Способы управления радиальным зазором в турбинах газотурбинных двигателей

В данной работе рассмотрены способы регулирования радиального зазора в турбине газотурбинного двигателя (ГТД) как эффективного средства влияния на рабочий процесс и характеристику турбины.

Ключевые слова: радиальный зазор, активное механическое регулирование, активное тепловое регулирование, система восстановления, активное регулирование, пассивное регулирование.

В настоящее время ведущие двигателестроительные компании стремятся создать двигатель с минимальным удельным расходом топлива. Для достижения данного параметра необходимо одновременно с повышением температуры газа перед турбиной увеличивать степень повышения давления в компрессорах. Однако повышения этих двух параметров сопровождаются, как правило, падением КПД узлов турбокомпрессора за счет потерь и увеличения расхода на охлаждение [1]. Наибольшее влияние на эффективность турбины газотурбинного двигателя оказывают потери в радиальном зазоре. Потери КПД вследствие утечки через радиальный зазор могут достигать порядка 2,2 % [2]. Также радиальный зазор изменяется в зависимости от режима работы двигателя и в процессе эксплуатации двигателя. Более 85 % ухудшения топливной экономичности двигателя в ходе эксплуатации является следствием роста радиальных зазоров и лишь 15 % следствием износа профилей лопаток [2]. Поэтому повышение коэффициента полезного действия турбины путем снижения утечек через радиальный зазор (РЗ) является актуальной задачей.

Для решения поставленной задачи созданы системы управления радиальным зазором (СУРЗ). Они подразделяются на активные и пассивные (рисунок 1). Пассивный метод СУРЗ подразумевает обеспечение величины РЗ самой конструкцией двигателя, при этом отсутствует какая-либо настройка величины РЗ в течение работы двигателя. Различают тепловой и газовый пассивные методы. Пассивное тепловое регулирование осуществляется за счёт подбора материалов с необходимыми коэффициентами термического расширения. Пассивное газовое (пневматическое) регулирование обеспечивается использованием лабиринтных уплотнений на бандажных полках рабочих лопаток, тем самым повышается гидравлическое сопротивление в РЗ, препятствующее перетеканию воздуха или газа. Оба метода работают наилучшим образом только на одном режиме и с увеличением срока эксплуатации двигателя эффективность снижается за счёт износа, прежде всего, концов лопаток [3]. Активное управление позволяет влиять на зазор при работе двигателя и уменьшать рассогласование размеров ротора и статора. Существует множество концепций систем активного регулирования зазора [1]. Далее рассмотрим типы активного регулирования зазора подробнее.

Рис. 1. Типы систем управления радиальным зазором [3]

Активное тепловое регулирование (рисунок 2). В конструкциях систем активного теплового регулирования радиального зазора используют воздух компрессора или вентилятора, подаваемый через коллекторы, для нагрева (с целью расширения), либо охлаждения (с целью сужения) силовых элементов статора для обеспечения минимального зазора. Концепция активного теплового регулирования была и остается основным способом регулирования РЗ в современных ГТД. Недостатком данной системы регулирования является большое время оклика конструкции на включение системы из-за медленного нагрева или охлаждения элементов, что ограничивает их область применения. Для минимизации имеющегося недостатка планируется применять новые, эффективные с точки зрения теплового состояния, материалы и геометрию [1].

Активное механическое регулирование (рисунок 3). Данный тип регулирования подразумевает сочетание воздействий (гидравлического, электромеханического, магнитного и других) для влияния на радиальный зазор. Система активного механического регулирования обладает высоким быстродействием и точностью регулирования. Главным требованиям к САУРЗ такого типа (для обеспечения нормальной работы) является необходимость качественной герметизации элементов конструкции с целью недопущения утечек. Соблюдение данного требования приводит к удорожанию изделия из-за необходимости увеличения точности изготовления деталей, повышает массу и усложняет конструкцию [1].

Рис. 3. Пример конструктивной реализации системы активного механического управления радиальным зазором [1]

Активное пневматическое (газовое) регулирование. Регулирование радиального зазора в системах данного типа осуществляется непосредственно или косвенно и главным образом происходит за счет использования давления воздуха, сжимаемого в процессе работы двигателя. Системы активного пневматического регулирования очень чувствительны к изменению давления в тракте и окружающей среде, а их детали подвержены повышенному усталостному разрушению. Также САУРЗ данного типа могут требовать значительное количество воздуха для осуществления регулирования радиального зазора, что даже снижает эффективность двигателя [1].

Система восстановления (регенерации) зазора. Системы данного типа используют как активное, так и пассивное управление для восстановления радиального зазора при износе элементов турбины. Примером такого типа управления является включение в конструкцию механических элементов, позволяющих регулировать радиальный зазор в холодном состоянии с учетом износа элементов компрессора (турбины) для предотвращения его значительного изменения с течением времени. К системам восстановления зазора предъявляются такие же требования к точности изготовления элементов, как и к системам активного механического регулирования. Целесообразность применения систем данного типа упирается в вопрос дополнительного веса. Системы восстановления радиального зазора стараются максимально облегчить за счет отделения управляющих механизмов от двигателя, поскольку они используются только при наземном техническом обслуживании [1].

Также следует упомянуть плазменную систему регулирования радиального зазора (рисунок 4) [3]. Данная система является перспективной и в данный момент изучается во многих лабораториях. В дальнейшем планируется применять ее на газотурбинных двигателях нового поколения. Управление радиальным зазором основано на одиночном диэлектрическом барьерном разряде или «плазменном воздействующем устройстве». Данное устройство подходит для суровых условий эксплуатации турбин, поскольку обычно изготавливается из тех же материалов, что используются в лопатках турбин. Для работы устройства необходимо небольшое количество энергии. Также существенным плюсами плазменного метода управления является отсутствие в конструкции устройства подвижных элементов и многоуровневая динамичность системы (высокая точность и скорость реагирования системы, которая предотвращает возможные касания кончика лопатки о статор и позволяет выполнение каких-либо действий с радиальным зазором при резком и неожиданном изменении режимов работы двигателя или резком изменении курса полёта самолёта) [3, 4, 5]. Основным недостатком данной системы является малая изученность, поскольку проведение испытаний с турбинами ГТД достаточно дорогостоящее мероприятие и требующее соответствующего технологического оснащения лабораторий.

Рис. 4. Плазменная система регулирования радиального зазора [3]

Литература:

1 Бондарчук П. В. Моделирование процессов и проектирование системы управления радиальными зазорами в турбине ГТД. Электронное учебное пособие [Электронный ресурс]: — Режим доступа: http://repo.ssau.ru/handle/Uchebnye-posobiya/Modelirovanie-processov-i-proektirovanie-sistemy-upravleniya-radialnymi-zazorami-v-turbine-GTD-Elektronnyi-resurs-elektron-ucheb-posobie-54141?mode=full, свободный (Дата обращения: 22.11.2022).

2 Яковлева С. Ю. Повышение КПД ступени газовой турбины при воздушном наддуве радиального зазора рабочего колеса. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук [Электронный ресурс]: — Режим доступа: https://www.rsatu.ru/arch/diss/yakovleva_avtoreferat.pdf, свободный (Дата обращения: 22.11.2022).

3 Щербаков М. А. Развитие системы управления радиальным зазором газотурбинного двигателя по направлениям повышения динамичности технических систем [Электронный ресурс]: — Режим доступа: https://metodolog.ru/node/2108, свободный (Дата обращения: 22.11.2022).

4 Scott C. Morris and Thomas C. Corke. Tip Clearance Control Using Plasma Actuators [Электронный ресурс]: — Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/235149906_Tip_Clearance_Control_Using_Plasma_Actuators, свободный (Дата обращения: 22.11.2022).

5 Takayuki Matsunuma. Effects of Burst Ratio and Frequency on the Passage Vortex Reduction of a Linear Turbine Cascade Using a Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator [Электронный ресурс]: — Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/362394064_Effects_of_Burst_Ratio_and_Frequency_on_the_Passage_Vortex_Reduction_of_a_Linear_Turbine_Cascade_Using_a_Dielectric_Barrier_Discharge_Plasma_Actuator, свободный (Дата обращения: 22.11.2022).