.4.1.3_2 ïðèâåäåíà êîíñò-

ðóêöèÿ ñèñòåìû íàðóæíîãî îáäóâà êîðïóñîâ ÒÂÄ

è ÒÍÄ PW6000. Äëÿ óëó÷øåíèÿ ðåàêöèè êîðïóñà

íà íåì âûïîëíåíû äîïîëíèòåëüíûå ðåáðà, ê êî-

òîðûì íåïîñðåäñòâåííî ïðèáëèæåíà ñèñòåìà îá-

äóâà.

Âëèÿíèå ÑÀÓÐÇ íà õàðàêòåðèñòèêè òóðáèíû

çàâèñèò îò:

-ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ êîðïóñîâ;

-çàêîíà óïðàâëåíèÿ ðàáîòîé ñèñòåìû, êîòîðûé

â ñâîþ î÷åðåäü ìîæåò áûòü:

- äâóõïîçèöèîííûì (âêëþ÷åíî-âûêëþ÷åíî);

- óïðàâëÿþùèì ðàñõîäîì âîçäóõà â òðóáîïðî-

âîäàõ îáäóâà ïî çàðàíåå óñòàíîâëåííîé ìîäåëè

(îòêàëèáðîâàííîé â ïðîöåññå äîâîäêè);

- èñïîëüçóþùèì ñèñòåìó îáðàòíîé ñâÿçè (óï-

ðàâëÿþùèé ðàñõîäîì âîçäóõà â ñèñòåìå íà îñíî-

âàíèè èíôîðìàöèè î ðåàëüíîé òåìïåðàòóðå êîðïó-

ñà è ñðàâíåíèè åå ñ äàííûìè â óïðàâëÿþùåé

ìîäåëè). Èäåàëüíûì âàðèàíòîì áûëî áû èñïîëü-

çîâàíèå èíôîðìàöèè î âåëè÷èíå çàçîðà, íî â óñëî-

âèÿõ ýêñïëóàòàöèè ïîëó÷èòü òàêóþ èíôîðìàöèþ

ïîêà íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì.

8.6.4 - Âûáîð ðàäèàëüíîãî çàçîðà

ïðè ïðîåêòèðîâàíèè

Çàäà÷à âûáîðà ðàäèàëüíîãî çàçîðà ðåøàåòñÿ

ïðè ïðîåêòèðîâàíèè òóðáèíû è ÑÀÓÐÇ. Íà ïåðâîì

ýòàïå óñòàíàâëèâàåòñÿ ìèíèìàëüíî íåîáõîäèìûé

ðàäèàëüíûé çàçîð, îáåñïå÷èâàþùèé âîçìîæíîñòü

ñáîðêè è ðàáîòîñïîñîáíîñòü êîíñòðóêöèè íà áàçî-

âûõ ðåæèìàõ ðàáîòû òóðáèíû (÷àùå âñåãî èõ òðè –

ìàëûé ãàç, âçëåòíûé è êðåéñåðñêèé ðåæèìû).

Ïîñëå ïðîåêòèðîâàíèÿ ðîòîðà, êîðïóñà è ÑÀÓÐÇ

îïòèìèçèðóþòñÿ ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ðîòîðà, êîð-

ïóñà è ëîãèêà óïðàâëåíèÿ ñèñòåìîé â ïðîöåññå

Ðèñóíîê 8.6.2_2 – Èçìåíåíèå ðàäèàëüíîãî çàçîðà äëÿ 1ÐË ÒÂÄ íà ðåæèìàõ êðåéñåðñêîãî ïîëåòà, ïîëåòíîãî

ìàëîãî ãàçà è ïðè «ãîðÿ÷åì çàïóñêå» (ïîâòîðíîì âûõîäå íà êðåéñåðñêèé ðåæèì) [8.6.5.3]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

498

àíàëèòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ çàçîðîâ â òå÷åíèå

ðàáî÷åãî öèêëà. Êîíñòðóêòèâíûå îñîáåííîñòè,

ìàòåðèàëû, ñèñòåìà îõëàæäåíèÿ ðîòîðà è êîðïóñà

îïðåäåëÿþò ñêîðîñòü è âåëè÷èíó èçìåíåíèÿ ðàçìå-

ðîâ ðîòîðà è êîðïóñà.

Èòîãîì ðàñ÷åòîâ ñòàíîâèòñÿ âûáîð ðàäèàëü-

íîãî çàçîðà â õîëîäíîì ñîñòîÿíèè (äëÿ ñáîðêè)

è îïòèìàëüíîãî âàðèàíòà ëîãèêè óïðàâëåíèÿ.

Ìèíèìàëüíî íåîáõîäèìûé ðàäèàëüíûé

çàçîð.

Íà ïåðâîì ýòàïå äîëæåí áûòü îïðåäåëåí ìè-

íèìàëüíûé ðàäèàëüíûé çàçîð, îáåñïå÷èâàþùèé

èñêëþ÷åíèå âðåçàíèÿ ðîòîðíûõ äåòàëåé (ïðåæäå

âñåãî ðàáî÷èõ ëîïàòîê) â êîðïóñ. Íà ïîñëåäóþùèõ

ñòàäèÿõ ïðîåêòèðîâàíèÿ âðåçàíèå ðîòîðà â êîðïóñ,

îñîáåííî â ñîòîâûå óïëîòíåíèÿ è ïðèðàáàòûâàåìûå

âñòàâêè, âïîëíå ìîæåò áûòü ïðèçíàíî äîïóñòèìûì

è äàæå íåîáõîäèìûì ïîñëå äåòàëüíîãî ìîäåëèðî-

âàíèÿ ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ â ðàáî÷åì öèêëå.

Ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî ìèíèìàëüíî íåîá-

õîäèìûé çàçîð îïðåäåëÿåòñÿ îòäåëüíî äëÿ òðåõ

îñíîâíûõ ðåæèìîâ ðàáîòû äâèãàòåëÿ – ìàëîãî ãàçà,

âçëåòíîãî è êðåéñåðñêîãî.

Ìèíèìàëüíûé çàçîð äîëæåí ó÷èòûâàòü (äëÿ

ïðèìåðà âçÿòà òóðáèíà àâèàöèîííîãî äâóõêîíòóð-

íîãî äâèãàòåëÿ òÿãîé îêîëî 20 òîíí) ñëåäóþùèå

ôàêòîðû:

- Ïðîèçâîäñòâåííûå äîïóñêè íà èçãîòîâëåíèå

äåòàëåé òóðáèíû è ýêñöåíòðèñèòåò (îòêëîíåíèå îò

èäåàëüíîãî êðóãà) ðîòîðà. Èçìåíåíèå çàçîðà ïî

ýòîé ïðè÷èíå ìîæåò ñîñòàâèòü 0,15…0,40 ìì

(ìåíüøàÿ âåëè÷èíà îòíîñèòñÿ ê ÒÂÄ, áîëüøàÿ –

ê ÒÍÄ, ôèçè÷åñêèå ðàçìåðû êîòîðîé îáû÷íî áîëü-

øå). Òàêàÿ âåëè÷èíà çàçîðà îáåñïå÷èâàåò ñáîðêó

êîíñòðóêöèè.

- Èçãèá ðîòîðà ïðè ðàáîòå çà ñ÷åò íîìèíàëü-

íûõ (äîïóñòèìûõ) çíà÷åíèé äèñáàëàíñà. Èçìåíå-

íèå çàçîðà ïî ýòîé ïðè÷èíå ìîæåò ñîñòàâèòü

0,05…0,15 ìì.

Èçìåíåíèå çàçîðà ïî ýòèì äâóì ïðè÷èíàì äåé-

ñòâèòåëüíî íà âñåõ îñíîâíûõ ðåæèìàõ.

- Ìàíåâðåííûå íàãðóçêè íà êîðïóñà è ðîòîðà,

êîòîðûå ïðèâîäÿò ê äåôîðìàöèÿì äåòàëåé

è òðåáó-

þò

äîïîëíèòåëüíîãî çàçîðà, íåîáõîäèìîãî äëÿ ñî-

âìåñòíîé ðàáîòû äåòàëåé â äâèãàòåëå. Ýòîò äî-

ïîëíèòåëüíûé çàçîð äîñòèãàåò íà âçëåòíîì

ðåæèìå 0,05…0,10 ìì, â íåñêîëüêî ðàç ìåíüøå

íà êðåéñåðñêîì ðåæèìå, à íà ìàëîì ãàçå ïðåíåá-

ðåæèìî ìàë.

- Âîçìîæíîñòü çàïóñêà äâèãàòåëÿ ÷åðåç 1…2

÷àñà ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ ñ ó÷åòîì ýôôåêòà «òåðìè-

÷åñêîãî èçãèáà ðîòîðà». Ýòîò èçãèá èìååò ìåñòî èç-

çà äèàìåòðàëüíîãî òåðìè÷åñêîãî ãðàäèåíòà (íàêàï-

ëèâàíèÿ îñòàâøåãîñÿ â ðîòîðíûõ äåòàëÿõ òåïëà

â âåðõíåé ÷àñòè òóðáèíû). Òåðìè÷åñêèé èçãèá ðî-

òîðà ìîæåò ïðèâåñòè ê âðåìåííîìó çàêëèíèâàíèþ

ðîòîðîâ ÒÂÄ è ÒÍÄ (íà íåñêîëüêî ÷àñîâ) ïðèìåð-

íî ÷åðåç ÷àñ ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ

ýôôåêòà «òåðìè÷åñêîãî èçãèáà» ìîæåò ïîòðåáî-

âàòüñÿ äîïîëíèòåëüíîå óâåëè÷åíèå ðàäèàëüíîãî

çàçîðà íà 0.50 ìì è áîëåå. Ýòî óâåëè÷åíèå íåîáõî-

äèìî äëÿ ìàëîãî ãàçà.

Îïòèìèçàöèÿ èçìåíåíèÿ ðàäèàëüíîãî çàçî-

ðà â ðàáî÷åì öèêëå

Ðàáî÷èé öèêë äâèãàòåëÿ – îñíîâíûå ðàáî÷èå

ðåæèìû è òèïîâûå ïåðåõîäíûå ïðîöåññû ìåæäó

íèìè îïðåäåëÿþò ðàáî÷èå óñëîâèÿ, â êîòîðûõ äîë-

æíû îáåñïå÷èâàòüñÿ ðàäèàëüíûå çàçîðû. Ñëåäóåò

îòìåòèòü, ÷òî äëÿ îñíîâíûõ ñòàöèîíàðíûõ ðåæè-

ìîâ ðàáîòû òóðáèíû äîñòàòî÷íî äîñòîâåðíûå îöåí-

êè ðàäèàëüíûõ ðàçìåðîâ ðîòîðà è ñòàòîðà, à òàêæå

ðàäèàëüíîãî çàçîðà ìîãóò áûòü ñäåëàíû íà îñíîâå

îäíîìåðíûõ ðàñ÷åòîâ. Òàêèå îöåíêè î÷åíü ïîëåç-

íû â íà÷àëüíîé ñòàäèè.

Îñíîâîé äëÿ àíàëèòè÷åñêîãî îïðåäåëåíèÿ ðà-

äèàëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ðîòîðà è ñòàòîðà íà áàçî-

âûõ è îñîáåííî íà ïåðåõîäíûõ ðåæèìàõ ðàáîòû

ÿâëÿåòñÿ îñåñèììåòðè÷íîå ìîäåëèðîâàíèå íåñòà-

öèîíàðíîãî òåïëîâîãî ñîñòîÿíèÿ ðîòîðà è ñòàòîðà.

Èìåííî ìîäåëèðîâàíèå íåñòàöèîíàðíûõ ïðîöåñ-

ñîâ ðàäèàëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ðîòîðà è ñòàòîðà

ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç âàæíåéøèõ òðåáîâàíèé ïðè îï-

òèìèçàöèè ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ çàçîðàìè.

Êàê ïîêàçûâàåò ïðàêòèêà ðàñ÷åòîâ, ìèíè-

ìàëüíûå çíà÷åíèÿ ðàäèàëüíîãî çàçîðà â ïåðåõîä-

íûõ ïðîöåññàõ (ñîçäàþùèå îïàñíîñòü âðåçàíèÿ

ðàáî÷åé ëîïàòêè â êîðïóñ) îáû÷íî èìåþò ìåñòî

â äâóõ ñëó÷àÿõ – íà ðåæèìå âçëåòà (ñì. Ðèñ. 8.6.2_1

– 540-ÿ ñåêóíäà) è ïðè óâåëè÷åíèè ðåæèìà ñ ïî-

ëåòíîãî ìàëîãî ãàçà (ñì. Ðèñ. 8.6.2_2 - 730-ÿ ñå-

êóíäà). Êàê ñëåäóåò èç ðåçóëüòàòîâ ìîäåëèðîâà-

íèÿ çàçîðà 1ÐË,

ïðèâåäåííûõ íà Ðèñ. 8.6.2_1

è 8.6.2_2, äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé ÒÂÄ óäàëîñü èñêëþ-

÷èòü çàäåâàíèå ðàáî÷åé ëîïàòêè çà êîðïóñ

â îáîèõ

îïàñíûõ ñëó÷àÿõ è îáåñïå÷èòü ìèíèìàëüíîå çíà-

÷åíèå ðàäèàëüíîãî çàçîðà íà îñíîâíîì (êðåéñåð-

ñêîì) ðåæèìå ðàáîòû.

Âûáðàííûé õîëîäíûé (ìîíòàæíûé) ðàäèàëü-

íûé çàçîð è îòêëþ÷åíèå ÑÀÓÐÇ (ñ óâåëè÷åíèåì

òåìïåðàòóðû è ðàçìåðà êîðïóñà) íà îïàñíûõ ïåðå-

õîäíûõ ðåæèìàõ îáåñïå÷èëè óäîâëåòâîðèòåëüíûå

ðåçóëüòàòû. Ïðè ýòîì íà âñåõ òðåõ áàçîâûõ ðåæè-

ìàõ (ìàëûé ãàç, âçëåò è êðåéñåðñêèé) ïîëó÷åííûé

ðàäèàëüíûé çàçîð ïðåâûøàåò ìèíèìàëüíî íåîáõî-

äèìûé çàçîð (ñîîòâåòñòâåííî 0.70, 0.30 è 0.20 ìì).

Âûáðàííàÿ ëîãèêà ðàáîòû íàèáîëåå ïðîñòà (äâóõ-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

499

ïîçèöèîííûé âàðèàíò). Íåäîñòàòêîì ïîëó÷åííîãî

âàðèàíòà ìîæíî ñ÷èòàòü íåñêîëüêî óâåëè÷åííûé

ðàäèàëüíûé çàçîð íà âçëåòíîì ðåæèìå, îäíàêî íå-

ïðîäîëæèòåëüíîñòü âçëåòíîãî ðåæèìà è óìåíüøåí-

íûé ðèñê âðåçàíèÿ äåëàþò ðåçóëüòàò âïîëíå ïðè-

åìëåìûì.

Ïîäîáíûé æå àíàëèç äîëæåí áûòü ïðîâåäåí

è äëÿ îñòàëüíûõ ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ ÒÂÄ (2ÐË,

2ÑÀ, âåðõíèé è íèæíèé ëàáèðèíòû àïïàðàòà çàê-

ðóòêè) è ÒÍÄ.

8.6.5 - Ïåðå÷åíü èñïîëüçîâàííîé

ëèòåðàòóðû

8.6.5.1 Hourmouziadis J., Albrecht G. An Integrated

Aero/Mechanical Performance Approach to High

Technology Turbine Design. MTU, 1988.

8.6.5.2 NASA/PWA Energy Efficient Engine. High

Pressure Turbine Detailed Design Report. NASA CR-

165608, 1984.

8.6.5.3 NASA/GE E3 Flight Propulsion System Final

Design and Analysis. NASA CR-168219, 1985.

8.6.5.4 Àáèàíö Â.Õ. Òåîðèÿ àâèàöèîííûõ ãàçîâûõ

òóðáèí. - Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1979.

8.6.5.5 Lattime S.B., Steinetz B.M. High-Pressure-

Turbine Clearance Control Systems: Current Practices

and Future Directions. Journal of Propulsion and

Power, Vol.20, No.2, March-April 2004.

8.7 - Ãåðìåòèçàöèÿ ïðîòî÷íîé

÷àñòè

Ëèêâèäàöèÿ íåïðîèçâîäèòåëüíûõ óòå÷åê ãàçà

è îõëàæäàþùåãî âîçäóõà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäíó èç

íàèáîëåå âàæíûõ è íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûõ ïî ïîëó-

÷àåìîìó ýôôåêòó çàäà÷ ïðè ïðîåêòèðîâàíèè òóðáè-

íû. Óòå÷êà êàæäîãî ïðîöåíòà ðàñõîäà ãàçà

â ðàäèàëü-

íûé çàçîð (êàê ðàáî÷åãî êîëåñà, òàê è ñîïëîâîãî

àïïàðàòà) ïðèâîäèò ê ðàâíîìó ïî âåëè÷èíå (â ïðî-

öåíòàõ) óìåíüøåíèþ ê.ï.ä. ñòóïåíè òóðáèíû.

Óòå÷êà â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü òóðáèíû êàæäîãî

ïðîöåíòà îõëàæäàþùåãî âîçäóõà, îòáèðàåìîãî çà

êîìïðåññîðîì âûñîêîãî äàâëåíèÿ (äëÿ äâèãàòåëÿ

òèïà ÏÑ-90À) ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ óäåëüíîãî

ðàñõîäà òîïëèâà íà 0,3% è óâåëè÷åíèþ òåìïåðà-

òóðû ãàçà ïåðåä ðîòîðîì ÒÂÄ íà 10

Ñ. Êðîìå òîãî,

ñàìà óòå÷êà îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â îñíîâíîé

ïîòîê, îñîáåííî â îáëàñòü áîëüøèõ ñêîðîñòåé (íà-

ïðèìåð, â îñåâîé çàçîð ìåæäó ÑÀ è ÐÊ), ñïîñîáíà

ïðèâåñòè ê äîïîëíèòåëüíûì ïîòåðÿì ê.ï.ä. – äî

1,5% ê.ï.ä. ñòóïåíè íà êàæäûé ïðîöåíò óòå÷êè îõ-

ëàæäàþùåãî âîçäóõà.

8.7.1 - Ãåðìåòèçàöèÿ ðîòîðà è ñòàòî-

ðà îò óòå÷åê îõëàæäàþùåãî âîçäóõà

Íà Ðèñ. 8.7.1_1 ïðèâåäåíà ñõåìà ïðîòî÷íîé

÷àñòè ÒÂÄ, ðîòîð è ñòàòîð êîòîðîé èìåþò ïðàêòè-

÷åñêè âñå âèäû óïëîòíåíèé, êîòîðûå ïðèìåíÿþòñÿ

â ñîâðåìåííûõ òóðáèíàõ.

Äëÿ ãåðìåòèçàöèè ñòûêîâ äåòàëåé ðîòîðà

è ñòàòîðà îò óòå÷åê îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â ïðî-

òî÷íóþ ÷àñòü èñïîëüçóþòñÿ (ñì. Ðèñ. 8.7.1_1):

- Êîíóñíûå óïðóãèå êîëüöà 1 – äëÿ óïëîòíå-

íèÿ çíà÷èòåëüíûõ îñåâûõ çàçîðîâ.

- Ãîôðèðîâàííûå W-îáðàçíûå êîëüöà 2 – óï-

ëîòíåíèå ñòûêîâ ìåæäó äåòàëÿìè ñòàòîðà, â êîòî-

ðûõ íåîáõîäèì çàçîð ïî óñëîâèÿì ñáîðêè äëÿ êîì-

ïåíñàöèè òåìïåðàòóðíûõ ïåðåìåùåíèé â ðàáî÷èõ

óñëîâèÿõ.

- Òàê íàçûâàåìûå «ïåðüåâûå» óïëîòíåíèÿ 3

ìåæäó âåðõíèìè è íèæíèìè ïîëêàìè ñîïëîâûõ

ëîïàòîê – äëÿ óïëîòíåíèÿ âîçäóøíîé ïîëîñòè íàä

ÑÀ è ïîä ÑÀ îò óòå÷åê â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü è óòå-

÷åê ãàçà è âîçäóõà ìåæäó íèæíèìè ïîëêàìè 2ÑÀ.

«Ïåðüåâûå» óïëîòíåíèÿ ñîñòîÿò èç òîíêîé

(ïðèìåðíî 0,3 ìì) ãèáêîé ìåòàëëè÷åñêîé ïîëîñêè,

ïîìåùàåìîé îäíîâðåìåííî â äâå ïàðàëëåëüíûå êà-

íàâêè, ïðîðåçàííûå â ñìåæíûõ äåòàëÿõ (òîðöàõ ïî-

ëîê ëîïàòîê). Ðàçíèöà äàâëåíèé ìåæäó ïîëîñòÿìè

ñâåðõó è ñíèçó ïîëîê ïðèæèìàåò ïëàñòèíêè

ê ñòåí-

êàì êàíàâîê è óïëîòíÿåò çàçîð. Èç ïðèíöèïà

äåé-

ñòâèÿ «ïåðüåâûõ» óïëîòíåíèé ÿñíî, ÷òî ÷åì áîëåå