ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к авиационным газотурбинным двигателям.
Известен двухконтурный, двухвальный газотурбинный двигатель (ГТД), включающий турбокомпрессорные комплексы, один из которых содержит установленные на одном валу компрессор и турбину низкого давления, а другой содержит аналогично объединенные на другом валу, соосном с первым, компрессор и турбину высокого давления, промежуточный разделительный корпус между упомянутыми компрессорами, наружный и внутренние контуры, основную и форсажную камеры сгорания, камеру смешения газовоздушных потоков рабочего тела и регулируемое сопло (Н.Н. Сиротин и др. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва, изд. «Наука», 2011 г., стр.19-46).
Известен газотурбинный двигатель, который выполнен двухконтурным, содержит корпус, опертые на него компрессоры и турбины, охлаждаемую камеру сгорания, топливно-насосную группу, реактивное сопло, а также систему управления с командными и исполнительными органами (Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под редакцией Д.В.Хронина. М. Машиностроение 1989. с.12-88).
Известен способ разработки и испытаний авиационных газотурбинных двигателей, заключающийся в измерении параметров по режимам работы двигателя и приведении их к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части двигателя при изменении атмосферных условий (Ю.А. Литвинов, В.О. Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных газотурбинных двигателей. Москва: Машиностроение, 1979, 288 с, стр.136-137).
Известен способ разработки и испытаний авиационных двигателей типа газотурбинных, включающий отработку заданных режимов, контроль параметров и оценку по ним ресурса и надежности работы двигателя. С целью сокращения времени испытаний при доводке двигателей 10-20% испытания проводят с температурой газа перед турбиной, превышающей максимальную рабочую температуру на 45-65°C (SU 1151075 А1, опубл. 10.08.2004).
Общими недостатками указанных известных технических решений являются повышенная трудо- и энергоемкость испытаний и недостаточно высокая надежность оценки тяги двигателя в широком диапазоне режимов и региональных температурно-климатических условий эксплуатации вследствие неотработанности программы приведения конкретных результатов испытаний, выполняемых в различных температурных и климатических условиях к результатам, отнесенным к стандартным условиям атмосферы известными способами, которые не учитывают с достаточной корректностью изменение параметров и режимов работы двигателя в зависимости от принятых программ, адекватных полетным циклам, характерным для конкретного назначения разрабатываемого газотурбинного двигателя, что осложняет возможность приведения экспериментальных параметров испытаний к параметрам, соответствующим условиям стандартной атмосферы.
Задача полезной модели состоит в разработке совокупности технических решений ГТД, обеспечивающих улучшение тяги и повышение достоверности эксплуатационных характеристик для разных температурно-климатических условий различных регионов и режимов эксплуатации двигателя и в повышении репрезентативности характеристик для полного диапазона перечисленных ситуаций применительно к полетным циклам двигателя в учебных и боевых условиях в различных регионах и сезонных периодах эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что газотурбинный двигатель, согласно полезной модели, выполнен двухконтурным, двухвальным и содержит не менее восьми модулей, смонтированных, предпочтительно, по модульно-узловой системе, в состав которых входят компрессор низкого давления (КНД) со статором, имеющем входной направляющий аппарат (ВНА), не более трех промежуточных направляющих и выходной спрямляющий аппараты, а также с ротором, имеющем вал и систему наделенных лопатками, предпочтительно, четырех рабочих колес; промежуточный корпус; газогенератор, включающий сборочные единицы, в том числе узлы - компрессор высокого давления (КВД), имеющий статор, а также ротор с валом и системой оснащенных лопатками рабочих колес, число которых не менее чем в два раза превышает число упомянутых рабочих колес КНД; причем входной направляющий аппарат КНД снабжен состоящими из неподвижного и управляемого подвижного элементов радиальными стойками, длина которых ограничена наружным и внутренним кольцами ВНА, а радиальные стойки равномерно разнесены в плоскости входного сечения с угловой частотой в диапазоне (3,0÷4,0) ед/рад, при этом, по меньшей мере, часть радиальных стоек совмещена с каналами масляной системы, размещенными в неподвижных элементах стоек; кроме того газогенератор включает основную камеру сгорания и турбину высокого давления (ТВД); за газогенератором последовательно соосно установлены турбина низкого давления (ТНД), смеситель, фронтовое устройство, форсажная камера сгорания и соединенное с последней всережимное реактивное сопло; кроме того двигатель содержит коробку приводов двигательных агрегатов, установленную над промежуточным корпусом, а промежуточный корпус наделен функцией силового узла двигателя с возможностью восприятия суммарных осевых и радиальных нагрузок от компрессоров и турбин с последующей передачей на внешние силовые элементы и установлен между КНД и КВД, разделяя поступающий из КНД воздух на два потока - наружный и внутренний контуры, при этом в наружном контуре вокруг корпуса основной камеры сгорания установлен воздухо-воздушный теплообменник, собранный не менее чем из шестидесяти трубчатых блок-модулей.
При этом статоры КНД и КВД могут быть выполнены каждый в виде продольно-сегментных блоков в количестве не менее двух, объединенных, преимущественно, на разъемных соединениях с возможностью разборки для ремонта или замены деталей соответствующего модуля, кроме того в виде аналогичных продольно-сегментных блоков выполнены и объединены на разъемных соединениях сопловые аппараты турбин ТНД и ТВД.
КНД объединен с ТНД по валу с возможностью передачи от указанной турбины крутящего момента, а КВД объединен с ТВД с возможностью получения последним крутящего момента от турбины высокого давления через автономный вал ротора КВД-ТВД, коаксиально с возможностью вращения охватывающий вал ротора КНД-ТНД на части длины и выполненный короче последнего, по меньшей мере, на совокупную осевую длину промежуточного корпуса, основной камеры сгорания и турбины низкого давления.
Статор КВД может содержать входной направляющий аппарат, не более восьми промежуточных направляющих и выходной спрямляющий аппараты.
Входной направляющий аппарат компрессора низкого давления может содержать, предпочтительно, двадцать три радиальные стойки, причем, по меньшей мере, часть радиальных стоек совмещена с каналами масляной системы с возможностью подачи и отвода масла, а также суфлирования масляной и предмасляных полостей передней опоры ротора компрессора низкого давления.
вх.пр.
зт
плн.
Площадь фронтальной проекции входного проема F ВНА КНД, геометрически определяющая поперечное сечение входного устья воздухозаборного канала, ограниченного на большем радиусе внутренним контуром наружного кольца ВНА, а на меньшем радиусе контуром внутреннего кольца ВНА, может быть выполнена превышающей суммарную площадь аэродинамического затенения F, создаваемого фронтальной проекцией кока и радиальных стоек, в (2,54÷2,72) раза и составляет (0,67÷0,77) от полной площади круга F, ограниченного радиусом внутреннего контура наружного кольца ВНА в плоскости входного проема.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в обеспечении улучшенной тяги двигателя и повышенной надежности эксплуатационных характеристик ГТД за счет применения в двигателе совокупности основных модулей с разработанными в полезной модели параметрами, включая количество и соотношение рабочих колес роторов КВД и КНД и конструктивное решение ВНА статора КНД с равномерно разнесенными в плоскости входного сечения с заявленной угловой частотой регулируемыми радиальными стойками, что обеспечивает в совокупности необходимое повышение компрессии рабочего тела в каждом из контуров на всех режимах эксплуатации двигателя.
Одновременно в полезной модели обеспечена повышенная достоверность экспериментально проверенных характеристик двигателя на влияние климатических условий за счет проведения испытаний по разработанной для этого математической модели двигателя и программе испытаний.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, позволяет обеспечить возможность достижения максимальных значений тяги двигателя в границах, варьируемых в зависимости от региональных и сезонных климатических условий последующей летной эксплуатации двигателей. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен газотурбинный двигатель, продольный разрез;
на фиг.2 - входной направляющий аппарат КНД, вид сверху.
Газотурбинный двигатель выполнен двухконтурным, двухвальным. Газотурбинный двигатель содержит не менее восьми модулей, смонтированных, предпочтительно, по модульно-узловой системе, в состав которых входят компрессор 1 низкого давления, промежуточный корпус 2 и газогенератор.
КНД 1 выполнен со статором, имеющем входной направляющий аппарат 3, не более трех промежуточных направляющих аппаратов 4 и выходной спрямляющий аппарат 5, а также с ротором, имеющем вал 6 и систему предпочтительно, четырех рабочих колес 7, наделенных лопатками 8.
Газогенератор включает сборочные единицы, в том числе узлы - компрессор 9 высокого давления со статором, основную камеру 10 сгорания и турбину 11 высокого давления.
КВД 9 включает статор, а также ротор с валом 12 и системой оснащенных лопатками 13 рабочих колес 14. При этом число рабочих колес 14 КВД 9 не менее чем в два раза превышает число рабочих колес 7 КНД 1.
За газогенератором последовательно соосно установлены турбина 15 низкого давления, смеситель 16, фронтовое устройство 17, форсажная камера 18 сгорания и соединенное с форсажной камерой 18 сгорания всережимное реактивное сопло 19.
Двигатель содержит коробку приводов двигательных агрегатов (на чертежах не показано), установленную над промежуточным корпусом 2. Промежуточный корпус 2 наделен функцией силового узла двигателя с возможностью восприятия суммарных осевых и радиальных нагрузок от компрессоров и турбин с последующей передачей на внешние силовые элементы и установлен между КНД 1 и КВД 9, разделяя поступающий из КНД 1 воздух на два потока - наружный и внутренний контуры 20 и 21 соответственно. В наружном контуре 20 вокруг корпуса основной камеры 10 сгорания установлен воздухо-воздушный теплообменник 22, собранный не менее чем из шестидесяти трубчатых блок-модулей.
Статоры КНД 1 и КВД 9 выполнены каждый в виде продольно-сегментных блоков в количестве не менее двух, объединенных, преимущественно, на разъемных соединениях с возможностью разборки для ремонта или замены деталей соответствующего модуля или сборочной единицы. В виде аналогичных продольно-сегментных блоков выполнены и объединены на разъемных соединениях сопловые аппараты 23 турбин 11 и 15 соответственно высокого и низкого давления.
Компрессор 1 низкого давления объединен с турбиной 15 низкого давления по валу 6 с возможностью передачи от турбины 15 крутящего момента. Компрессор 9 высокого давления объединен с турбиной 11 высокого давления с возможностью получения последним крутящего момента от турбины 11 через автономный вал 12 ротора КВД-ТВД, коаксиально с возможностью вращения охватывающий вал 6 ротора КНД-ТНД на части длины и выполненный короче последнего, по меньшей мере, на совокупную осевую длину промежуточного корпуса 2, основой камеры 10 сгорания и турбины 15 низкого давления.
Статор КВД 9 содержит входной направляющий аппарат 24, не более восьми промежуточных направляющих аппаратов 25 и выходной спрямляющий аппарат 26.
Входной направляющий аппарат 3 КНД 1 снабжен состоящими из неподвижного и управляемого подвижного элементов радиальными стойками 27, равномерно разнесенными в плоскости входного сечения с угловой частотой в диапазоне (3,0÷4,0) ед/рад.
Входной направляющий аппарат 3 КНД 1 содержит, предпочтительно, двадцать три радиальные стойки 27. Длина радиальных стоек 27 ограничена наружным и внутренним кольцами 28 и 29 соответственно ВНА. По меньшей мере, часть радиальных стоек 27 совмещена с каналами масляной системы, размещенными в неподвижных элементах стоек, с возможностью подачи и отвода масла, а также суфлирования масляной и предмасляных полостей передней опоры ротора КНД 1.
вх.пр.
зт
плн.
Площадь фронтальной проекции входного проема F входного направляющего аппарата 3 КНД 1, геометрически определяющая поперечное сечение входного устья воздухозаборного канала 30, ограниченного на большем радиусе внутренним контуром наружного кольца 28 ВНА, а на меньшем радиусе контуром внутреннего кольца 29 ВНА, выполнена превышающей суммарную площадь аэродинамического затенения F, создаваемого фронтальной проекцией кока 31 и радиальных стоек 27, в (2,54÷2,72) раза и составляет (0,67÷0,77) от полной площади круга F, ограниченного радиусом внутреннего контура наружного кольца 28 ВНА в плоскости входного проема.
Двигатель проверен, по крайней мере, на стадии серийного промышленного производства на влияние климатических условий на основные характеристики работы компрессора. Для этого двигатель испытан на стенде на различных режимах. Параметры режимов адекватны параметрам полетных режимов в диапазоне, запрограммированном для конкретной серии двигателей.
По результатам стендовых испытаний создана и скорректирована математическая модель газотурбинного двигателя. Затем по математической модели определены параметры газотурбинного двигателя при стандартных атмосферных условиях и различных температурах атмосферного воздуха из заданного рабочего диапазона температур стендовых испытаний с учетом принятой программы регулирования двигателя на максимальных и форсированных режимах. Фактические значения параметров при конкретных температурах атмосферного воздуха каждого режима испытаний отнесены к значениям параметров при стандартных атмосферных условиях. После чего вычислены поправочные коэффициенты к измеренным параметрам в зависимости от температуры атмосферного воздуха. Приведение измеренных параметров к стандартным атмосферным условиям выполнено умножением измеренных значений на коэффициенты, учитывающие отклонение атмосферного давления от стандартного, и на поправочный коэффициент. Поправочный коэффициент отражает зависимость измеренных значений параметров от температуры атмосферного воздуха, зарегистрированной при конкретных испытаниях газотурбинных двигателей.
Пример реализации испытания ГТД на влияние климатических условий на основные характеристики работы компрессора.
ВХ
Испытаниям подвергают репрезентативную группу из трех-пяти ГТД. При этом используют предварительно разработанную математическую модель двигателя. Испытания указанной группы ГТД проводят при температуре t=0°C, Ba=745 мм рт.ст.
По результатам замеров и их статистического обобщения получают значения параметров: усилия тяги двигателя R=985 кгс и частоту вращения n=98,8%.
ВХ
Для последующей оценки результатов испытаний используют математическую модель двигателя, по которой проводят расчет параметров на различных режимах работы двигателя в диапазоне температур воздуха на входе в двигатель, в том числе и при t=+15°C. Результаты расчета представлены в Табл.1
Табл.1
t<sub>ВХ</sub>, °C
-15
0
+15
+30
Температура на входе в ГТД
R, кгс
1000
980
970
950
Усилие тяги
n, %
98
99
100
100
частота вращения
ВХ
Сопоставляют полученные выше данные и вычисляют поправочные коэффициенты путем отношения значения параметра при t=+15°C к значениям параметра в заданном диапазоне температур на входе в двигатель (Табл.2)
Табл.2
t<sub>ВХ</sub>, °C
-15
±0
+15
+30
K<sub>R</sub>
0,97
0,99
1
1,021
Kn
1,02
1,01
1
1
Затем определяют параметры при стандартных атмосферных условиях (МСА)
MCA
n=n×Kn=98,8×1,01=99,79%
и вносят полученные данные в сопроводительную документацию соответствующей группы ГТД.
ВХ
Используют полученные выше параметры ГТД для вычисления соответствующих параметров применительно к температурно-климатическим условиям конкретных районов эксплуатации двигателей в диапазоне рабочих температур наружного воздуха t=±50°C. Экстремальные для указанного диапазона температур значения параметров ГТД, полученные на основе результатов испытаний с использованием математической модели и данных при стандартных атмосферных условиях (МСА) представлены в Табл.3 и Табл.4.
Табл.3
t<sub>ВХ</sub>, °C
-50
-15
0
+15
+20
+50
Температура на входе в ГТД
R, кгс
1200
1000
980
970
950
900
Усилие от тяги
n, %
96
98
99
100
100
100
частота вращения
Табл.4
t<sub>ВХ</sub>, °C
-50
-15
0
+15
+20
+50
K<sub>R</sub>
0,81
0,97
0,99
1
1,021
1,078
Kn
1,042
1,02
1,01
1
1
1
Из табл.3 и табл.4 видно, что тяга в экстремальном диапазоне температур от (-50)°C до (+50)°C изменяется на одну треть при изменении оборотов на 4%.
Изложенную выше последовательность испытания ГТД применяют для оценки изменения тяги для различных температурно-климатических условий и режимов работы двигателя, при необходимости на любых этапах от доводки до промышленного производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей.