Авторы: Самедов А. С., Вагаблы Эмиль Тензилович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №6 (110) март-2 2016 г.

Дата публикации: 21.03.2016

Статья просмотрена: 631 раз

Библиографическое описание:

Самедов А. С., Вагаблы Э. Т. Перспективы и проблемы развития авиационных газотурбинных двигателей нового поколения // Молодой ученый. — 2016. — №6. — С. 177-181.



Традиционные способы снижения удельного расхода топлива путём повышения эффективности термодинамического цикла и повышения степени двухконтурности могут обеспечить относительно небольшие улучшения экономичности, но приводят к увеличению диаметральных размеров, осложнению проблем обеспечения требуемых ресурсов основных деталей, приемлемого теплового состояния деталей «горячей» части и т. д.Дальнейшее улучшение и оптимизация авиационных двигателей в рамках традиционных подходов и способов связано с всё возрастающими трудностями. С учётом вышеизложенного и проблем обеспечения всё возрастающих требований к ресурсам конструкций и эмиссии вредных веществ, в данной статье исследуется и описывается силовая установка (СУ) нетрадиционной конструктивно-компоновочной схемы: двухконтурные турбореактивные двигатели с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД. Анализируются, рассматриваются преимущества применения такой конструктивно-силовой схемы, применение на современных АГТД пятого поколения, а также выводы из расчётных и экспериментальных исследований. Переход к такой схеме обеспечивает существенное улучшение технико-экономических характеристик АГТД.

Ключевые слова: тенденции развития авиационных двигателей, ДТРД с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД, потери в СА первой ступени ТНД, разработка конструкций ДТРД, исследования ТВД и ТНД с обратным вращением роторов (ОВР),выводы из исследований, применение ТВД и ТНД с ОВР.

Требования, которым должны отвечать эксплуатируемые в настоящее время АГТД нового поколения:

 Высокая надёжность.

 Минимальная масса.

 Высокие эксплуатационные качества.

 Топливная экономичность и высокий ресурс.

 Минимальные загрязняющие воздействия на окружающую среду.

К важнейшим характеристикам авиационных двигателей, в первую очередь, относятся их экономичность и удельный вес. В значительной мере эти характеристики определяются газодинамическими и конструктивными особенностями узла турбины, который в современных двухконтурных двигателях (ТРДД) состоит из турбины высокого давления (ТВД), приводящей в движение компрессор высокого давления (КВД), и турбины низкого давления (ТНД), приводящей в движение компрессор низкого давления (КНД) и вентилятор соответственно.

Одной из главных тенденций развития авиационных двигателей является дальнейшее значительное повышение температуры газа перед турбиной при высокой суммарной степени сжатия воздуха в компрессоре высокого давления (КВД). При этом увеличение термодинамических параметров цикла происходит более быстрыми темпами, чем создание новых материалов и совершенствование систем охлаждения, что не позволяет обеспечить потребную окружную скорость рабочих колёс турбин.

Вследствие этого, ТВД, из-за недостаточной прочности лопаточных и дисковых материалов, и ограниченной окружной скорости ротора, работают при пониженных значениях кинематического параметра u/cis, что приводит к уменьшению угла выхода потока из ТВД до значений α2 = 50 ÷ 700, т. е. к значительной закрутке потока на выходе.

При вращении роторов ТНД и ТВД в одну сторону (прямое вращение ротора ТНД), это существенно увеличивает угол поворота потока в сопловом аппарате первой ступени (СА1) ТНД, что способствует увеличению в нём профильных и особенно вторичных потерь. Кроме того, в сопловом аппарате необходимо применять уменьшенный относительный шаг (т. е. в сопловом аппарате первой ступени (СА1) ТНД будет повышенное число лопаток).

В связи с этим, в практике мирового авиационного двигателестроения разрабатываются конструкции ТРДД с противоположным вращением роторов ТНД и ТВД (обратное вращение роторов ТВД и ТНД, рис.1).

Рис. 1. Схема ТВД и первой ступени ТНД в случае одностороннего и противоположного вращения роторов

Разработка конструкций ДТРД с противоположным вращением роторов ТНД и ТВД позволяет:

 значительно уменьшить угол поворота потока на выходе из ТВД и на входе в СА первой ступени ТНД, что приводит к снижению в нём профильных и вторичных потерь (на целых 3 %);

 большие углы закруток потоков, возникающие из-за недостаточной прочности лопаток, являются причиной работы модулей турбин при низких значениях кинематического параметра. Уменьшение этих углов, также оптимизирует вышеупомянутый параметр;

 существенно снижаются нагрузки от гироскопических моментов, порождаемые модулями компрессоров (КНД, КВД), что улучшает маневренность самолёта;

 применить одноступенчатую ТВД, что в свою очередь позволяет уменьшить массу и габариты проектируемого двигателя (на 15–20 %);

 существенно cнизить затраты на СЖЦ (стоимость жизненного цикла) проектируемого двигателя;

 увеличить температуру выхода газов из камеры сгорания на 2500–4500 С, что позволяет увеличить максимальную тягу двигателя на взлётном режиме, при неизменном охлаждении лопаток ТВД;

 вследствие уменьшения угла поворота потока в СА1 ТНД, уменьшается и угол установки лопаток и увеличивается оптимальный шаг решетки. Это приводит к уменьшению числа лопаток в СА первой ступени ТНД на 10–15 %. Также при этом суммарная поверхность лопаток уменьшается, что позволяет уменьшить и потребный для них расход охлаждающего воздуха;

 повышение КПД турбины и повышение его газодинамической эффективности.

Исследования иприменение ТВД иТНД собратным вращением роторов на современных двигателях пятого поколения.

Исследования турбин с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД ведётся во многих развитых странах мира. Работы указанного направления интенсивно проводились и проводятся в США, Англии, России, Германии и КНР, результаты исследований нашли применение в разработке ряда двигателей.

В двигателях Rolls-Royce Trent1000, Genx-1B/-2B (рис.2), CFM56–5В, PW-6000, GE90–115B (рис.3), применяемых в гражданской авиации, а также двигателях, применяемых в военной авиации (ТРДФ J79 фирмы General Electric, PW F119, ТРДДФ (M53)), в связи с высокой степенью теплоперепада в ТВД и очень большой газодинамической нагружённостью одно- и двухступенчатых ТВД, возникают большие углы закрутки на выходе из ТВД, что отрицательно влияет на работу узла турбины и двигателя в целом. Эти негативные факторы и недостатки, были успешно устранены и значительно ограничены применением во всех вышеуказанных типах двигателей конструкций с противовращением роторов ТВД и ТНД.

Цели, поставленные специалистами CFMI при проектировании новых турбин низкого и высокого давлений в рамках программы TECH56 по модернизации двигателей семейства CFM56–5B/-7B:

 разработка одноступенчатой ТВД, рассчитанной на 𝜋*т = 4,6 с η*т = 0,905;

 уменьшение числа лопаток СА и РК первой ступени ТНД на 10 %;

 применение схемы охлаждения лопаток СА с низкими потерями на смешение;

 уменьшение расхода охлаждающего воздуха на 22 %.

 уменьшение числа деталей на 35 %;

 улучшение обтекания при взаимодействии с ТВД и четырёхступенчатой ТНД.

Испытания ТВД и ТНД с противоположным вращением роторов были завершены в 2000 году. В значительной степени, перечисленные выше цели были достигнуты благодаря применению противоположного вращения роторов ТВД и ТНД.

Рис. 2. Схема проточной части двигателя Genx-1B

Рис. 3. ТВД и ТНД двигателя GE90–115B

Выводы из расчётных иэкспериментальных исследований ДТРД спротивоположным вращением роторов

  1. Следует отметить, что в ТРДД с противоположным вращением роторов наиболее рациональными являются, средние значения степени реактивности ТВД ρ.Т= 0.43–0.45. При этом значение кинематического параметра u/cisбудет оптимальным в следующих пределах: u/cis= 0.42–0.43. В этом случае имеет место максимальное снижение веса ТВД без существенного снижения ее эффективности, а повышенная закрутка потока на выходе эффективно используется в СА1 ТНД.
  2. При повышенных значениях кинематического параметра u/cis> 0.48–0.5 и пониженных значениях степени реактивности, закрутка потока за ТВД невелика и применение противоположного вращения роторов с точки зрения газодинамической эффективности ТНД не имеет смысла. Однако противоположное вращение роторов и в этих случаях может оказаться целесообразным с точки зрения уменьшения гироскопических эффектов и силовых воздействий на подшипники для маневренных самолётов.
  3. Газодинамическая эффективность узла турбины с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД исследована недостаточно. Публикации на эту тему в мировой литературе имеют, как правило, лишь качественный или рекламный характер.
  4. Снижение суммарных потерь в СА первой ступени ТНД с обратным вращением ротора обусловлено в первую очередь уменьшением коэффицента вторичных потерь на показатель — 0.02, что объясняется уменьшением потерь на трения (вследствие уменьшения суммарной поверхности лопаток и снижения уровня скоростей при обтекании слабо изогнутых лопаток).
  5. К основным факторам, влияющим на потери в СА первой ступени ТНД, помимо угла поворота потока и коэффициента геометрической конфузорности, следует отнести конструктивный угол решетки на выходе β2к, угол сужения межлопаточного канала на выходе Е2 и угол «отставания» выходной кромки от эффективного угла решетки uкр.
  6. При проектировании узла турбины с противоположным вращением роторов целесообразно и эффективно:

а) понижать осевую скорость на выходе из ТВД, что уменьшает меридиональное раскрытие СА первой ступени ТНД;

б) увеличивать конфузорность выходного участка межлопаточных каналов СА первой ступени ТНД, что уменьшает потери на трения и вторичные потери;

  1. Применение противовращения роторов ТВД и ТНД в АГТД, может заметно уменьшить изменение радиального зазора рабочих лопаток ступеней ТВД при максимальных эволюционных перегрузках самолёта.

Литература:

  1. Бойко А. В., Кожевников С. Н., Мельтюхов В. А. Оптимизация формы дозвуковых профилей решёток осевых турбин. //Изв. АН СССР. Энерг. и трансп. 1984 г. № 6. Стр. 119–124.
  2. Деменченок В. П., Дружинин Л. Н., Пархомов А. Л. и др. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей. М: Машиностроение, 1979 г. 432 стр.
  3. Пономарёв Б. А., Соценко Ю. В. — Турбины с противоположным направлением вращения роторов для авиационных силовых установок // Изв. вузов. Авиационная техника, 1986 г. № 2. Стр. 50–53.
  4. Пономарёв Б. А., Соценко Ю. В.- Экспериментальное исследование прямых решёток сопловых аппаратов турбин с противоположным вращением роторов. М.: ЦИАМ, 1968 г.; 37 стр.
  5. К. М. Попов, Г. Л. Подвидз, А. В. Грановский, А. М. Карелин, Л. Я. Лебедева — Газодинамические особенности турбин с противоположным вращением роторов // Лопаточные машины и струйные аппараты.1996 г. Выпуск № 13. Стр. 244–258.
  6. Максутова М. К., Тарасов В. Н., Агачев Р. С. Особенности обтекания малоизогнутых сопловых профилей с углами входа больше 90°. Казань,1980 г. КАИ. Стр. 92–96.
  7. Мухтаров М. Х. Характеристики плоских дозвуковых решёток осевых турбин. М.: ЦИАМ, 1968 г. Технический отчёт № 310. 46 стр.
Основные термины (генерируются автоматически): противоположным вращением роторов, роторов ТВД, вращением роторов ТВД, ступени ТНД, вращения роторов, противоположного вращения роторов, роторов ТНД, вращением роторов ТНД, вращение роторов ТВД, вращения роторов ТВД, противовращением роторов ТВД, противовращения роторов ТВД, лопаток ТВД, применение ТВД, исследования ТВД, лопаток ступеней ТВД, Схема ТВД, значениях кинематического параметра, степени реактивности ТВД, Испытания ТВД.

Ключевые слова

тенденции развития авиационных двигателей, ДТРД с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД, потери в СА первой ступени ТНД, разработка конструкций ДТРД, исследования ТВД и ТНД с обратным вращением роторов (ОВР), выводы из исследований, применение ТВД и ТНД с ОВР

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос