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

Подождите немного. Документ загружается.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

520

çàÿâëåíèþ ïðåçèäåíòà «Äâèãàòåëüíîãî àëüÿíñà GE

- Pratt&Whitney» (ñîçäàííîãî äëÿ ðàçðàáîòêè äâè-

ãàòåëÿ GP7200), «àëüÿíñ ïëàíèðóåò çà ñ÷åò ýêñòåí-

ñèâíûõ èñïûòàíèé âûÿâèòü âñå ïîòåíöèàëüíûå

ïðîáëåìû» äî ñåðòèôèêàöèè [8.10.5.10].

GE Aircraft Engines óñòàíîâèëà òðè îñíîâíûõ

íàïðàâëåíèÿ ðàáîò â öåëÿõ ïîâûøåíèÿ íàäåæíîñ-

òè, ñîêðàùåíèÿ ðèñêà è ñòîèìîñòè ðàçðàáîòêè íî-

âûõ êîíñòðóêöèé.

Ïåðâûì íàïðàâëåíèåì ÿâëÿåòñÿ ýêñïåðèìåí-

òàëüíàÿ îòðàáîòêà êàæäîé íîâîé òåõíîëîãèè (êîí-

ñòðóêöèè) íà ñòàäèè èññëåäîâàòåëüñêèõ ðàçðàáî-

òîê – åùå äî íà÷àëà ðàçðàáîòêè íîâîé êîíñòðóêöèè

äâèãàòåëÿ è òóðáèíû. Êàæäàÿ íîâàÿ òåõíîëîãèÿ

äîëæíà «ñîçðåòü» - òî åñòü íàðàáîòàòü äîñòàòî÷-

íîå êîëè÷åñòâî âðåìåíè íà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ

óñòàíîâêàõ è â íàòóðíûõ óñëîâèÿõ íà äâèãàòåëÿ

õ-

äåìîíñòðàòîðàõ – êàê íà ñòåíäàõ, òàê

è â ýêñïëóà-

òàöèè. Ïî ìíåíèþ ðóêîâîäñòâà GE, «íåîáõîäèìî

áûòü óâåðåííûì â òåõíîëîãèè åùå äî íà÷àëà êà-

êèõ-ëèáî êîíñòðóêòîðñêèõ ðàáîò» [8.10.5.11].

Âòîðûì íàïðàâëåíèåì ÿâëÿåòñÿ óâåëè÷åíèå

öèêëè÷åñêîé íàðàáîòêè íà äâèãàòåëÿõ äî ââîäà

â ýêñïëóàòàöèþ. Ñ 1998 ãîäà óñòàíîâëåíî, ÷òî äâè-

ãàòåëè íîâîé ìîäåëè äîëæíû íàðàáîòàòü äî ââîäà

â ýêñïëóàòàöèþ íå ìåíåå 14000…15000 öèêëîâ

(ïðèìåðíî â äâà ðàçà áîëüøå, ÷åì äâèãàòåëüíûõ

ïðîãðàììàõ, ðåàëèçîâàííûõ ðàíåå) [8.10.5.12]. Íà

GP7200 ê ìîìåíòó ââîäà â ýêñïëóàòàöèþ ïëàíèðó-

åòñÿ äîñòèãíóòü íå ìåíåå 20000 öèêëîâ, ïðè÷åì

ñ îñîáûì óïîðîì íà íàðàáîòêó â íàèáîëåå òÿæå-

ëûõ ïî òåìïåðàòóðå óñëîâèÿõ [8.10.5.13].

Òðåòüèì íàïðàâëåíèåì ÿâëÿåòñÿ ïðîäîëæåíèå

äëèòåëüíûõ èñïûòàíèé íåñêîëüêèõ ýêçåìïëÿðîâ

äâèãàòåëÿ äëÿ îïåðåæàþùåãî âûÿâëåíèÿ äåôåêòîâ

ñ íàðàáîòêîé äî 10000 öèêëîâ è áîëåå. Íàïðèìåð,

â ïðîãðàììå GE90-115B áûë âûäåëåí ñïåöèàëüíûé

äâèãàòåëü äëÿ èñïûòàíèÿ òóðáèíû, êîòîðûé äîë-

æåí â òå÷åíèå òðåõ ëåò íàðàáîòàòü 10500 öèêëîâ

[8.10.5.14]. Ýòà æåñòêàÿ ïðîâåðêà óæå ñåðòèôèöè-

ðîâàííîãî äâèãàòåëÿ äîëæíà îáåñïå÷èòü âûÿâëå-

íèå âñåõ âîçìîæíûõ äåôåêòîâ çàäîëãî äî èõ âîç-

ìîæíîãî ïðîÿâëåíèÿ â ýêñïëóàòàöèè.

8.10.5 – Ïåðå÷åíü èñïîëüçóåìîé ëè-

òåðàòóðû

8.10.5.1 PW4000 engine focus. Aircraft Technology

Engineering & Maintenance. August/September 2002.

8.10.5.2 The CFM56 in service. Aircraft Technology

Engineering & Maintenance. June/July 2001.

8.10.5.3 years later, the CF6 is still rising to meet new

challenges. SKYlines, Paris Air Show 1997 Special

Edition. GE Commercial Aircraft Engines. 1997.

8.10.5.4 United Technologies/Pratt & Whitney:

PW2000. The New Standard in Turbine Durability.

USA, 1994.

8.10.5.5 Delta Achieves Lower Maintenance costs with

MMP. Customer Service Quarterly, 1/1999, Pratt &

Whitney.

8.10.5.6 Sharma O.P., Stetson G.M. Impact of

Combustor Generated Temperature Distortions on the

Performance, durability and Structural Integrity of

Turbines. Blade Row Interference Effects in Axial

Turbomachinery Stages. Von Karman Institute for

Fluid Dynamics. Lecture Series 1998-02, 1998.

8.10.5.7 Driscoll M., McFetridge E., Arseneau W.

Evaluation of at Sea Tested LM2500 Rainbow Rotor

Blade Coatings. GT-2002-30263. Proceedings of

ASME Turbo Expo 2002.

8.10.5.8 Clark J.P., Aggrawala A.S., Velonis M.A.,

Gacek R.E., Magge S.S., Price F.R. Using CFD to

Reduce Resonant Stresses on a Single-Stage, High-

Pressure Turbine Blade. GT-2002-30320. Proceedings

of ASME Turbo Expo 2002.

8.10.5.9 Advanced gas turbine teething troubles were

no great shakes. Modern Power Systems, September

1996.

8.10.5.10 GP7200’s to Be ‘Mature’ on Service Entry.

Aviation Week Show News, Farnborough 2004, July

19, 2004.

8.10.5.11 Flight International. October 29-November

4, 2002.

8.10.5.12 General Electric Aims At 18-Month Engine.

Aviation Week & Space Technology. October 21, 2002.

8.10.5.13 GP7200 – power for the A380. Aircraft

Technology Engineering & Maintenance – Paris 2003

Special.

8.10.5.14 Zero in-flight events. Engine Yearbook 2004.

Aviation Industry Press, 2004.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

521

8.11 - Ïåðñïåêòèâû ðàçâèòèÿ

êîíñòðóêöèé è ìåòîäîâ

ïðîåêòèðîâàíèÿ òóðáèí

Îñíîâíûå íàïðàâëåíèÿ ðàçâèòèÿ êîíñòðóêöèé

òóðáèí ñâÿçàíû ñ ïðîãðåññîì â ðÿäå íàèáîëåå ïåð-

ñïåêòèâíûõ (ïî ñîîòíîøåíèþ ñòîèìîñòè è ýôôåê-

òèâíîñòè) òåõíîëîãèé, êîòîðûå äîëæíû îáåñïå÷èòü

ðàçðàáîòêó êîíêóðåíòîñïîñîáíûõ òóðáèí â áóäó-

ùåì (ñì. Ðèñ. 8.11_1).

8.11.1 - 2D-àýðîäèíàìèêà: ýôôåê-

òèâíûå îõëàæäàåìûå ëîïàòêè ÒÂÄ

Ñîêðàùåíèå êîëè÷åñòâà ñòóïåíåé òóðáèíû –

ýòî íàèáîëåå ðàäèêàëüíûé ïóòü ñîêðàùåíèÿ ñåáå-

ñòîèìîñòè ïðîèçâîäñòâà è îáñëóæèâàíèÿ. Îäíîñòó-

ïåí÷àòûå ÒÂÄ äîëæíû èìåòü ýôôåêòèâíûå äëÿ

âûñîêèõ ÷èñåë Ìàõà îõëàæäàåìûå ëîïàòêè. Îíè

äîëæíû ïîçâîëèòü ïðèìåðíî âäâîå óìåíüøèòü ðàç-

ëè÷èå â àýðîäèíàìè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè îäíî-

ñòóïåí÷àòîé è äâóõñòóïåí÷àòîé ÒÂÄ.

Äëÿ ðåàëèçàöèè êîíêóðåíòîñïîñîáíûõ îäíî-

ñòóïåí÷àòûõ ÒÂÄ íåîáõîäèìà òåõíîëîãèÿ ðàçðà-

áîòêè àýðîäèíàìè÷åñêè ýôôåêòèâíûõ îõëàæäàå-

ìûõ ëîïàòîê ñ ïðèåìëåìûì óðîâíåì ïîòåðü ïðè

âûñîêèõ ÷èñëàõ Ìàõà. Ýòà òåõíîëîãèÿ ïîäðàçóìå-

Ðèñóíîê 8.11_1 – Ïåðñïåêòèâíûå òåõíîëîãèè ïðîåêòèðîâàíèÿ è ðàçðàáîòêè òóðáèíû

âàåò êîíòðîëü íàä èíòåíñèâíîñòüþ è ðàñïîëîæå-

íèåì ñèñòåìû ñêà÷êîâ óïëîòíåíèÿ, êîòîðûå ÿâëÿ-

þòñÿ íåèçáåæíûì ñëåäñòâèåì ñâåðõçâóêîâûõ ñêî-

ðîñòåé â ïðîòî÷íîé ÷àñòè.

Ìàëûå çíà÷åíèÿ óãëîâ çàîñòðåíèÿ (äî 2 ãðà-

äóñîâ) íà âûõîäíîé êðîìêå è òîíêèå âûõîäíûå

êðîìêè (òîëùèíà ñòåíêè 0,40…0,45 ìì) ÿâëÿþòñÿ

îáÿçàòåëüíûì óñëîâèåì ðåàëèçàöèè ýôôåêòèâíûõ

òðàíñçâóêîâûõ è ñâåðõçâóêîâûõ ðåøåòîê. Âûñîêèé

óðîâåíü íàïðÿæåíèé ðàñòÿæåíèÿ ïðèâîäèò ê íåîá-

õîäèìîñòè ðåàëèçàöèè òîíêèõ (äî 0,60 ìì) ñòåíîê

â âåðõíèõ ñå÷åíèÿõ ëîïàòîê äëÿ óìåíüøåíèÿ íà-

ïðÿæåíèé â êîðíåâûõ ñå÷åíèÿõ. Ïîýòîìó èçãîòîâ-

ëåíèå òàêèõ ëîïàòîê ÿâëÿåòñÿ ñòîëü æå ñëîæíîé

çàäà÷åé, êàê è èõ ïðîåêòèðîâàíèå.

Çàÿâëåííàÿ â [8.11.10.1] öåëü GE Aircraft

Engines (ñì. Ðèñ. 8.11.1_1) çàêëþ÷àåòñÿ â ðàçðàáîò-

êå åäèíîé ïëàòôîðìû îäíîñòóïåí÷àòîé ÒÂÄ äëÿ

èñïîëüçîâàíèÿ â äâèãàòåëÿõ óçêîôþçåëÿæíûõ

(CFM56), ðåãèîíàëüíûõ (CF34-10) è øèðîêîôþçå-

ëÿæíûõ ñàìîëåòîâ (òèïà GE90). Ñòåïåíü ðàñøè-

ðåíèÿ òàêîé òóðáèíû – äî 5,5 è ðàçðàáàòûâàåòñÿ

îíà ïî ïðîãðàììå ïðàâèòåëüñòâà ÑØÀ Ultra

Efficient Turbine Engine è â ðàìêàõ ñîáñòâåííîé

òåõíîëîãè÷åñêîé ïðîãðàììû GE Aircraft Engines

TECH56. Ýòè ðàáîòû äîëæíû ñóùåñòâåííî ñîêðà-

òèòü ïðåèìóùåñòâà äâóõñòóïåí÷àòîé ÒÂÄ ïî ýô-

ôåêòèâíîñòè.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

522

Ðèñóíîê 8.11.1_1 – Ñîçäàíèå åäèíîé ïëàòôîðìû GE Aircraft Engines äëÿ âûñîêîíàãðóæåííîé îäíîñòóïåí÷à-

òîé ÒÂÄ ñ «î÷åíü âûñîêîé ñòåïåíüþ ðàñøèðåíèÿ» ðåàëèçóåòñÿ íà áàçå äâóõ ïëàòôîðì -

îäíîñòóïåí÷àòîé òóðáèíû ñ óìåðåííûì ïåðåïàäîì äàâëåíèÿ CFM56/CF34-10 è äâóõñòó-

ïåí÷àòîé ÒÂÄ GE90 ñ âûñîêèì ïåðåïàäîì äàâëåíèÿ [8.11.10.1].

Ðèñóíîê 8.11.1_2 – Ïðîãðåññ â ê.ï.ä. îäíîñòóïåí÷à-

òûõ ÒÂÄ GE Aircraft Engines

Íà Ðèñ. 8.11.1_2 ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû

ïðèìåðíî 15 ëåò ðàáîòû GE Aircraft Engines íà ñîá-

ñòâåííîì ìîäåëüíîì ñòåíäå [8.11.10.1]. Õîòÿ àáñî-

ëþòíûå çíà÷åíèÿ ê.ï.ä. îöåíèòü òðóäíî (ìåòîäî-

ëîãèÿ èõ îïðåäåëåíèÿ íå ïðèâåäåíà), î÷åâèäåí

ïðîãðåññ â ê.ï.ä., â òîì ÷èñëå äîñòèãíóòûé â ïðîã-

ðàììå TECH56.

Pratt&Whitney ðàçðàáîòàëà óñïåøíóþ òåõ-

íîëîãèþ ïðîåêòèðîâàíèÿ îäíîñòóïåí÷àòûõ ÒÂÄ,

ñ ïîìîùüþ êîòîðîé áûëè ðåàëèçîâàíû ÒÂÄ äëÿ âî-

åííûõ äâèãàòåëåé F119/F135 è äëÿ ãðàæäàíñêîãî

PW6000.

Îäíàêî, íåñìîòðÿ íà ïðèíÿòîå íàïðàâëåíèå

ðàçâèòèÿ êîíñòðóêöèé ÒÂÄ, ðåøåíèå äëÿ êàæäîãî

êîíêðåòíîãî ñëó÷àÿ ïðèíèìàåòñÿ íà îñíîâå êîíê-

ðåòíîãî àíàëèçà (ñåáåñòîèìîñòü ïðîèçâîäñòâà, ñòî-

èìîñòü îáñëóæèâàíèÿ, çàòðàòû íà ðàçðàáîòêó, óðî-

âåíü ðèñêà). GE Aircraft Engines, â ÷àñòíîñòè, â ÒÂÄ

íîâîãî äâèãàòåëÿ ñåìåéñòâà CF34 (CF34-10) ðåà-

ëèçîâàëà îäíîñòóïåí÷àòóþ ñõåìó (ìîäåëèðîâàíè-

åì ÒÂÄ CFM56).

Äëÿ ðàçðàáàòûâàåìûõ â íàñòîÿùåå ÒÂÄ øè-

ðîêîôþçåëÿæíûõ ñàìîëåòîâ (äâèãàòåëè GP7200

äëÿ Ýéðáàñ À380 è GenX äëÿ Áîèíã 7Å7) â êà÷å-

ñòâå îñíîâû ïðèíÿòà äâóõñòóïåí÷àòàÿ êîíñòðóêöèÿ

ÒÂÄ GE90. Îñíîâàíèåì äëÿ òàêîãî âûáîðà ÿâëÿ-

þòñÿ ñóùåñòâåííî ìåíüøèå çàòðàòû íà ðàçðàáîò-

êó è íåñðàâíåííî ìåíüøèé ðèñê.

8.11.2 - 2D-àýðîäèíàìèêà: ñîêðàùå-

íèå êîëè÷åñòâà ëîïàòîê

Òåõíîëîãèè ñîêðàùåíèÿ êîëè÷åñòâà ëîïàòîê –

óâåëè÷åíèå àýðîäèíàìè÷åñêîé íàãðóçêè íà ïðîôèëü

áåç óìåíüøåíèÿ åãî ýôôåêòèâíîñòè (èëè

ñ «ïðèåì-

ëåìûì» óìåíüøåíèåì) â íàñòîÿùåå âðå

ìÿ íàèáî-

ëåå ïîïóëÿðíû è àêòèâíî ðàçâèâàþòñÿ. Âî âñåõ íî-

âûõ ïðîåêòàõ çàÿâëÿåòñÿ î ñîêðàùåíèè êîëè÷åñòâà

ëîïàòîê, êàê ãëàâíîãî ñðåäñòâà ñíèæåíèÿ ñòîèìîñ-

òè òóðáèíû è ñòîèìîñòè åå îáñëóæèâàíèÿ.

Ïîâûøåíèå íàãðóçêè íà ïðîôèëü ÒÂÄ äîñòè-

ãàåòñÿ áîëåå ñîâåðøåííîé àýðîäèíàìèêîé ïðîôè-

ëÿ, ñìÿã÷åíèåì ñðåäñòâàìè ïðîåêòèðîâàíèÿ âëèÿ-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

523

íèÿ êîíñòðóêöèîííûõ îãðàíè÷åíèé ïî ïðî÷íîñòè,

à òàêæå ïðîãðåññîì â ïðîèçâîäñòâåííîé òåõíîëî-

ãèè. Âñå ýòè íàïðàâëåíèÿ âçàèìîñâÿçàíû è âçàè-

ìîçàâèñèìû.

Ýôôåêòèâíûì íàïðàâëåíèåì ïîâûøåíèÿ íà-

ãðóçêè íà ïðîôèëü ÿâëÿåòñÿ áîëåå îïòèìàëüíîå

è áîëåå òî÷íîå ðàñïðåäåëåíèå íàãðóçêè ïî åãî îá-

âîäàì (èëè âäîëü îñåâîé õîðäû, êàê ýòî îáû÷íî

ïðèíÿòî), à òàêæå ýôôåêòèâíîå ñ òî÷êè çðåíèÿ

àýðîäèíàìèêè ðàñïðåäåëåíèå ïëåíî÷íîãî îõëàæ-

äåíèÿ. Îñíîâíûì ñðåäñòâîì ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâ-

íîñòè ðåøåòîê ñ âûñîêèìè ÷èñëàìè Ìàõà â óæå

óïîìèíàâøåéñÿ ïðîãðàììå GE TECH56 ñòàëî

óìåíüøåíèå (â êîíå÷íîì ñ÷åòå âäâîå) èíòåíñèâíî-

ñòè ñêà÷êà óïëîòíåíèÿ çà âûõîäíîé êðîìêîé ðàáî-

÷åé ëîïàòêè. Êîëè÷åñòâî ëîïàòîê â îäíîñòóïåí÷à-

òîé ÒÂÄ CFM56 áûëî ñîêðàùåíî íà 10% (ñî 122

äî 110) è ýòà òåõíîëîãèÿ ãîòîâèòñÿ ê ñåðèéíîìó

èñïîëüçîâàíèþ [8.11.10.1].

Íåîáõîäèìûì óñëîâèåì óëó÷øåíèÿ àýðîäèíà-

ìèêè ëîïàòîê ÿâëÿåòñÿ ðåàëèçàöèÿ áîëåå æåñòêèõ

òðåáîâàíèé ê òåõíîëîãèÿì ëèòüÿ (ìèíèìàëüíàÿ

òîëùèíà ñòåíîê, òîëùèíà âûõîäíîé êðîìêè, øè-

ðèíà êàíàëà îõëàæäåíèÿ â âûõîäíîé êðîìêå, óãîë

çàîñòðåíèÿ âûõîäíîé êðîìêè) è ìåõàíè÷åñêîé îá-

ðàáîòêè (äèàìåòð è óãîë íàêëîíà ê ïîâåðõíîñòè

îòâåðñòèé ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ). Î÷åíü âàæíûì

ÿâëÿåòñÿ ïðè ýòîì ñîõðàíåíèå ïðèåìëåìîé ñåáåñ-

òîèìîñòè ïðîèçâîäñòâà.

Ðèñóíîê 8.11.2_1 – Óâåëè÷åíèå íàãðóçêè ïî êîýôôè-

öèåíòó Öâàéôåëÿ ïðè ïðîåêòè-

ðîâàíèè íîâûõ ÒÍÄ Rolls-Royce

ñ ñîêðàùåíèåì êîëè÷åñòâà ëîïà-

òîê [8.11.10.2]

Â ÒÍÄ äëÿ ñîêðàùåíèÿ êîëè÷åñòâà ëîïàòîê

èíòåíñèâíî ðàçâèâàþòñÿ òåõíîëîãèè òàê íàçûâàå-

ìûõ «ðàçðåæåííûõ ïðîôèëåé» («Low Solidity

Airfoils» - GE Aircraft Engines) è «ïðîôèëåé ñ âû-

ñîêîé ïîäúåìíîé ñèëîé» («High Lift Airfoils» - Rolls-

Royce). Ýòè òåõíîëîãèè óæå ïîçâîëèëè óìåíüøèòü

êîëè÷åñòâî ëîïàòîê ñîîòâåòñòâåííî â ÒÍÄ GE90-

115B (ñåðòèôèöèðîâàí â 2003 ãîäó) è â ÒÍÄ BR715

– ïðèìåðíî íà 10-20% [8.11.10.2]- ïî ñðàâíåíèþ

ñ áîëåå ðàííèìè ñåðèéíûìè ìîäåëÿìè.

Õîòÿ áàçà äëÿ óïîìÿíóòûõ ñîêðàùåíèé íåèç-

âåñòíà, ýôôåêòèâíîñòü ýòèõ òåõíîëîãèé ìîæíî

ñ÷èòàòü äîñòàòî÷íî âûñîêîé. Â ðàçðàáîòêå íàõîäÿò-

ñÿ è áîëåå ýôôåêòèâíûå òåõíîëîãèè - ïðîôèëåé ëî-

ïàòîê ñ «óëüòðàíèçêîé ãóñòîòîé» («Ultra Low

Solidity Airfoils») è «ïðîôèëåé ñ î÷åíü âûñîêîé

ïîäúåìíîé ñèëîé» - «Ultra High Lift Airfoils»

[8.11.10.2].

Óïîìÿíóòûå òåõíîëîãèè ÿâëÿþòñÿ àýðîäèíà-

ìè÷åñêèìè è áàçèðóþòñÿ íà îïòèìèçàöèè ðàñïðå-

äåëåíèÿ íàãðóçêè ïî ïðîôèëþ. Óïðàâëåíèå ýòèì

ðàñïðåäåëåíèåì äîëæíî áûòü î÷åíü òîíêèì è ýô-

ôåêòèâíûì – äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ îòðûâà ïîòîêà

è âîçðàñòàíèÿ ïîòåðü ýíåðãèè.

Èíòåíñèâíûå è ýôôåêòèâíûå óñèëèÿ ïî ñî-

êðàùåíèþ êîëè÷åñòâà ëîïàòîê áûëè ïðåäïðèíÿòû

â ïðîãðàììå ïåðåäîâîé òåõíîëîãèè TECH56 (GE/

SNECMA) [8.11.10.3]. Òðè âàðèàíòà ÒÍÄ (Ïðîåê-

òû 1…3) ïðåäóñìàòðèâàëè ñîêðàùåíèå êîëè÷åñòâà

ëîïàòîê ïî ñðàâíåíèþ ñ 1072 ëîïàòêàìè â áàçîâîé

÷åòûðåõñòóïåí÷àòîé ÒÍÄ CFM56. Â Ïðîåêòå 1 êî-

ëè÷åñòâî ëîïàòîê áûëî ñîêðàùåíî äî 970, â Ïðî-

åêòå 2 – íà 20%, â Ïðîåêòå 3 – íà 35%. Àýðîäèíà-

ìè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü íîâûõ âàðèàíòîâ ÒÍÄ

áûëà ðåàëèçîâàíà íà âûñîêîì êîíêóðåíòîñïîñîá-

íîì óðîâíå – Ðèñ. 8.11.2_2.

Ðèñóíîê 8.11.2_2 – Ðåçóëüòàòû ïðîåêòèðîâàíèÿ

íîâûõ ÒÍÄ â ïðîãðàììå TECH56

[8.11.10.4] ñ ñîêðàùåíèåì êîëè÷å-

ñòâà ëîïàòîê íà 10% (Ïðîåêò 1),

20% (Ïðîåêò 2) è 35% (Ïðîåêò 3)

îòíîñèòåëüíî ÒÍÄ CFM56

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

524

Çíà÷èòåëüíûé âêëàä â îáåñïå÷åíèå ýôôåêòèâ-

íîñòè ïðîôèëåé ÒÍÄ âíîñèò óðîâåíü ëèòåéíîé

òåõíîëîãèè, êîòîðàÿ äîëæíà îáåñïå÷èâàòü êà÷åñòâî

ëèòåéíûõ ïîâåðõíîñòåé, ìèíèìèçàöèþ òîëùèíû

âûõîäíûõ êðîìîê è âîçìîæíîñòü ïðèìåíåíèÿ

äëèííûõ ðàáî÷èõ è ñîïëîâûõ ëîïàòîê ÒÍÄ ñ âíóò-

ðåííåé ïîëîñòüþ. Ïîëûå ëîïàòêè ÒÍÄ èìåþò áî-

ëåå âûñîêóþ ñåáåñòîèìîñòü, íî ïîçâîëÿþò ðàñïî-

ëàãàòü áîëüøåé ñâîáîäîé â îïòèìèçàöèè ôîðìû

ïðîôèëÿ ïðè ïðîåêòèðîâàíèè òàê íàçûâàåìûõ

«çàäíåíàãðóæåííûõ» ëîïàòîê, â òîì ÷èñëå ïðè

ìèíèìèçàöèè êîëè÷åñòâà ëîïàòîê – ïðè ñóùåñòâåí-

íî ìåíüøåé âåðîÿòíîñòè îòðûâà ïîòîêà íà êîðûòå

è ïðè ìèíèìàëüíîé ìàññå ëîïàòêè è äèñêà. Â íàñ-

òîÿùåå âðåìÿ ïîëûå ëîïàòêè ÒÍÄ ïðèìåíÿþòñÿ

â áîëüøèíñòâå íîâûõ ïðîåêòîâ (íàïðèìåð, â ÒÍÄ

GP7200 – [8.11.10.5]).

8.11.3 - Ïðîòèâîïîëîæíîå âðàùåíèå

ðîòîðîâ ÒÂÄ è ÒÍÄ

Ïðîòèâîïîëîæíîå âðàùåíèå ðîòîðîâ ÒÂÄ

è ÒÍÄ (ÑÒ) ïîçâîëÿåò ñíèçèòü óãîë ïîâîðîòà ïî-

òîêà è ïîòåðè ýíåðãèè â ïåðâîé ñîïëîâîé ëîïàòêå

ÒÍÄ. Êàê ïîêàçàíî íà Ðèñ. 8.11.3_1, óãîë ïîâîðî-

òà â 1ÑÀ ÒÍÄ ìîæåò áûòü ñíèæåí ñ îáû÷íûõ

90…120

ïðàêòè÷åñêè äî íóëÿ. Ñîîòâåòñòâåííî ñíè-

æàþòñÿ ïîòåðè íà ïîâîðîò ïîòîêà è ïîâûøàåòñÿ

ê.ï.ä. ÒÍÄ. Åñòåñòâåííî, ÷òî íàèáîëåå âûèãðûø-

íà ýòà òåõíîëîãèÿ ïðè áîëüøèõ èñõîäíûõ óãëàõ

ïîâîðîòà ïîòîêà (òî åñòü ïðè ñèëüíî íàãðóæåííûõ

ñòóïåíÿõ êàê ÒÂÄ, òàê è ÒÍÄ) è ïðè ìåíüøåì êî-

ëè÷åñòâå ñòóïåíåé ÒÍÄ (÷åì ìåíüøå ýòî êîëè÷å-

Ðèñóíîê 8.11.3_1 – Ïðèíöèï èçìåíåíèÿ ïðîôèëÿ

1ÑÀ ÒÍÄ ïðè èçìåíåíèè íàïðàâ-

ëåíèÿ âðàùåíèÿ ðîòîðà ÒÍÄ

ñòâî, òåì çíà÷èìåå óìåíüøåíèå ïîòåðü â 1ÑÀ

ÒÍÄ).

Ïåðâîå èññëåäîâàíèå ýòîé òåõíîëîãèè ïðîâå-

ëà ôèðìà Pratt & Whitney åùå â íà÷àëå 1980-õ ãî-

äîâ â ïðîãðàììå Energy Efficient Engine (ïëàíèðó-

åìûé âûèãðûø â ê.ï.ä. ÒÍÄ ñîñòàâèë îêîëî 0,5%)

[8.11.10.6]. Õîòÿ â ýòîì èññëåäîâàíèè áûëî ïîêà-

çàíî, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü ìåðîïðèÿòèÿ íå ñòîëü

î÷åâèäíà, êàê êàæåòñÿ ñ ïåðâîãî âçãëÿäà (â ñîïëî-

âîì àïïàðàòå ÒÍÄ ñíèæàþòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî

ïðîôèëüíûå ïîòåðè, à âòîðè÷íûå ïîòåðè èçìåíÿ-

þòñÿ ãîðàçäî ìåíüøå), Pratt&Whitney ïðèìåíèëà

ýòó òåõíîëîãèþ â òóðáèíå ñâîåãî ñàìîãî ñîâðåìåí-

íîãî äâèãàòåëÿ PW6000, òî åñòü ñî÷ëà åå äîñòàòî÷-

íî ýôôåêòèâíîé.

Êîìïàíèÿ Rolls-Royce â òðåõâàëüíîì äâèãàòå-

ëå Trent-900 ïðèìåíèëà ïðîòèâîïîëîæíîå âðàùå-

íèå ðîòîðà ÒÂÄ – ïðè ýòîì âûèãðûø â ê.ï.ä. òóð-

áèíû ñðåäíåãî äàâëåíèÿ (ÒÑÄ) ñîñòàâèë áîëåå

ïðîöåíòà. Ñòîëü çíà÷èòåëüíûé ýôôåêò îáóñëîâëåí

êîíñòðóêòèâíûìè îñîáåííîñòÿìè ñîïëîâîãî àïïà-

ðàòà ÒÑÄ – çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ ãàçîâîé íàãðóçêè

óäàëîñü óìåíüøèòü ðàçìåðû ñòîåê è ñîâìåùåííûõ

ñî ñòîéêàìè ëîïàòîê è óâåëè÷èòü èõ àýðîäèíàìè-

÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü [8.11.10.7]. Â äàëüíåéøåì

ïëàíèðóåòñÿ ïðèìåíèòü ïðîòèâîïîëîæíîå âðàùå-

íèå äëÿ ðîòîðà ñðåäíåãî äàâëåíèÿ - òî åñòü óâåëè-

÷èòü ê.ï.ä. è ÒÑÄ, è ÒÍÄ.

GE Aircraft Engines ïëàíèðóåò èñïîëüçîâàòü

ïðîòèâîïîëîæíîå âðàùåíèå ðîòîðîâ ÒÂÄ è ÒÍÄ

â íîâîì äâèãàòåëå Genx [8.11.10.8] ñ öåëüþ ñíèçèòü

ïîòåðè ýíåðãèè â ÒÍÄ è ñîêðàòèòü êîëè÷åñòâî ëî-

ïàòîê 1ÑÀ ÒÍÄ.

8.11.4 - 2D-àýðîäèíàìèêà: ýôôåê-

òèâíûå ðåøåòêè ïðîôèëåé ÒÍÄ

Ðåøåòêè ÒÍÄ ñ ïîâûøåííîé ÷àñòî-

òîé âðàùåíèÿ (ðåäóêòîðíûì ïðèâî-

äîì).

Ïîâûøåíèå ñòåïåíè äâóõêîíòóðíîñòè è ñíè-

æåíèå ÷àñòîòû âðàùåíèÿ âåíòèëÿòîðà ñäåëàëî àê-

òóàëüíûì ïîâûøåíèå ÷àñòîòû âðàùåíèÿ ïîäïîð-

íûõ ñòóïåíåé è ÒÍÄ ÷åðåç ðåäóêòîð. Êîëè÷åñòâî

ñòóïåíåé ÒÍÄ ïðè ýòîì ñíèæàåòñÿ ðàäèêàëüíî -

áîëåå ÷åì â 2 ðàçà. Íî ïðè ýòîì â 3…5 ðàç âîçðàñ-

òàåò öåíòðîáåæíàÿ íàãðóçêà è ïðîôèëè èç ñóùå-

ñòâåííî äîçâóêîâûõ ïåðåõîäÿò â òðàíñçâóêîâîé äè-

àïàçîí ñêîðîñòåé çà ðåøåòêîé.

Âñå ýòî ñóùåñòâåííî óñëîæíÿåò ïîëó÷åíèå

ñðàâíèìîé ñ òðàäèöèîííîé ñõåìîé àýðîäèíàìè÷åñ-

êîé ýôôåêòèâíîñòè. Ïðîôèëè ïðè ýòîì óòîëùàþò-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

525

à) á)

Ðèñóíîê 8.11.4_1 – Ñðàâíåíèå ïðîôèëåé ÒÍÄ ñ

îáû÷íîé (à) è ïîâûøåííîé (á)

÷àñòîòîé âðàùåíèÿ

ñÿ äëÿ ðàáîòû â óñëîâèÿõ âûñîêîé öåíòðîáåæíîé

íàãðóçêè è îïòèìèçèðóþòñÿ äëÿ âûñîêèõ ÷èñåë

Ìàõà [8.11.10.9].

Òåõíîëîãèè ýôôåêòèâíûõ ðåøåòîê ÒÍÄ äëÿ

ðåäóêòîðíîãî ïðèâîäà èíòåíñèâíî ðàçðàáàòûâàþò-

ñÿ MTU (ñì. Ðèñ. 8.11.4_1). Âåñüìà âåðîÿòíà àêòó-

àëèçàöèÿ òàêèõ ðàçðàáîòîê â áóäóùåì.

Îïòèìèçàöèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ëî-

ïàòî÷íûõ ðåøåòîê ÒÂÄ è ÒÍÄ.

Çíà÷èòåëüíûì ðåçåðâîì â ïîâûøåíèè àýðîäè-

íàìè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ÒÍÄ ÿâëÿåòñÿ óìåíü-

øåíèå îòðèöàòåëüíîãî âëèÿíèÿ ñêà÷êîâ óïëîòíå-

íèÿ çà âûõîäíûìè êðîìêàìè ðàáî÷èõ ëîïàòîê ÒÂÄ

(îñîáåííî îäíîñòóïåí÷àòîé ÒÂÄ) – íà ê.ï.ä. ÒÍÄ

(ñì. Ðèñ. 8.11.6_1). Óìåíüøåíèå ê.ï.ä. ÒÍÄ çà ñ÷åò

ýòîãî ôàêòîðà â CFM56 äîñòèãàåò äâóõ ïðîöåíòîâ

[8.11.10.10]. Ïîëíîå èñêëþ÷åíèå âëèÿíèÿ âçàèìî-

äåéñòâèÿ (òî åñòü ïîâûøåíèå ê.ï.ä. ÒÍÄ íà 2%)

íåëüçÿ ñ÷èòàòü ðåàëüíûì, îäíàêî äàæå âîçìîæíîñòü

÷àñòè÷íîãî èñïîëüçîâàíèÿ ýòîãî ïîòåíöèàëà äëÿ

ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ÒÍÄ ïðèâåëà ê èíòåí-

ñèâíûì èññëåäîâàíèÿì â ýòîé îáëàñòè.

Âûñîêèå ÷èñëà Ìàõà çà ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè

ïðèâîäÿò ê ñêà÷êàì óïëîòíåíèÿ, âçàèìîäåéñòâèå êî-

òîðûõ ñ ñîïëîâûìè ëîïàòêàìè ÒÍÄ ïðèâîäèò ê âîç-

íèêíîâåíèþ îòðàæåííûõ ñêà÷êîâ

(ñì. Ðèñ. 8.11.4_2).

Ýòè ñêà÷êè çíà÷èòåëüíî ñíèæàþò ê.ï.ä. ÒÍÄ.

Ìî-

äåëèðîâàíèå ýòèõ ÿâëåíèé âîçìîæíî ñ ïîìî

ùüþ

ìîä

åëèðîâàíèÿ íåñòàöèîíàðíûõ àýðîäèíàìè÷åñêèõ

ïðîöåññîâ â ïðîòî÷íîé ÷àñòè ñðàçó äâóõ òóðáèí.

Îíî ìîæåò áûòü íåîáõîäèìîé áàçîé äëÿ îòðàáîòêè

òåõíîëîãèè ïðîåêòèðîâàí

èÿ, ïîçâîëÿþùåé óìåíü-

øàòü âëèÿíèå âçàèìîäåéñòâèÿ ÒÂÄ è ÒÍÄ íà

àýðîäèíàìè÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü, à òàêæå íà

àýðîäèíàìè÷åñêîå âîçáóæäåíèå ëîïàòîê.

Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ýòîé ïðî-

áëåìû ñîñòàâëÿåò îäíî èç ãëàâíûõ íàïðàâëåíèé

ïðîãðàììû ðàçðàáîòêè íîâîé òåõíîëîãèè TECH56

– äëÿ ÷åãî áûë ñïåöèàëüíî ïîñòðîåí äâóõêàñêàä-

íûé ñòåíä. Â õîäå ðàáîò ïî TECH56 áûëî èññëå-

äîâàíî íåñêîëüêî êîíôèãóðàöèé ðàáî÷èõ ëîïàòîê

è ñíèæåíà íà 50% èíòåíñèâíîñòü ñêà÷êîâ óïëîò-

íåíèÿ çà ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè ÒÂÄ [8.11.10.1].

Ïðîôèëè ëîïàòîê ÒÍÄ, ýôôåêòèâ-

íûå ïðè ìàëûõ ÷èñëàõ Ðåéíîëüäñà.

Ïåðñïåêòèâíûì íàïðàâëåíèåì â ÷èñëåííîé

àýðîäèíàìèêå òóðáèí ÿâëÿåòñÿ ìîäåëèðîâàíèå ðà-

áîòû ëîïàòîê â óñëîâèÿõ íèçêèõ ÷èñåë Ðåéíîëüä-

ñà, õàðàêòåðíûõ äëÿ àâèàöèîííûõ ÒÍÄ íà êðåé-

ñåðñêîì ðåæèìå ïîëåòà. Ñíèæåíèå ê.ï.ä. ÒÍÄ èç-çà

óâåëè÷åíèÿ ïðîôèëüíûõ ïîòåðü ìîæåò äîñòè÷ü

äâóõ è áîëåå ïðîöåíòîâ (ñì. Ðèñ. 8.11.4_3). Îïòè-

ìèçàöèÿ ïðîôèëåé äëÿ ýòèõ óñëîâèé ðàáîòû ìî-

æåò ïîòðåáîâàòü ñîçäàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ìîäå-

ëåé äëÿ ïðÿìîãî ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ

Ðèñóíîê 8.11.4_2 - Ïðèìåð àíàëèòè÷åñêîãî ìîäåëè-

ðîâàíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ñêà÷êîâ

çà ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè ÒÂÄ ñ

ñîïëîâûìè ëîïàòêàìè ÒÍÄ

(Pratt & Whitney) [8.11.10.11]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

526

ïîòîêà. Ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è íàõîäèòñÿ ïîêà íà íà-

÷àëüíîé ñòàäèè.

Òåîðåòè÷åñêè âîçìîæíîñòü ìîäåëèðîâàòü âëè-

ÿíèå ÷èñëà Ðåéíîëüäñà ïîçâîëèò ïðîâîäèòü ïðî-

åêòíóþ îïòèìèçàöèþ ïðîôèëåé ñî ñíèæåíèåì ýòî-

ãî âëèÿíèÿ è ñêîìïåíñèðîâàòü õîòÿ áû ÷àñòü

ïðîèãðûøà â ê.ï.ä.. Îäíàêî, äàæå ïðè óñïåøíîì

ðåøåíèè çàäà÷è î ìîäåëèðîâàíèè âëèÿíèÿ ÷èñåë

Ðåéíîëüäñà (òàê æå êàê è çàäà÷è î ìîäåëèðîâàíèè

«îòðàæåííûõ ñêà÷êîâ») ðåçóëüòàòû ïðèìåíåíèÿ èõ

â ïðîåêòíîé ïðàêòèêå íå îáÿçàòåëüíî áóäóò ïîëî-

æèòåëüíûìè.

Îïòèìàëüíàÿ ôîðìà ëîïàòîê, êîòîðàÿ ñìîæåò

ïàðèðîâàòü ýòè ýôôåêòû, åùå äîëæíà áûòü íàéäå-

íà. À ýòî ïðè èñïîëüçóåìûõ ñåãîäíÿ àýðîäèíàìè÷åñ-

êè ñîâåðøåííûõ ïðîôèëÿõ ÿâëÿåòñÿ î÷åíü ñëîæíîé

çàäà÷åé, è óñïåøíàÿ áîðüáà ñ âûøåóïîìÿíóòûìè

ÿâëåíèÿìè ìîæåò ñîïðîâîæäàòüñÿ óõóäøåíèåì õà-

ðàêòåðèñòèê â îáû÷íûõ óñëîâèÿõ. Ôàêòè÷åñêè óæå

ñåé÷àñ èçâåñòíî, ÷òî òàê íàçûâàåìûå «ïåðåäíåíàã-

ðóæåííûå» ïðîôèëè (â îòëè÷èå îò «çàäíåíàãðóæåí-

íûåõ») ãîðàçäî áîëåå óñòîé÷èâû ê ìàëûì ÷èñëàì

Ðåéíîëüäñà. Îäíàêî èõ ýôôåêòèâíîñòü ñóùåñòâåí-

Ðèñóíîê 8.11.4_3 - Èçìåíåíèå ê.ï.ä. ñîâðåìåííûõ

òóðáèí ñ óìåíüøåíèåì ÷èñëà

Ðåéíîëüäñà (ñ óâåëè÷åíèåì âûñî-

òû ïîëåòà) [8.11.10.11]. Ïîêàçà-

íà è ïîòåíöèàëüíàÿ ýôôåêòèâ-

íîñòü óñîâåðøåíñòâîâàííîé

òåõíîëîãèè ïðîåêòèðîâàíèÿ

Ðèñóíîê 8.11.4_4 – Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû Pratt&Whitney ïî èçìåíåíèþ ê.ï.ä. äâóõñòóïåí÷àòîé

ÒÂÄ ñ èçìåíåíèåì îòíîñèòåëüíîãî óãëîâîãî ïîëîæåíèÿ ðàáî÷èõ è ñîïëîâûõ ëîïàòîê

ïåðâîé è âòîðîé ñòóïåíè [8.11.10.12]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

527

íî íèæå, ÷òî è îáóñëîâèëî íèçêèé èíòåðåñ ê èõ ïðè-

ìåíåíèþ. Íà Ðèñ. 8.11.4_3 ýòè ïðîôèëÿ ïîêàçàíû

â âèäå «òóðáóëåíòíûõ» ïðîôèëåé, êîòîðûå ñëàáî

ïîäâåðæåíû âëèÿíèþ ÷èñëà Ðåéíîëüäñà, íî èìåþò

íåïðèåìëåìî áîëüøèå ïîòåðè ïðè áîëüøèõ ÷èñëàõ

Ðåéíîëüäñà.

Îïòèìèçàöèÿ âçàèìíîãî óãëîâîãî

ðàñïîëîæåíèÿ ëîïàòî÷íûõ ðåøåòîê

Äëÿ ïîâûøåíèÿ ê.ï.ä. ìíîãîñòóïåí÷àòîé òóð-

áèíû ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí íåñòàöèîíàðíûé

ýôôåêò ñíèæåíèÿ ïðîôèëüíûõ ïîòåðü ïðè íàòå-

êàíèè íà ëîï

àòêó âèõðåâîãî ñëåäà âûøåëåæàùåãî

ïî ïîòîêó ïðîôèëÿ. Åñëè àýðîäèíàìè÷åñêèé ñëåä

ïðîôèëÿ ïðåäûäóùåé ñòóïåíè ïðîõîäèò

â ñåðåäè-

íå ìåæëîïàòî÷íîãî êàíàëà, òî ïðîôèëüíûå ïîòå-

ðè ìàêñèìàëüíû. Åñëè ýòî ñëåä ïîïàäàåò íà ïðî-

ôèëü ñëåäóþùåé ñòóïåíè, òî ñóììàðíûå ïîòåðè

óìåíüøàþòñÿ – âåðîÿòíî, â ñâÿçè ñ âîçíèêàþùåé

ïðè ýòîì íåñòàöèîíàðíîñòüþ â ïîãðàíè÷íîì ñëîå

íà ïðîôèëå. Îñðåäíåííûå ïî âðåìåíè ïîòåðè íà

ïðîôèëå îêàçûâàþòñÿ ìåíüøå, ÷åì â ñëó÷àå ñòà-

öèîíàðíîãî ïîòîêà. Ýòîò ýôôåêò áûë ñíà÷àëà îá-

íàðóæåí àíàëèòè÷åñêè – íà îñíîâàíèè ìîäåëèðî-

âàíèÿ íåñòàöèîíàðíîãî ïîòîêà â ïðîòî÷íîé ÷àñòè

òóðáèíû.

Ðåàëüíûé ýôôåêò èçìåðÿåòñÿ â íåñêîëüêèõ

äåñÿòûõ äîëÿõ ïðîöåíòà, íî îí âïîëíå ðåàëåí è óæå

èñïîëüçóåòñÿ âî âíîâü ðàçðàáàòûâàåìûõ êîíñòðóê-

öèÿõ. Ïîêà íîâàÿ òåõíîëîãèÿ âíåäðÿåòñÿ íà îñíî-

âå ýêñïåðèìåíòàëüíîé îòðàáîòêè. Íàïðèìåð, ôèð-

ìà MTU â ÒÍÄ GP7200 ýêñïåðèìåíòàëüíî íà

òóðáèííîì ñòåíäå ïîäîáðàëà âçàèìíîå óãëîâîå

ñìåùåíèå ñîïëîâûõ ëîïàòîê äëÿ óâåëè÷åíèÿ ê.ï.ä.

è ïëàíèðóåò ïðîâåñòè òàêóþ æå ðàáîòó äëÿ îïòè-

ìèçàöèè âçàèìíîãî óãëîâîãî ïîëîæåíèÿ ðàáî÷èõ

ëîïàòîê [8.11.10.13].

Íåñìîòðÿ íà ìàëûé ìàñøòàá ýôôåêòà, çàòðà-

òû íà âíåäðåíèå ýòîé òåõíîëîãèè êàæóòñÿ íå î÷åíü

çíà÷èòåëüíûìè. Ïîýòîìó ýòó òåõíîëîãèþ ìîæíî

ñ÷èòàòü ïåðñïåêòèâíîé.

8.11.5 - 3D-àýðîäèíàìèêà: ýôôåê-

òèâíûå ôîðìû ëîïàòî÷íûõ âåíöîâ

3D-àýðîäèíàìèêà ëîïàòî÷íûõ âåíöîâ (1ÑÀ

è 2ÑÀ ÒÂÄ, ñîïëîâûõ àïïàðàòîâ ÒÍÄ) àêòèâíî

èñïîëüçóåòñÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðè ðàçðàáîòêå

òóðáèí. Íîâûå ýôôåêòèâíûå 3D-ôîðìû âåíöîâ

(íåñèììåòðè÷íàÿ ïðîòî÷íàÿ ÷àñòü, ìåñòíîå óòîë-

ùåíèå ïðîôèëÿ ïî âûñîòå, íàêëîí è èçãèá ëîïàò-

êè â îñåâîì è ðàäèàëüíîì íàïðàâëåíèÿõ è òàê äà-

ëåå) àêòèâíî èññëåäóþòñÿ. Óñëîæíåííûå ôîðìû

ëîïàòî÷íûõ âåíöîâ îñòàþòñÿ äîñòàòî÷íî ýôôåêòèâ-

íûì íàïðàâëåíèåì óâåëè÷åíèÿ ê.ï.ä. òóðáèíû è,

ïî-âèäèìîìó, áóäóò îñòàâàòüñÿ òàêîâûìè è â áóäó-

ùåì.

Õàðàêòåðíûìè îñîáåííîñòÿìè âñåõ òåõíîëî-

ãèé ïðîñòðàíñòâåííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ëîïàòî÷-

íûõ âåíöîâ è ïðîòî÷íîé ÷àñòè ÿâëÿþòñÿ:

- ìîäåëèðîâàíèå îñíîâíîé èäåè è âñåõ îñîáåí-

íîñòåé íîâîé òåõíîëîãèè íà 3D-àýðîäèíàìè÷åñêèõ

ìîäåëÿõ;

- ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ïðîâåðêà êàæäîãî íà-

ïðàâëåíèÿ è îòðàáîòêà âñåõ îñîáåííîñòåé íîâîé

òåõíîëîãèè.

Ðàáîòà íà îáîèõ ýòàïàõ (ìîäåëèðîâàíèå è ýê-

ñïåðèìåíò) èäåò ïàðàëëåëüíî. Îñîáåííîñòè ÷èñ-

ëåííûõ è ôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòîâ ïðè ðàçðàáîò-

êå íîâîé òåõíîëîãèè ïðîäåìîíñòðèðîâàíû â ðàáîòå

ñïåöèàëèñòîâ Pratt&Whitney [8.11.10.14], ïîñâÿ-

ùåííîé ðàçðàáîòêå ïðîñòðàíñòâåííîé ôîðìû (èç-

ãèá â ñòîðîíó ñïèíêè) ñîïëîâûõ ëîïàòîê âòîðîé

ñòóïåíè ÒÂÄ. Òàêàÿ æå äåòàëüíàÿ ÷èñëåííàÿ è ýê-

ñïåðèìåíòàëüíàÿ îòðàáîòêà íîâîé òåõíîëîãèè ïðî-

âåäåíà Rolls-Royce ïðè âíåäðåíèè ìåñòíîãî óòîë-

ùåíèÿ ïðîôèëÿ ÒÍÄ äëÿ ïîäàâëåíèÿ âòîðè÷íûõ

ïîòåðü [8.11.10.15] - â ÒÍÄ Trent 500 è ïðîâîäèòñÿ

â íàñòîÿùåå âðåìÿ â îòíîøåíèè íåñèììåòðè÷íîé

ïðîòî÷íîé ÷àñòè äëÿ ÒÂÄ Trent 500 [8.11.10.16].

8.11.6 - Íîâûå ìàòåðèàëû è ïîêðû-

òèÿ äëÿ ëîïàòîê è äèñêîâ

Íîâûå ìàòåðèàëû ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç íàèáî-

ëåå äåéñòâåííûõ ñðåäñòâ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíî-

ñòè è íàäåæíîñòè òóðáèíû. Îíè ïîçâîëÿþò íåïîñ-

ðåäñòâåííî óâåëè÷èâàòü ñïîñîáíîñòü òóðáèíû

ðàáîòàòü ïðè áîëåå âûñîêîé òåìïåðàòóðå - ñ ñîõ-

ðàíåíèåì ê.ï.ä. è ðàñõîäà îõëàæäàþùåãî âîçäóõà.

Îïðåäåëÿþùåå çíà÷åíèå äëÿ äîëãîâå÷íîñòè

è íàäåæíîñòè òóðáèíû èìåþò ïðî÷íîñòíûå õàðàê-

òåðèñòèêè ìàòåðèàëîâ äèñêîâ (è äðóãèõ ðîòîðíûõ

äåòàëåé), à òàêæå ëîïàòî÷íûõ ìàòåðèàëîâ.

Äèñêîâûå ñïëàâû

Íà Ðèñ. 8.11.6_1 ïðèâåäåíà îöåíêà ïðåäåëîâ

ïðèìåíèìîñòè äèñêîâûõ ìàòåðèàëîâ ðàçëè÷íîãî

òèïà äëÿ àâèàöèîííûõ òóðáèí [8.11.10.17]. Êàê ñëå-

äóåò èç ýòèõ äàííûõ, óâåëè÷åíèå ðàáî÷åé òåìïå-

ðàòóðû ñîâðåìåííûõ íèêåëåâûõ ñïëàâîâ âîçìîæ-

íî â ïåðñïåêòèâíûõ ñïëàâàõ çà ñ÷åò ïðèìåíåíèÿ

òóãîïëàâêèõ äîáàâîê è èñïîëüçîâàíèÿ ìåòîäîâ ïî-

ðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè ïðè èõ èçãîòîâëåíèè. Ïðî-

ãðåññ â ðàçðàáîòêå íîâûõ ñïëàâîâ ïðîäîëæàåòñÿ –

äëÿ äèñêîâ ÒÂÄ äâèãàòåëÿ GP7200 (ðàçðàáîòêà GE

Aircraft Engines è Pratt & Whitney) ïîëó÷åí ñîâåð-

øåííî íîâûé ñïëàâ ÌÅ3 [8.11.10.5].

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

528

Íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûå ñïëàâû íà îñíîâå

èíòåðìåòàëëèäîâ (àëþìèíèäîâ òèòàíà) î÷åíü ÷óâ-

ñòâèòåëüíû ê ïîâðåæäåíèÿì ïðè íèçêèõ òåìïåðà-

òóðàõ è òðóäíû â îáðàáîòêå. Òîëüêî ðåøåíèå ýòèõ

ïðîáëåì â áóäóùåì ñíèìåò ïðåïÿòñòâèÿ ê èõ ïðè-

ìåíåíèþ.

Ëîïàòî÷íûå ñïëàâû

Òåìï ýâîëþöèè ñâîéñòâ ñîâðåìåííûõ ìîíî-

êðèñòàëëè÷åñêèõ ëîïàòî÷íûõ ñïëàâîâ çàìåäëÿåò-

ñÿ, òàê êàê îí îãðàíè÷åí òåìïåðàòóðîé ïëàâëåíèÿ

íèêåëÿ. Ðåâîëþöèîííîãî ïðîðûâà ìîæíî äîáèòü-

Ðèñóíîê 8.11.6_1 - Ñðàâíèòåëüíàÿ îöåíêà ñïîñîáíî-

ñòè äèñêîâûõ ìàòåðèàëîâ òóð-

áèíû ðàáîòàòü ïðè âûñîêîé

òåìïåðàòóðå îõëàæäàþùåãî

âîçäóõà çà êîìïðåññîðîì

Ðèñóíîê 8.11.6_2 - Ñðàâíåíèå ïîòåíöèàëà ìîíîêðè-

ñòàëëè÷åñêèõ ñïëàâîâ íà îñíîâå

íèêåëÿ – 1 ïîêîëåíèå (PW1480);

2 ïîêîëåíèå (PW1484); òóãîïëàâ-

êèå ñïëàâû [8.11.10.17]

ñÿ òîëüêî ïðè èñïîëüçîâàíèè òóãîïëàâêèõ ñïëàâîâ

íà îñíîâå ìîëèáäåíà (ñì. Ðèñ. 8.11.6_2). Îäíàêî

ïðèìåíåíèþ ìîëèáäåíà ïðåïÿòñòâóåò íèçêàÿ åãî

ñòîéêîñòü ê îêèñëåíèþ. Ïîýòîìó ìîëèáäåíîâûå

ñïëàâû ðàçðàáàòûâàþòñÿ â âèäå êîìïëåêñíîé ñèñ-

òåìû ñïëàâ-ïîêðûòèå è ïåðñïåêòèâû èõ ñ÷èòàþò-

ñÿ îáíàäåæèâàþùèìè.

Äëÿ ëîïàòîê íàçåìíûõ óñòàíîâîê, ñîçäàííûõ

íà áàçå àâèàöèîííûõ äâèãàòåëåé, ïðîãðåññ â îá-

ëàñòè ïðèìåíåíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ èäåò ãîðàç-

äî áûñòðåå, ÷åì íà àâèàöèîííûõ ïðîòîòèïàõ

(ó÷èòûâàÿ, ÷òî íàçåìíûå óñòàíîâêè, îñîáåííî èñ-

ïîëüçóåìûå ïðè âûðàáîòêå ýëåêòðîýíåðãèè, ÷àñ-

òî ïîñòîÿííî ðàáîòàþò íà ìàêñèìàëüíûõ ðåæè-

ìàõ). Â ÷àñòíîñòè, â ÒÂÄ LM6000 äëÿ ðàáî÷èõ

ëîïàòîê ïðèìåíåí ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèé ñïëàâ

Rene N5, â òî âðåìÿ êàê íà àâèàöèîííîì ïðîòîòè-

ïå

CF6-80C2 – «ðàâíîîñíûé» ñïëàâ Rene 80H.

Â êîíöå 1990-õ ãîäîâ âîçðîñ èíòåðåñ ê èíòåð-

ìåòàëëè÷åñêîìó ìàòåðèàëó – TiAl (àëþìèíèäó òè-

òàíà). Ýòîò ìàòåðèàë îòëè÷àåòñÿ íèçêîé ïëîòíîñ-

òüþ è óâåëè÷åííîé (ïî îòíîøåíèþ ê îáû÷íûì

òèòàíîâûì ñïëàâàì) ñòîéêîñòüþ ê âûñîêèì òåìïå-

ðàòóðàì. Îñíîâíàÿ ïðîáëåìà ìàòåðèàëà – õðóïêîñòü

ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ – ïîñòåïåííî ðåøàåòñÿ

îïòèìèçàöèåé ñîñòàâà è ïðîöåññà èçãîòîâëåíèÿ.

Ëîïàòêè èç TiAl ïëàíèðóåòñÿ èñïîëüçîâàòü â ÒÍÄ

è îíè îáåùàþò áûòü ïðèìåðíî íà 40% ëåã÷å, ÷åì

ëîïàòêè èç îáû÷íîãî íèêåëåâîãî ñïëàâà. Êàê ñîîá-

ùàåòñÿ â ðàáîòå ñïåöèàëèñòîâ MTU, òàêèå ëîïàòêè

óæå íàðàáàòûâàþò íåîáõîäèìûé îïûò íà äâèãàòå-

ëÿõ [8.11.10.18].

Îïðåäåëÿþùåå çíà÷åíèå äëÿ âíåäðåíèÿ êîíê-

ðåòíîé òåõíîëîãèè ìàòåðèàëà èìååò åå ýôôåêòèâ-

íîñòü – ñîîòíîøåíèå ýêîíîìèè íà óâåëè÷åííîì

ðåñóðñå ñ äîïîëíèòåëüíûìè çàòðàòàìè íà ðàçðàáîò-

êó è â ïðîèçâîäñòâå (çäåñü âàæíîå çíà÷åíèå èìååò

ïðîöåíò âûõîäà ãîäíûõ äåòàëåé). Ïðîèçâîäñòâåí-

íûå ïðîáëåìû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íàèáîëåå ñëîæ-

íîå ïðåïÿòñòâèå äëÿ ìàòåðèàëîâ ñàìîé âûñîêîé

ýôôåêòèâíîñòè.

Ïîêðûòèÿ äëÿ ëîïàòîê

Ïðîãðåññ â îáëàñòè òåïëîçàùèòíûõ ïîêðû-

òèé íà áàçå êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ (íà îïûòå

êîìïàíèè GE Aircraft Engines) îòðàæåí íà

Ðèñ. 8.11.6_3. Ðàáîòû â îáëàñòè ÒÇÏ ñîñðåäîòî÷å-

íû íà óâåëè÷åíèè äîëãîâå÷íîñòè ïîêðûòèé è íà

äàëüíåéøåì óìåíüøåíèè êîýôôèöèåíòà òåïëî-

ïðîâîäíîñòè.

Pratt&Whitney ïëàíèðóåò èñêëþ÷èòü íåîáõî-

äèìîñòü â ïîäñëîå, òðåáóåìîì äëÿ êðåïëåíèÿ êå-

ðàìè÷åñêîãî ÒÇÏ íà ïîâåðõíîñòè ëîïàòêè. Çà ñ÷åò

èñïîëüçîâàíèÿ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ìàòåðèàëà

íîâîãî ïîêîëåíèÿ íà áàçå èòòðèÿ ìîæíî áóäåò èñ-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

529

êëþ÷èòü äîñòàòî÷íî òÿæåëîå âñïîìîãàòåëüíîå ïî-

êðûòèå [8.11.10.19]. Êðîìå òåïëîçàùèòíûõ ïî-

êðûòèé, ñîâåðøåíñòâóþòñÿ (îñîáåííî â òóðáèíàõ

ïðîìûøëåííûõ óñòàíîâîê) ìíîãîêîìïîíåíòíûå

ìåòàëëè÷åñêèå ïîêðûòèÿ äëÿ ïîâûøåíèÿ ñòîéêî-

ñòè îñíîâíîãî ìåòàëëà ëîïàòîê ê îêèñëåíèþ.

Ïðîãðåññ â èõ ðàçâèòèè âûðàæàåòñÿ, â îñíîâíîì,

â óâåëè÷åíèè äîëãîâå÷íîñòè, òàê êàê ñîõðàíåíèå

ïîêðûòèÿ ôàêòè÷åñêè îïðåäåëÿåò äîëãîâå÷íîñòü

ñàìîé ëîïàòêè.

8.11.7 - Ñîâåðøåíñòâîâàíèå êîíñò-

ðóêöèé îõëàæäàåìûõ ëîïàòîê

Â ñàìûõ ñîâðåìåííûõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ

äâèãàòåëÿõ êàê âîåííîãî (F119, F135), òàê è ãðàæ-

äàíñêîãî íàçíà÷åíèÿ (Trent-900, PW4098, GE90-

115B, GP7200) ëîïàòêè ÒÂÄ èìåþò ñèñòåìó ìíî-

ãîõîäîâîãî êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ.

Íàèáîëåå ñëîæíîé ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìà îõëàæäåíèÿ

ðàáî÷åé ëîïàòêè, êîëè÷åñòâî ðàäèàëüíûõ êàíàëîâ

â êîòîðîé äîñòèãëî 9 (GE90, PW4084). Òàêèå ëî-

ïàòêè – èç ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ñïëàâîâ, ñ òåï-

ëîçàùèòíûì ïîêðûòèåì – îáåñïå÷èâàþò â óñëî-

âèÿõ ìàêñèìàëüíûõ ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð ïåðåä

ðîòîðîì ÒÂÄ äî 1800…1900Ê (äâèãàòåëè äëÿ øè-

ðîêîôþçåëÿæíûõ ñàìîëåòîâ) ðàñ÷åòíûé ðåñóðñ

ýêñïëóàòàöèè äî 15000 ÷àñîâ èëè äî 3000 öèêëîâ

(Trent 500, GE90-115B, GP7200).

Ïðè áîëåå íèçêèõ ìàêñèìàëüíûõ òåìïåðàòó-

ðàõ ïåðåä ðîòîðîì ÒÂÄ (1600…1700Ê), êîòîðûå

Ðèñóíîê 8.11.6_3 – Ðåçóëüòàòû ðàáîò êîìïàíèè

GE Aircraft Engines [8.11.10.1] ïî

ðàçðàáîòêå ëîïàòî÷íûõ ñïëàâîâ

è òåïëîçàùèòíûõ ïîêðûòèé

(ÒÂÑ)

ïðèìåíÿþòñÿ â äâèãàòåëÿõ óçêî-ôþçåëÿæíûõ ñà-

ìîëåòîâ (Áîèíã 737, Áîèíã 757, À320) ðàñ÷åòíûé

ðåñóðñ ðàáî÷åé ëîïàòêè ÒÂÄ ñîñòàâëÿåò ñâûøå

10000 öèêëîâ (PW2000, PW6000). Ýòè öèôðû ñâè-

äåòåëüñòâóþò î óæå äîñòèãíóòîé âûñîêîé ýôôåê-

òèâíîñòè è íàäåæíîñòè ýòîé ëîïàòî÷íîé òåõíîëî-

ãèè. Ïî-âèäèìîìó, îíà ñïîñîáíà óäîâëåòâîðèòü âñå

ñóùåñòâóþùèå è ïîòåíöèàëüíûå ïîòðåáíîñòè

àâèàöèîííûõ è íàçåìíûõ ïðèìåíåíèé.

Îäíàêî ïðîðàáîòêè áîëåå ýôôåêòèâíûõ

ñõåì îõëàæäåíèÿ âåäóòñÿ íåïðåðûâíî. Ïðèìå-

ðîì ïåðñïåêòèâíîé ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ, í

àïðèìåð,

«Supercooling» Pratt & Whitney [8.11.10.20] èëè

ëîïàòêà ñ «îõëàæäàåìûìè ñòåíêàìè» Rolls-Royce

[8.11.10.21]. Ñóäÿ ïî èìåþùåéñÿ èíôîðìàöèè, ðå-

çóëüòàòû èñïûòàíèé â ÒÂÄ âîåííûõ ãàçîãåíåðàòî-

ðîâ áûëè äîñòàòî÷íî óñïåøíûìè, òàê êàê â äàëü-

íåéøåì ñèñòåìà

«Supercooling» ïëàíèðîâàëàñü

ê ïðèìåíåíèþ â íîâûõ ãðàæäàíñêèõ ðàçðàáîòêàõ

[8.11.10.22] (ÒÂÄ äëÿ äâèãàòåëÿ ñàìîëåòà 7Å7).

Îäíàêî ñòîèìîñòíàÿ ýôôåêòèâíîñòü ýòèõ òåõíî-

ëîãèé åùå äîëæíà áûòü ïîäòâåðæäåíà â ýêñïëóà-

òàöèè ðåàëüíûõ êîíñòðóêöèé ãðàæäàíñêèõ äâèãà-

òåëåé.

8.11.8 - Îïòèìèçèðîâàííûå ñèñòå-

ìû óïðàâëåíèÿ ðàäèàëüíûìè çàçî-

ðàìè

Ïî ìåðå ðîñòà ñòåïåíè ñæàòèÿ â äâèãàòåëÿõ

è óìåíüøåíèÿ äëèíû ëîïàòîê â òóðáèííûõ ñòóïå-

íÿõ ðàñòåò âëèÿíèå ðàäèàëüíûõ çàçîðîâ. Ñóùåñòâó-

þùèå ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ðàäèàëüíûìè çàçîðà-

ìè íåïðåðûâíî óñëîæíÿþòñÿ – ïðåèìóùåñòâåííî

çà ñ÷åò ââåäåíèÿ ìíîãîïîçèöèîííîãî óïðàâëåíèÿ

ðàñõîäîì îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â ñèñòåìó íàðóæ-

íîãî îõëàæäåíèÿ êîðïóñîâ, óïðàâëåíèÿ èñòî÷íè-

êàìè îòáîðà – çà ñ÷åò ïåðåêëþ÷åíèÿ ìåæäó ðàçíû-

ìè ñòóïåíÿìè êîìïðåññîðà, ó÷åòà âíåøíèõ

óñëîâèé è ðåæèìà ðàáîòû äâèãàòåëÿ, ââåäåíèÿ ñè-

ñòåì îáðàòíîé ñâÿçè.

Âñå ýòè óñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ñóùåñòâåííî

óñëîæíÿþò è óäîðîæàþò ñèñòåìó ðåãóëèðîâàíèÿ

çàçîðîâ è ñèñòåìó ýëåêòðîííîãî óïðàâëåíèÿ äâè-

ãàòåëåì.

Óñëîâèÿ ðàáîòû ñèñòåì ðåãóëèðîâàíèÿ çàçî-

ðîâ òîæå óñëîæíÿþòñÿ – íàïðèìåð, ìàññèâíûå

äèñêè îäíîñòóïåí÷àòûõ òóðáèí èç-çà ñâîåé òåï-

ëîâîé èíåðöèè ñóùåñòâåííî óñëîæíÿþò çàäà÷ó

ìèíèìèçàöèè çàçîðîâ â óñëîâèÿõ ìíîãîðåæèìíî-

ãî ïîëåòà.

Êðîìå òîãî, ñàìè âîçìîæíîñòè óïðàâëåíèÿ

çàçîðàìè çà ñ÷åò îõëàæäåíèÿ êîðïóñà äîñòàòî÷íî