Анализ конструктивно-силовых схем отечественных двухроторных ТРДД(Ф)

Двухконтурные двигатели нашли широкое применение в гражданской и военной авиации. Ретроспективный анализ конструкции этих двигателей позволяет проследить эволюцию развития ТРДД(Ф), выделить основные конструктивные признаки, применить на практике наиболее успешные решения при создании новых двигателей. Среди отечественных ТРДД(Ф) имеются двигатели выполненные по трехроторной схеме (Д-18Т, Д-36, Д-436, НК-25, НК-44, НК-56, НК-64, НК-110), однороторной схеме (Р-125-300),  но наибольшее распространение в двигателях данного типа получила двухроторная схема.

При создании отечественных двухроторных ТРДД(Ф) были использованы 8 конструктивных схем турбокомпрессора, отличающихся типом замыкания силового корпуса, числом и расположением опор роторов.

По способу соединения корпуса компрессора с корпусом турбины использованы три силовые схемы из четырех существующих [1], при этом ротор ВД имеет две или три опоры, одна из которых расположена в турбине (табл. 1). Ротор вентилятора выполнен по одной из пяти схем и имеет от двух до четырех опор (табл. 2).

Таблица 1 -  Конструктивные схемы турбокомпрессоров газогенератора отечественных двухроторных ТРДД(Ф)

Во всех схемах ротор компрессора каскада высокого давления имеет фиксирующую опору, а ротор турбины этого каскада – радиальную. Компрессор имеет один или два силовых пояса.

Ротор вентилятора имеет в подавляющем большинстве двигателей две опоры, ротор турбины вентилятора имеет одну заднюю опору. Фиксирующая и радиальная опоры расположены аналогично ротору высокого давления.

Таблица 2 -  Конструктивные схемы турбокомпрессора вентилятора отечественных двухроторных ТРДД(Ф)

Отличительной особенностью конструкции опор турбины отечественных двухроторных ТРДД(Ф) является наличие межвального подшипника (за исключением  двигателей Р79В-300, ТРДД-50М). Возможные конструктивные варианты размещения опоры в турбине представлены в таблице 3 и характеризуют опыт фирмы-разработчика ГТД.

Таблица 3 -  Варианты выполнения опоры турбины отечественных двухроторных ТРДД(Ф)

Множество конструктивных вариантов расположения опор, силовых поясов, а также типов силового замыкания наглядно представлено на рисунке 1 в виде обобщенной силовой схемы для двухроторных ТРДД(Ф).

Рисунок 1 – Обобщенная конструктивно-силовая схема отечественных двухроторных ТРДД(Ф)

Рисунок 1 иллюстрирует наличие схем с дополнительной промежуточной опорой между валами вентилятора и турбины, ограничивающей амплитуду прогиба вала вентилятора (ПС-90А), а также перспективную схему ТРДД с редуктором. Количество силовых поясов у двигателей данного типа меняется от трех до пяти.

Изменение конструктивных схем ТРДД(Ф) за все время существования двигателей этого типа позволяет сделать следующие выводы:

1. Изменение конструктивных схем происходит в сторону уменьшения количества опор роторов, в том числе за счет объединения опор в единый силовой пояс.

2. Появление новых конструктивных схем связано с изменениями в требованиях к двигателям данного типа:

- реализации схем с противоположным вращением роторов.

- реализации одной из перспективных схем – с редуктором.

Результаты анализа конструктивных схем удобно использовать при решении задачи проектирования опор, которая имеет место на этапе эскизного проектирования и состоит из нескольких подзадач. Например, при выборе схемы и числа каскадов турбокомпрессора, количества и положения опор. Обоснование той или иной конструктивно-силовой схемы требует рассмотрения газогенератора в целом, особенно важно это в случае установления промежуточной опоры между валами вентилятора и турбины, ограничивающей амплитуду прогиба вала вентилятора.

Поскольку выбор конструктивно-силовой схемы производится после проведения термогазодинамического расчета, становится возможным в первом приближении определить расстояние между опорами, исходя из размеров газодинамического тракта, камеры сгорания, выбрав диаметр цапф или вала под подшипник (по аналогу). После чего можно определить критическую частоту вращения вала, например по приведенной ниже формуле [2, 3], и принять решение о возможности использования выбранной схемы и расположения опор:

где d – внешний диаметр вала;

      d₁ – внутренний диаметр вала;

       Е – модуль упругости материала;

       – расстояние между опорами;

       r - плотность материала.

Выявленные закономерности в конструкции ТРДД(Ф) перспективно использовать в виде базе знаний информационной системе поддержки принятия решений. Дополненные требованиями к проектированию конкретного двигателя, подобного рода системы позволят оперативно перейти от газодинамической модели двигателя к его конструктивному облику, что позволит оценить большее количество вариантов конструкции ТРДД(Ф), сократив при этом время проектирования.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект   07-08-00349).

Литература

1.             Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1981. – 550 с., ил.

2.             Конструкция и проектирование авиационных и газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки»/ С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др.; Под общ. ред. Д.В. Хронина. – М.: Машиностроение, 1989. – 368 с.: ил.

3.             Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. – М.: Машиностроение, 1993.