Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД ) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Устройство турбовентиляторного двигателя

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

• вентилятор;
• компрессор;
• камера сгорания;
• турбина;
• сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Вид самолетного двигателя снаружи

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

• классические;
• турбовинтовые;
• турбовентиляторные;
• прямоточные.

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Размер двигателя самолета относительно человеческого роста

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

Вконтакте

0

Воздушно-реактивные двигатели по способу предварительного сжатия воздуха перед поступлением в камеру сгорания разделяются на компрессорные и бескомпрессорные. В бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателях используется скоростной напор воздушного потока. В компрессорных двигателях воздух сжимается компрессором. Компрессорным воздушно-реактивным двигателем является турбореактивный двигатель (ТРД). В группу, получившую название смешанных или комбинированных двигателей, входят турбовинтовые двигатели (ТВД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД). Однако конструкция и принцип работы этих двигателей во многом схожи с турбореактивными двигателями. Часто все типы указанных двигателей объединяют под общим названием газотурбинных двигателей (ГТД). В качестве топлива в газотурбинных двигателях используется керосин.

Турбореактивные двигатели

Конструктивные схемы. Турбореактивный двигатель (рис. 100) состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного устройства.

Входное устройство предназначено для подвода воздуха к компрессору двигателя. В зависимости от расположения двигателя на самолете оно может входить в конструкцию самолета или в конструкцию двигателя. Входное устройство способствует повышению давления воздуха перед компрессором.

Дальнейшее повышение давления воздуха происходит в компрессоре. В турбореактивных двигателях применяются компрессоры центробежные (рис. 101) и осевые (см. рис. 100).

В осевом компрессоре при вращении ротора рабочие лопатки, воздействуя на воздух, закручивают его и заставляют двигаться вдоль оси в сторону выхода из компрессора.

В центробежном компрессоре при вращении рабочего колеса воздух увлекается лопатками и под действием центробежных сил движется к периферии. Наиболее широкое применение в современной авиации нашли двигатели с осевым компрессором.

Осевой компрессор включает в себя ротор (вращающаяся часть) и статор (неподвижная часть), к которому крепится входное устройство. Иногда во входных устройствах устанавливаются защитные сетки, предотвращающие попадание в компрессор посторонних предметов, которые могут привести к повреждению лопаток.

Ротор компрессора состоит из нескольких рядов профилированных рабочих лопаток, расположенных по окружности и последовательно чередующихся вдоль оси вращения. Роторы подразделяют на барабанные (рис. 102, а), дисковые (рис. 102, б) и барабаннодисковые (рис. 102, в).

Статор компрессора состоит из кольцевого набора профилированных лопаток, закрепленных в корпусе. Ряд неподвижных лопаток, называемых спрямляющим аппаратом, в совокупности с рядом рабочих лопаток называется ступенью компрессора.

В современных авиационных турбореактивных двигателях применяются многоступенчатые компрессоры, увеличивающие эффективность процесса сжатия воздуха. Ступени компрессора согласуются между собой таким образом, чтобы воздух на выходе из одной ступени плавно обтекал лопатки следующей ступени.

Нужное направление воздуха в следующую ступень обеспечивает спрямляющий аппарат. Для этой же цели служит и направляющий аппарат, устанавливаемый перед компрессором. В некоторых конструкциях двигателей направляющий аппарат может отсутствовать.

Одним из основных элементов турбореактивного двигателя является камера сгорания, расположенная за компрессором. В конструктивном отношении камеры сгорания выполняются трубчатыми (рис. 103), кольцевыми (рис. 104), трубчато-кольцевыми (рис. 105).

Трубчатая (индивидуальная) камера сгорания состоит из жаровой трубы и наружного кожуха, соединенных между собой стаканами подвески. В передней части камеры сгорания устанавливаются топливные форсунки и завихритель, служащий для стабилизации пламени. На жаровой трубе имеются отверстия для подвода воздуха, предотвращающего перегрев жаровой трубы. Поджигание топливо-воздушной смеси в жаровых трубах осуществляется специальными запальными устройствами, устанавливаемыми на отдельных камерах. Между собой жаровые трубы соединяются патрубками, которые обеспечивают поджигание смеси во всех камерах.

Кольцевая камера сгорания выполняется в форме кольцевой полости, образованной наружным и внутренним кожухами камеры. В передней части кольцевого канала устанавливается кольцевая жаровая труба, а в носовой части жаровой трубы - завихрители и форсунки.

Трубчато-кольцевая камера сгорания состоит из наружного и внутреннего кожухов, образующих кольцевое пространство, внутри которого размещаются индивидуальные жаровые трубы.

Для привода компрессора ТРД служит газовая турбина. В современных двигателях газовые турбины выполняются осевыми. Газовые турбины могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (до шести ступеней). К основным узлам турбины относятся сопловые (направляющие) аппараты и рабочие колеса, состоящие из дисков и расположенных на их ободах рабочих лопаток. Рабочие колеса крепятся к валу турбины и образуют вместе с ним ротор (рис. 106). Сопловые аппараты располагаются перед рабочими лопатками каждого диска. Совокупность неподвижного соплового аппарата и диска с рабочими лопатками называется ступенью турбины. Рабочие лопатки крепятся к диску турбины при помощи елочного замка (рис. 107).

Выпускное устройство (рис. 108) состоит из выпускной трубы, внутреннего конуса, стойки и реактивного сопла. В некоторых случаях из условий компоновки двигателя на самолете между выпускной трубой и реактивным соплом устанавливается удлинительная труба. Реактивные сопла могут быть с регулируемым и нерегулируемым выходным сечением.

Принцип работы. В отличие от поршневого двигателя рабочий процесс в газотурбинных двигателях не разделен на отдельные такты, а протекает непрерывно.

Принцип работы турбореактивного двигателя заключается в следующем. В полете воздушный поток, набегающий на двигатель, проходит через входное устройство в компрессор. Во входном устройстве происходит предварительное сжатие воздуха и частичное преобразование кинетической энергии движущегося воздушного потока в потенциальную энергию давления. Более значительному сжатию воздух подвергается в компрессоре. В турбореактивных двигателях с осевым компрессором при быстром вращении ротора лопатки компрессора, подобно лопастям вентилятора, прогоняют воздух в сторону камеры сгорания. В установленных за рабочими колесами каждой ступени компрессора спрямляющих аппаратах вследствие диффузорной формы межлопаточных каналов происходит преобразование приобретенной в колесе кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.

В двигателях с центробежным компрессором сжатие воздуха происходит за счет воздействия центробежной силы. Воздух, входя в компрессор, подхватывается лопатками быстро вращающейся крыльчатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности колеса компрессора. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем большее давление создается компрессором.

Благодаря компрессору ТРД могут создавать тягу при работе на месте. Эффективность процесса сжатия воздуха в компрессоре

характеризуется величиной степени повышения давления π к, которая представляет собой отношение давления воздуха на выходе из компрессора р 2 к давлению атмосферного воздуха р H

Воздух, сжатый во входном устройстве и компрессоре, далее поступает в камеру сгорания, разделяясь на два потока. Одна часть воздуха (первичный воздух), составляющая 25-35% от общего расхода воздуха, направляется непосредственно в жаровую трубу, где происходит основной процесс сгорания. Другая часть воздуха (вторичный воздух) обтекает наружные полости камеры сгорания, охлаждая последнюю, и на выходе из камеры смешивается с продуктами сгорания, уменьшая температуру газовоздушного потока до величины, определяемой жаропрочностью лопаток турбины. Незначительная часть вторичного воздуха через боковые отверстия жаровой трубы проникает в зону горения.

Таким образом, в камере сгорания происходит образование топливо-воздушной смеси путем распыливания топлива через форсунки и смешения его с первичным воздухом, горение смеси и смешение продуктов сгорания со вторичным воздухом. При запуске двигателя зажигание смеси осуществляется специальным запальным устройством, а при дальнейшей работе двигателя топливо-воздушная смесь поджигается уже имеющимся факелом пламени.

Образовавшийся в камере сгорания газовый поток, обладающий высокой температурой и давлением, устремляется на турбину через суживающийся сопловой аппарат. В каналах соплового аппарата скорость газа резко возрастает до 450-500 м/сек и происходит частичное преобразование тепловой (потенциальной) энергии в кинетическую. Газы из соплового аппарата попадают на лопатки турбины, где кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения турбины. Лопатки турбины, вращаясь вместе с дисками, вращают вал двигателя и тем самым обеспечивается работа компрессора.

В рабочих лопатках турбины может происходить либо только процесс преобразования кинетической энергии газа в механическую работу вращения турбины, либо еще и дальнейшее расширение газа с увеличением его скорости. В первом случае газовая турбина называется активной, во втором - реактивной. Во втором случае лопатки турбины, помимо активного воздействия набегающей газовой струи, испытывают и реактивное воздействие за счет ускорения газового потока.

Окончательное расширение газа происходит в выходном устройстве двигателя (реактивном сопле). Здесь давление газового потока уменьшается, а скорость возрастает до 550-650 м/сек (в земных условиях).

Таким образом, потенциальная энергия продуктов сгорания в двигателе преобразуется в кинетическую энергию в процессе расширения (в турбине и выходном сопле). Часть кинетической энергии при этом идет на вращение турбины, которая в свою очередь вращает компрессор, другая часть - на ускорение газового потока (на создание реактивной тяги).

Турбовинтовые двигатели

Устройство и принцип действия. Для современных самолетов,

обладающих большой грузоподъемностью я дальностью полета, нужны двигатели, которые могли бы развить необходимые тяги при минимальном удельном весе. Этим требованиям удовлетворяют турбореактивные двигатели. Однако они неэкономичны по сравнению с винтомоторными установками на небольших скоростях полета. В связи с этим некоторые типы самолетов, предназначенные для полетов с относительно невысокими скоростями и с большой дальностыо, требуют постановки двигателей, которые сочетали бы в себе преимущества ТРД с преимуществами винтомоторной установки на малых скоростях полета. К таким двигателям относятся турбовинтовые двигатели (ТВД).

Турбовинтовым двигателем называется газотурбинный авиационный двигатель, в котором турбина развивает мощность, большую потребной для вращения компрессора, и этот избыток мощности используется для вращения воздушного винта. Принципиальная схема ТВД показана на рис. 109.

Как видно из схемы, турбовинтовой двигатель состоит из тех же узлов и агрегатов, что и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на турбовинтовом двигателе дополнительно смонтированы воздушный винт и редуктор. Для получения максимальной мощности двигателя турбина должна развивать большие обороты (до 20000 об/мин). Если с этой же скоростью будет вращаться воздушный винт, то коэффициент полезного действия последнего будет крайне низким, так как наибольшего значения к. п. д. винта на расчетных режимах полета достигает при 750-1 500 об/мин.

Для уменьшения оборотов воздушного винта по сравнению с оборотами газовой турбины в турбовинтовом двигателе устанавливается редуктор. На двигателях большой мощности иногда используют два винта, вращающихся в противоположные стороны, причем работу обоих воздушных винтов обеспечивает один редуктор.

В некоторых турбовинтовых двигателях компрессор приводится во вращение одной турбиной, а воздушный винт - другой. Это создает благоприятные условия для регулирования двигателя.

Тяга у ТВД создается главным образом воздушным винтом (до 90%) и лишь незначительно за счет реакции газовой струи.

В турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые турбины (число ступеней от 2 до 6), что диктуется необходимостью срабатывать на турбине ТВД большие теплоперепады, чем на турбине ТРД. Кроме того, применение многоступенчатой турбины позволяет снизить ее обороты и, следовательно, габариты и вес редуктора.

Назначение основных элементов ТВД ничем не отличается от назначения тех же элементов ТРД. Рабочий процесс ТВД также аналогичен рабочему процессу ТРД. Так же, как и в ТРД, воздушный поток, предварительно сжатый во входном устройстве, подвергается основному сжатию в компрессоре и далее поступает в камеру сгорания, в которую одновременно через форсунки впрыскивается топливо. Образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушной смеси газы обладают высокой потенциальной энергией. Они устремляются в газовую турбину, где, почти полностью расширяясь, производят работу, которая затем передается компрессору, воздушному винту и приводам агрегатов. За турбиной давление газа практически равно атмосферному.

В современных турбовинтовых двигателях сила тяги, получаемая только за счет реакции вытекающей из двигателя газовой струи, составляет 10-20% суммарной силы тяги.

Двухконтурные турбореактивные двигатели

Стремление повысить тяговый коэффициент полезного действия ТРД на больших дозвуковых скоростях полета привело к созданию двухконтурных турбореактивных двигателей (ДТРД).

В отличие от ТРД обычной схемы в ДТРД газовая турбина приводит во вращение (помимо компрессора и ряда вспомогательных агрегатов) низконапорный компрессор, называемый иначе вентилятором второго контура. Привод вентилятора второго контура ДТРД может осуществляться и от отдельной турбины, располагаемой за турбиной компрессора. Простейшая схема ДТРД представлена на рис. 110.

Первый (внутренний) контур ДТРД представляет собой схему обычного ТРД. Вторым (внешним) контуром является кольцевой канал с расположенным в нем вентилятором. Поэтому двухконтурные турбореактивные двигатели называют иногда турбовентиляторными.

Работа ДТРД происходит следующим образом. Набегающий на двигатель воздушный поток поступает в воздухозаборник и далее одна часть воздуха проходит через компрессор высокого давления первого контура, другая - через лопатки вентилятора (компрессора низкого давления) второго контура. Так как схема первого контура представляет собой обычную схему ТРД, то и рабочий процесс в этом контуре аналогичен рабочему процессу в ТРД. Действие вентилятора второго контура подобно действию многолопастного воздушного винта, вращающегося в кольцевом канале.

ДТРД могут найти применение и на сверхзвуковых летательных аппаратах, но в этом случае для увеличения их тяги необходимо предусматривать сжигание топлива во втором контуре. Для быстрого увеличения (форсирования) тяги ДТРД иногда осуществляется сжигание дополнительного топлива либо в воздушном потоке второго контура, либо за турбиной первого контура.

При сжигании дополнительного топлива во втором контуре необходимо увеличивать площадь его реактивного сопла для сохранения неизменными режимов работы обоих контуров. При несоблюдении этого условия расход воздуха через вентилятор второго контура уменьшится вследствие повышения температуры газа между вентилятором и реактивным соплом второго контура. Это повлечет за собой снижение потребной мощности для вращения вентилятора. Тогда, чтобы сохранить прежние числа оборотов двигателя, придется в первом контуре снизить температуру газа перед турбиной, а это приведет к уменьшению тяги в первом контуре. Повышение суммарной тяги будет недостаточным, а в некоторых случаях суммарная тяга форсированного двигателя может оказаться меньше суммарной тяги обычного ДТРД. Кроме того, форсирование тяги связано с большими удельными расходами топлива. Все эти обстоятельства ограничивают применение данного способа увеличения тяги. Однако форсирование тяги ДТРД может найти широкое применение при сверхзвуковых скоростях полета.

Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов

Полезная модель позволяет повысить эффективность работы турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД), путем гарантированного охлаждения последней ступени турбины на максимальных режимах (например, на взлетном режиме) и повышения экономичности на крейсерских режимах работы. Система охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления ТРДД содержит заборник воздуха из наружного контура двигателя и дополнительно заборник воздуха за одной из промежуточных ступеней компрессора. Система охлаждения снабжена устройством регулирования подачи воздуха в полость, примыкающую к задней поверхности диска турбины последней ступени. Устройство регулирования содержит поворотное кольцо с приводом. Поворотное кольцо контактирует с торцевой стенкой опоры турбины. В торцевой стенке опоры выполнены два отверстия. Одно отверстие соединяется с кольцевой полостью опоры турбины последней ступени, а другое - с полостью воздухосборника, расположенного в кольцевой полости опоры турбины. Поворотное кольцо устройства регулирования снабжено сквозным эллипсовидным отверстием, расположенным с возможностью поочередного сообщения с одним из двух сквозных отверстий торцевой стенки опоры турбины.

Полезная модель относится к системам охлаждения элементов двигателей летательных аппаратов, а более точно касается системы охлаждения турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД).

Для охлаждения горячих элементов конструкции турбореактивных двигателей используют охлаждающий воздух.

Известна система охлаждения турбины турбореактивного двухконтурного двигателя, в которой для охлаждения лопаток турбины используется воздух, забираемый из промежуточной или последней ступени компрессора высокого давления (КВД) (см., например, «Конструкция турбокомпрессора ТРДДФ», Изд-во МАИ, 1996 г, стр.27-28). Отобранный из КВД охлаждающий воздух обладает достаточно высоким давлением (по сравнению с местом его выпуска в проточный тракт турбины), что обеспечивает его гарантированный подвод ко всем поверхностям охлаждения. В связи с этим эффективность работы такой системы охлаждения весьма высока.

Недостаток применения такой системы охлаждения состоит в снижении удельной тяги на максимальных режимах и экономичности на крейсерских режимах работы. Это снижение происходит вследствие того, что часть мощности турбины высокого давления, идущая на сжатие охлаждающего ТНД воздуха, теряется и не используется ни на вращение компрессора высокого давления (КВД), ни на создание тяги двигателя. Например, при расходе охлаждающего лопатки ТНД воздуха, составляющем ~5% от расхода воздуха на входе в КВД, и отборе воздуха из последней его ступени потери мощности могут составить ~5%, что эквивалентно снижению кпд турбины на эту же величину.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является система охлаждения турбины турбореактивного двухконтурного двигателя, в которой для охлаждения лопаток турбины низкого давления используется воздух, забираемый из канала наружного контура (см., например, «Турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой АЛ-31Ф» Учебное пособие, изд-во ВВИА им Н.Е.Жуковского, 1987 год, стр.128-130). Охлаждение турбины осуществляется на всех режимах работы двигателя. При таком варианте отбора охлаждающего воздуха не расходуется дополнительная мощность турбины на его сжатие в КВД, поэтому большее количество потенциальной энергии газового потока за турбиной может быть преобразовано в реактивном сопле в кинетическую энергию выхлопной струи, что, в свою очередь, приведет к увеличению тяги двигателя и его экономичности.

Недостаток применения такой системы охлаждения состоит в снижении эффективности охлаждения вследствие недостаточного давления воздуха, отобранного из канала наружного контура охлаждающего воздуха на режимах работы двигателя, близких к максимальным (например, взлетный режим). На указанных режимах работы, оптимальное для эффективности работы двигателя (максимального значения удельной тяги двигателя) соотношение давлений в канале наружного контура и на выходе из турбины низкого давления близко к единице. Такого перепада давлений с учетом потерь в подводящих каналах и патрубках недостаточно для реализации эффективного охлаждения рабочей лопатки ТНД двигателя на этих режимах.

Известные технические решения имеют ограниченные возможности, так как приводят к снижению эффективности работы двигателя.

В основу полезной модели положена задача повышения эффективности работы ТРДД путем гарантированного охлаждения последней ступени турбины на максимальных режимах (например, взлетном) и повышения экономичности на крейсерских режимах работы.

Технический результат - повышение эффективности работы ТРДД.

Поставленная задача решается тем, что система охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя содержит заборник воздуха из наружного контура двигателя. Заборник воздуха сообщается через полости стоек и кольцевую полость опоры турбины последней ступени, снабженную передней торцевой стенкой, с полостью, примыкающей к задней поверхности диска турбины, и через напорный диск с внутренними полостями лопаток. Торцевая стенка опоры турбины имеет сквозные отверстия, а внешняя поверхность корпуса турбины последней ступени выполнена в виде части внутренней поверхности канала наружного контура двигателя.

Новым в полезной модели является то, что система охлаждения дополнительно снабжена на входе заборником воздуха за одной из промежуточных ступеней компрессора, соединенного трубопроводом с полым воздухосборником на выходе. Система охлаждения снабжена устройством регулирования подачи воздуха в полость, примыкающую к задней поверхности турбины последней ступени. Устройство регулирования содержит поворотное кольцо с приводом. Поворотное кольцо контактирует с торцевой стенкой опоры турбины. В торцевой стенке опоры выполнены два отверстия. Одно отверстие соединяется с кольцевой полостью опоры турбины последней ступени, а другое - с полостью воздухосборника, расположенного в кольцевой полости опоры турбины. Поворотное кольцо устройства регулирования снабжено сквозным эллипсовидным отверстием, расположенным с возможностью поочередного сообщения с одним из двух сквозных отверстий торцевой стенки опоры турбины.

Выполнение системы охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя в соответствии с заявленной полезной моделью обеспечивает:

Дополнительное снабжение системы охлаждения на входе заборником воздуха за одной из промежуточных ступеней компрессора, соединенного трубопроводом с полым воздухосборником на выходе, сообщающимся с полостью, задней поверхности диска последней ступени турбины, обеспечивает гарантированное охлаждение на максимальных режимах, в том числе на взлетном режиме;

Снабжение системы охлаждения устройством регулирования подачи воздуха в полость, примыкающую к задней поверхности диска последней ступени турбины из промежуточной ступени компрессора или из наружного контура, обеспечивает эффективность охлаждения рабочей лопатки ТНД на всех режимах работы двигателя. Устройство регулирования позволяет совместить положительные качества обеих систем охлаждения, то есть путем последовательного подключения различных каналов подвода охлаждающего воздуха наиболее рационально обеспечить работоспособность и эффективность работы системы охлаждения турбины во всем диапазоне эксплуатационных режимов двигателя и тем самым улучшить тягово-экономические и ресурсные характеристики двигателя. Так, на взлетном режиме устройство регулирования соединено таким образом, что обеспечивается поступление охлаждающего воздуха из промежуточной ступени компрессора с давлением, достаточным для эффективного охлаждения последней ступени турбины. Это позволяет либо при фиксированном расходе охлаждающего воздуха повысить ресурс турбины и всего двигателя в целом, либо уменьшить расход охлаждающего воздуха и тем самым повысить тяговые характеристики двигателя. Воздух в канале наружного контура не обладает необходимым для эффективного охлаждения избыточным давлением. На крейсерском режиме устройство регулирования обеспечивает поступление охлаждающего воздуха из канала наружного контура, при этом канал поступления воздуха из компрессора перекрывается (переключение положения кольца осуществляется по сигналу в зависимости от частоты вращения вала турбины низкого давления двигателя n нд и температуры торможения воздуха на входе в двигатель T* Н). Вследствие того, что охлаждающий воздух не проходит сжатие в компрессоре, уменьшается необходимая мощность КВД и повышается свободная энергия рабочего тела за турбиной; это приводит к росту тяги двигателя и его экономичности. Кроме того воздух из канала наружного контура обладает большим хладоресурсом, что позволит либо при фиксированном расходе охлаждающего воздуха повысить ресурс турбины и всего двигателя в целом, либо уменьшить расход охлаждающего воздуха и тем самым дополнительно повысить экономичность двигателя.

Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача - повышение эффективности работы ТРДД, путем гарантированного охлаждения последней ступени турбины на максимальных режимах (например, взлетном) и повышения экономичности на крейсерских режимах работы по сравнению с известными аналогами.

Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием системы охлаждения и ее работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-3, где

на фиг.1 схематично изображен продольный разрез последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя и системы ее охлаждения;

на фиг.2 - вид А на фиг.1;

на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2.

Система охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя содержит (см. фиг.1) заборник 1 воздуха из наружного контура 2 двигателя. Заборник 1 воздуха сообщается с полостью 3, примыкающей к задней поверхности диска 4 турбины через полости 5 стоек 6 и кольцевую полость 7 опоры турбины последней ступени, снабженную передней торцевой стенкой 8 со сквозными отверстиями 9 (см. фиг.2, 3) турбины, и по каналам 10 в диске 4 с внутренними полостями лопаток 11.

Система охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя дополнительно содержит на входе заборник воздуха за одной из промежуточных ступеней компрессора (на фиг.1 заборник воздуха и промежуточные ступени компрессора не показаны). Данный заборник воздуха соединен трубопроводом 12 с полым воздухосборником 13 на выходе, примыкающим к торцевой стенке 8 опоры турбины со сквозными отверстиями 14 (см. фиг.2, 3).

Причем система охлаждения снабжена устройством регулирования подачи воздуха в полость 3, примыкающую к задней поверхности диска 4 турбины последней ступени. Устройство регулирования, выполнено в виде поворотного кольца 15 (см. фиг.1-3) с приводом (привод не показан), контактирующим с торцевой стенкой 8 опоры турбины, где отверстие 9 обеспечивает сообщение полости 3 с кольцевой полостью 7, а отверстие 14 обеспечивает сообщение полости 3 с полостью 16 воздухосборника 13, расположенного в кольцевой полости 7 опоры турбины. Привод поворотного кольца 15 может быть выполнен, например, в виде пневмомотора или привода подобного типа. Поворотное кольцо 15 устройства регулирования имеет сквозное эллипсовидное отверстие 17, обеспечивающее возможность поочередного сообщения со сквозными отверстиями 9, 14 в торцевой стенке 8 опоры турбины.

Предлагаемая система охлаждения содержит заборник воздуха a (на фиг.1 заборник воздуха не показан) за одной из промежуточных ступеней компрессора, заборник 1 воздуха b из канала наружного контура 2. Работа системы подачи охлаждающего воздуха описана ниже.

Система охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя работает следующим образом. Кольцо 15 может находиться в двух положениях. При повороте кольца 15 в положение I (см. фиг.2) (взлетный режим работы двигателя) воздух а поступает по трубе 12, под действием перепада давлений, через воздухосборник 13, отверстие 14 в стенке 8 и отверстие 17 в кольце 15 в полость 3, примыкающую к задней поверхности диска 4. При этом проход в полость 3 воздуха b перекрыт кольцом 15. При повороте кольца 15 в положение II (не показано) (крейсерский режим), отверстие 17 поворачивается таким образом, что отверстие 14, перекрывается кольцом 15, и в полость 3 через отверстие 9 и отверстие 17 в кольце 15 поступает воздух b. В этом случае воздух a, отбираемый за промежуточной ступенью компрессора, в полость 3 не поступает.

Переключение кольца 15 в положение I или II осуществляется по сигналу в зависимости от частоты вращения n вала турбины низкого давления двигателя и температуры торможения воздуха на входе в двигатель T* Н. При высоких значениях параметра (взлетный режим работы двигателя) кольцо 15 находится в положении I, при низких значениях параметра (крейсерский режим) - в положении II.

Выполнение системы охлаждения в соответствии с заявленным техническим решением позволяет обеспечить необходимое охлаждение последней ступени турбины низкого давления на всех режимах работы двигателя, одновременно повышая эффективность и экономичность его работы.

Система охлаждения последней ступени осевой турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащая заборник воздуха из наружного контура двигателя, сообщающийся через полости стоек и кольцевую полость опоры турбины последней ступени, снабженную передней торцевой стенкой, с полостью, примыкающей к задней поверхности диска турбины, и через напорный диск с внутренними полостями лопаток, где торцевая стенка опоры турбины имеет сквозные отверстия, отличающаяся тем, что система охлаждения дополнительно снабжена на входе заборником воздуха за одной из промежуточных ступеней компрессора, соединенного трубопроводом с полым воздухосборником на выходе, и устройством регулирования подачи воздуха в полость, примыкающую к задней поверхности турбины последней ступени, где устройство регулирования выполнено в виде поворотного кольца с приводом, контактирующим с торцевой стенкой опоры турбины, в торцевой стенке опоры выполнены два отверстия, где одно отверстие соединено с кольцевой полостью опоры турбины последней ступени, а другое - с полостью воздухосборника, расположенного в кольцевой полости опоры турбины, поворотное кольцо устройства регулирования снабжено сквозным эллипсовидным отверстием, расположенным с возможностью поочередного сообщения с одним из двух сквозных отверстий торцевой стенки опоры турбины.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание конструкции

турбина двигатель прочность силовой

1.1 АЛ-31Ф

АЛ-31Ф -- двухконтурный двухвальный турбореактивный двигатель со смешением потоков внутреннего и наружного контуров за турбиной, общей для обоих контуров форсажной камерой и регулируемым сверхзвуковым всережимным реактивным соплом. Компрессор низкого давления осевой 3-ступенчатый с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА), компрессор высокого давления осевой 7-ступенчатый с регулируемым ВНА и направляющими аппаратами первых двух ступеней. Турбины высокого и низкого давления -- осевые одноступенчатые; лопатки турбин и сопловых аппаратов охлаждаемые. Основная камера сгорания кольцевая. В конструкции двигателя широко применяются титановые сплавы (до 35 % массы) и жаропрочные стали.

1.2 Турбина

Общие характеристики

Турбина двигателя осевая, реактивная, двухступенчатая, двухвальная. Первая ступень - турбина высокого давления. Вторая ступень - низкого давления. Все лопатки и диски турбины охлаждаемые.

Основные параметры (Н=0, М=0, режим «Максимальный») и материалы деталей турбины приведены в таблице 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Параметр
Степень понижения полного давления газа
КПД турбины по заторможенным параметрам потока
Окружная скорость на периферии лопаток, м/с
Частота вращения ротора, об/мин
Втулочное отношение
Температура газа на входе в турбину
Расход газа, кг/сек
Параметр нагруженности, м/с

Таблица 1.2

Конструкция турбины высокого давления

Турбина высокого давления предназначена для привода компрессора высокого давления, а также двигательных и самолётных агрегатов, установленных на коробках приводов. Турбина конструктивно состоит из ротора и статора.

Ротор турбины высокого давления

Ротор турбины состоит из рабочих лопаток, диска и цапфы.

Рабочая лопатка - литая, полая с полупетлевым течением охлаждающего воздуха.

Во внутренней полости, с целью организации течения охлаждающего воздуха, предусмотрены рёбра, перегородки и турбулизаторы.

На последующих сериях лопатка с полупетлевой схемой охлаждения заменяется лопаткой с циклонно-вихревой схемой охлаждения.

Во внутренней полости вдоль передней кромки выполнен канал, в котором, как в циклоне, формируется течение воздуха с закруткой. Закрутка воздуха происходит вследствие его тангенциального подвода в канал через отверстия перегородки.

Из канала воздух выбрасывается через отверстия (перфорацию) стенки лопатки на спинку лопатки. Этот воздух создаёт на поверхности защитную плёнку.

В центральной части лопатки на внутренних поверхностях выполнены каналы, оси которых пересекаются. В каналах формируется турбулуизированное течение воздуха. Турбулизация струи воздуха и увеличение площади контакта обеспечивают увеличение эффективности теплообмена.

В районе выходной кромки выполнены турбулизаторы (перемычки) различной формы. Эти турбулизаторы интенсифицируют теплообмен, увеличивают прочность лопатки.

Профильная часть лопатки отделена от замка полкой и удлинённой ножкой. Полки лопаток, стыкуясь, образуют коническую оболочку, защищающую замковую часть лопатки от перегрева.

Удлинённая ножка, обеспечивая отдаление высокотемпературного газового потока от замка и диска, приводит к снижению количества тепла, передаваемого от профильной части к замку и диску. Кроме того, удлинённая ножка, обладая относительно низкой изгибной жёсткостью, обеспечивает снижения уровня вибрационных напряжений в профильной части лопатки.

Трёхзубый замок типа «Ёлочка» обеспечивает передачу радиальных нагрузок с лопаток на диск.

Зуб, выполненный в левой части замка, фиксирует лопатку от перемещения её по потоку, а паз совместно с элементами фиксации обеспечивает удержание лопатки от перемещения против потока.

На периферийной части пера, с целью облегчения приработки при касании о статор и, следовательно, предотвращения разрушения лопатки, на её торце сделана выборка

Для снижения уровня вибрационных напряжений в рабочих лопатках между ними под полками размещают демпферы, имеющие коробчатую конструкцию. При вращении ротора под действием центробежных сил демпферы прижимаются к внутренним поверхностям полок вибрирующих лопаток. За счёт трения в местах контакта двух соседних полок об один демпфер энергия колебаний лопаток будет рассеиваться, что и обеспечивает снижение уровня вибрационных напряжений в лопатках.

Диск турбины штампованный, с последующей механической обработкой. В периферийной части диска выполнены пазы типа «Ёлочка» для крепления 90 рабочих лопаток, канавки для размещения пластинчатых замков осевой фиксации лопаток и наклонные отверстия подвода воздуха, охлаждающего рабочие лопатки.

Воздух отбирается из ресивера, образованного двумя буртиками, левой боковой поверхностью диска и аппаратом закрутки. Под нижним буртиком размещены балансировочные грузы. На правой плоскости полотна диска выполнены буртик лабиринтного уплотнения и буртик, используемый при демонтаже диска. На ступенчатой части диска выполнены цилиндрические отверстия, под призонные болты, соединяющие вал, диск и цапфу ротора турбины.

Осевая фиксация рабочей лопатки осуществляется зубом с пластинчатым замком. Пластинчатый замок (один на две лопатки) вставляется в пазы лопаток в трёх местах диска, где сделаны вырезы, и разгоняется по всей окружности лопаточного венца. Пластинчатые замки, устанавливаемы в месте расположения вырезов в диске, имеют особую форму. Эти замки монтируются в деформированном состоянии, а после выпрямления входят в пазы лопаток. При выпрямлении пластинчатого замка лопатки поддерживают с противоположных торцов.

Балансировка ротора осуществляется грузиками, закрепляемыми в проточке буртика диска и зафиксированными в замке. Хвостик замка загибается на балансировочный грузик. Место отгиба контролируется на отсутствие трещин путём осмотра через лупу. Уравновешивание ротора можно выполнять перестановкой лопаток, допускается подрезка торцов грузов. Остаточный дисбаланс не более 25 гсм.

Диск с цапфой и валом КВД соединён призонными болтами. Головки болтов фиксируются от поворота пластинами, загибаемыми на срезы головок. От продольного перемещения болты удерживаются выступающими частями головок, входящих в кольцевой паз вала.

Цапфа обеспечивает опирание ротора на роликовый подшипник (межроторный подшипник).

Фланцем цапфа центрируется и соединяется с диском турбины. На наружных цилиндрических проточках цапфы размещении втулки лабиринтных уплотнений. Осевая и окружная фиксация лабиринтов осуществляется радиальными штифтами. Для предотвращения выпадения штифтов под воздействием центробежных сил после их запрессовки отверстия во втулках развальцовываются.

На наружной части хвостовика цапфы, ниже лабиринтов, размещено контактное уплотнение, зафиксированное корончатой гайкой. Гайка законтрена пластинчатым замком.

Внутри цапфы в цилиндрических поясках центрируется втулки контактного и лабиринтного уплотнений. Втулки удерживаются корончатой гайкой, ввернутой в резьбу цапфы. Гайка контрится отгибом усиков коронки в торцевые прорези цапфы.

В правой части внутренней полости цапфы размешено наружное кольцо роликового подшипника, удерживаемого корончатой гайкой, ввернутой в резьбу цапфы, которая контрится аналогичным образом.

Контактное уплотнение представляет собой пару, состоящую из стальных втулок и графитовых колец. Для гарантированного контактирования пар между графитовыми кольцами размещены плоские пружины. Между стальными втулками размещают дистанционную втулку, предотвращающую пережатие торцевого контактного уплотнения.

Статор турбины высокого давления

Статор турбины высокого давления состоит из наружного кольца, блоков сопловых лопаток, внутреннего кольца, аппаратом закрутки, уплотнения со вставками ТВД.

Наружное кольцо- цилиндрическая оболочка с фланцем. Кольцо расположено между корпусом камеры сгорания и корпусом ТНД.

В средней части наружного кольца выполнена проточка, по которой отцентрирована разделительная перегородка теплообменника.

В левой части наружного кольца на винтах присоединено кольцо верхнее, являющееся опорой жаровой трубы камеры сгорания и обеспечивающая подвод охлаждающего воздуха на обдув наружных полок лопаток соплового аппарата.

В правой части наружного кольца устанавливается уплотнение. Уплотнение состоит из кольцевой проставки с экранами, 36 секторных вставок ТВД и секторов крепления вставок ТВД на проставку.

На внутреннем диаметре вставок ТВД выполнена кольцевая нарезка, для уменьшения площади поверхности при касании рабочих лопаток ТВД для предотвращения перегрева периферийной части рабочих лопаток.

Уплотнение крепится на наружном кольце при помощи штифтов, в которых выполнены сверления. Через эти сверления на вставки ТВД подается охлаждающий воздух.

Через отверстия во вставках охлаждающий воздух выбрасывается в радиальный зазор между вставками и рабочими лопатками.

Для уменьшения перетекания горячего газа между вставками установлены пластины.

При сборке уплотнения вставки ТВД крепятся на проставке секторами при помощи штифтов. Такое крепление позволяет вставкам ТВД перемещаться относительно друг друга и проставки при нагреве в процессе работы.

Лопатки соплового аппарата объединены в 14 трехлопаточных блоков. Лопаточные блоки литые, со вставными и припаянными в двух местах дефлекторами с припаянной нижней крышкой с цапфой. Литая конструкция блоков, обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность углов установки лопаток, снижение утечек воздуха и, следовательно, повышение КПД турбины, кроме того, такая конструкция более технологична.

Внутренняя полость лопатки перегородкой разделена на два отсека. В каждом отсеке размещены дефлекторы с отверстиями, обеспечивающими струйное натекание охлаждающего воздуха на внутренние стенки лопатки. На входных кромках лопаток выполнена перфорация.

В верхней полке блока выполнении 6 резьбовых отверстий, в которые вворачиваются винты крепления блоков сопловых аппаратов к наружному кольцу.

Нижняя полка каждого блока лопаток имеет цапфу, по которой через втулку центрируется внутренне кольцо.

Профиль пера с прилегающими поверхностями полок алюмосилицируется. Толщина покрытия 0,02-0,08 мм.

Для снижения перетекания газа между блоками, их стыки уплотнены пластинами, вставленными в прорези торцов блоков. Канавки в торцах блоков выполняются электроэрозионным способом.

Внутреннее кольцо выполнено в виде оболочки с втулками и фланцами, к которой приварена коническая диафрагма.

На левом фланце внутреннего кольца винтами присоединено кольцо, на которое опирается жаровая труба и через которое обеспечивается подвод воздуха, обдувающего внутренние полки лопаток соплового аппарата.

В правом фланце винтами закреплен аппарат закрутки, представляющий собой сварную оболочечную конструкцию. Аппарат закрутки предназначен для подачи и охлаждения воздуха, идущего к рабочим лопаткам за счет разгона и закрутки по направлению вращения турбины. Для повышения жесткости внутренней оболочки к ней приварены три подкрепляющих профиля.

Разгон и закрутка охлаждающего воздуха происходят в сужающейся части аппарата закрутки.

Разгон воздуха обеспечивает снижение температуры воздуха, идущего на охлаждение рабочих лопаток.

Закрутка воздуха обеспечивает выравнивание окружной составляющей скорости воздуха и окружной скорости диска.

Конструкция турбины низкого давления

Турбина низкого давления (ТНД) предназначена для привода компрессора низкого давления (КНД). Конструктивно состоит из ротора ТНД, статора ТНД и опоры ТНД.

Ротор турбины низкого давления

Ротор турбины низкого давления состоит из диска ТНД с рабочими лопатками, закреплёнными на диске, напорного диска, цапфы и вала.

Рабочая лопатка - литая, охлаждаемая с радиальным течением охлаждающего воздуха.

Во внутренней полости размещено 11 рядов по 5 штук в каждом цилиндрических штырьков - турбулизаторов, соединяющих спинку и корыто лопатки.

Периферийная бандажная полка обеспечивает уменьшение радиального зазора, что ведёт к повышению КПД турбины.

За счёт трения контактных поверхностей бандажных полок соседних рабочих лопаток происходит снижение уровня вибрационных напряжений.

Профильная часть лопатки отделена от замковой части полкой, формирующей границу газового потока и защищающую диск от перегрева.

Лопатка имеет замок типа «ёлочка».

Отливка лопатки выполняется по выплавляемым моделям с поверхностным, модифицированием алюминатом кобальта, улучшающим структуру материала измельчением зёрен за счёт формирования центров кристаллизации на поверхности лопатки.

Наружные поверхности пера, бандажной и замковой полок с целью повышения жаростойкости подвергаются шликерному алюмосицилированию с толщиной покрытия 0,02-0,04.

Для осевой фиксации лопаток от перемещения против потока на ней выполнен зуб, упирающийся в обод диска.

Для осевой фиксации лопатки от перемещения по потоку в замковой части лопатки в районе полки выполнен паз, в который входит разрезное кольцо с замком, удерживаемое от осевого перемещения буртиком диска. При монтаже кольцо за счёт наличия выреза, обжимается и вводится в пазы лопаток, а бурт диска входит в паз кольца.

Закрепление разрезного кольца в рабочем состоянии выполнено замком с фиксаторами, отгибаемыми на замок и проходящими через отверстия в замке и прорези в буртике диска.

Диск турбины - штампованный, с последующей механической обработкой. В периферийной зоне для размещения лопаток выполнены пазы типа «Ёлочка» и наклонные отверстия подвода охлаждающего воздуха.

На полотне диска выполнены кольцевые буртики, на которых размещены крышки лабиринтов и напорный диск-лабиринт. Фиксация этих деталей осуществлена штифтами. Для предотвращения выпадения штифтов отверстия развальцовываются.

Напорный диск, имеющий лопатки, нужен для поджатия воздуха, поступающего на охлаждение лопаток турбины. Для балансировки ротора на напорном диске закреплены пластинчатыми фиксаторами балансировочные грузы.

На ступице диска также выполнены кольцевые буртики. На левом буртики установлены крышки лабиринтов, на правом буртике устанавливается цапфа.

Цапфа предназначена для опирания ротора низкого давления на роликовый подшипник и передачи крутящего момента от диска на вал.

Для соединения диска с цапфой на ней в периферийной части выполнен вильчатый фланец, по которому осуществляется центрирование. Кроме того, центрирование и передача нагрузок идут по радиальным штифтам, удерживаемым от выпадения лабиринтом.

На цапфе ТНД также закреплено кольцо лабиринтного уплотнения.

На периферийной цилиндрической части цапфы справа размещено торцевое контактное уплотнение, а слева - втулка радиально-торцевого контактного уплотнения. Втулка отцентрирована по цилиндрической части цапфы, в осевом направлении зафиксирована отгибкой гребешка.

В левой части цапфы на цилиндрической поверхности размещены втулки подвода масла к подшипнику, внутреннее кольцо подшипника и детали уплотнения. Пакет этих деталей стянут корончатой гайкой, законтренной пластинчатым замком. На внутренней поверхности цапфы выполнены шлицы, обеспечивающие передачу крутящего момента от цапфы на вал. В теле цапфы выполнены отверстия подвода масла к подшипникам.

В правой части цапфы, на внешней проточке, гайкой закреплено внутреннее кольцо роликового подшипника опоры турбины. Корончатая гайка законтрена пластинчатым замком.

Вал турбины низкого давления состоит из 3-х частей, соединённых друг с другом радиальными штифтами. Правая часть вала своими шлицами входит в ответные шлицы цапфы, получая от неё крутящий момент.

Осевые силы с цапфы на вал передаются гайкой, навёрнутой на резьбовой хвостовик вала. Гайка законтрена от отворачивания шлицевой втулкой. Торцевые шлицы втулки входят в торцевые прорези вала, а шлицы на цилиндрической части втулки входят в продольные шлицы гайки. В осевом направлении шлицевая втулка зафиксирована регулировочным и разрезным кольцами.

На наружной поверхности правой части вала радиальными штифтами закреплён лабиринт. На внутренней поверхности вала радиальными штифтами закреплена шлицевая втулка привода насоса откачки масла от опоры турбины.

В левой части вала выполнены шлицы, передающие крутящий момент на рессору и далее на ротор компрессора низкого давления. На внутренней поверхности левой части вала нарезана резьба, в которую ввёрнута гайка, законтренная осевым штифтом. В гайку вворачивается болт, стягивающий ротор компрессора низкого давления и ротор турбины низкого давления.

На наружной поверхности левой части вала размещено радиально-торцевое контактное уплотнение, дистанционная втулка и роликовый подшипник конической шестерни. Все эти детали стянуты корончатой гайкой.

Составная конструкция вала позволяет повысить его жёсткость за счёт увеличенного диаметра средней части, а также снизить вес - средняя часть вала выполнена из титанового сплава.

Статор турбины низкого давления

Статор состоит наружного корпуса, блоков лопаток соплового аппарата, внутреннего корпуса.

Наружный корпус - сварная конструкция, состоящая из конической оболочки и фланцев, по которым корпус стыкуется с корпусом турбины высокого давления и корпусом опоры. Снаружи к корпусу приварен экран, образующий канал подвода охлаждающего воздуха. Внутри выполнены буртики, по которым центрируется сопловой аппарат.

В районе правого фланца установлен буртик, на котором установлены и радиальными штифтами зафиксированы вставки ТНД с сотами.

Лопатки соплового аппарата с целью увеличения жесткости в одиннадцать трехлапаточных блоков.

Каждая лопатка - литая, пустотелая, охлаждаемая с внутренними дефлекторами. Перо, наружная и внутренние полки образуют проточную часть. Наружные полки лопатки имеют буртики, которыми они центрируются по проточкам наружного корпуса.

Осевая фиксация блоков сопловых лопаток осуществляется разрезным кольцом. Окружная фиксация лопаток осуществляется выступами корпуса, входящими в прорези, выполненные в наружных полках.

Наружная поверхность полок и профильной части лопаток с целью повышения жаростойкости алюмосицилируется. Толщина защитного слоя 0,02-0,08 мм.

Для снижения перетекания газа между блоками лопаток в прорези устанавливаются уплотнительные пластины.

Внутренние полки лопаток оканчиваются сферическими цапфами, по которым центрируется внутренний корпус, представляющий сварную конструкцию.

В ребрах внутреннего корпуса выполнены проточки, которые с радиальным зазором входят в гребешки внутренних полок сопловых лопаток. Этот радиальный зазор обеспечивает свободу теплового расширения лопаток.

Опора турбины НД

Опора турбины состоит из корпуса опоры и корпуса подшипника.

Корпус опоры представляет собой сварную конструкцию, состоящую из оболочек, соединенных стойками. Стойки и оболочки защищены от газового потока клепаными экранами. На фланцах внутренней оболочки опоры закреплены конические диафрагмы, поддерживающие корпус подшипника. На этих фланцах слева закреплена втулка лабиринтного уплотнения, а справа - экран, защищающий опору от газового потока.

На фланцах корпуса подшипника слева закреплена втулка контактного уплотнения. Справа винтами закреплены крышка масляной полости и теплозащитный экран.

Во внутренней расточке корпуса помещен роликовый подшипник. Между корпусом и наружным кольцом подшипника находятся упругое кольцо и втулки. В кольце выполнены радиальные отверстия, через которые при колебаниях роторов прокачивается масло, на что рассеивается энергия.

Осевая фиксация колец осуществляется крышкой, притянутой к опоре подшипника винтами. В полости под теплозащитным экраном размещен откачивающий масляный насос и форсунки масляной с трубопроводами. В корпусе подшипника выполнены отверстия, подводящие масло к демпферу и форсунками.

Охлаждение турбины

Система охлаждения турбины - воздушная, открытая, регулируемая за счет дискретного изменения расхода воздуха, идущего через воздухо-воздушный теплообменник.

Входные кромки лопаток соплового аппарата турбины высокого давления имеют конвективно-пленочное охлаждение вторичным воздухом. Вторичным же воздухом охлаждаются полки этого соплового аппарата.

Задние полоски лопаток СА, диск и рабочие лопатки ТНД, корпуса турбин, лопатки СА турбины вентилятора и ее диск с левой стороны охлаждаются воздухом, проходящим через воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ).

Вторичный воздух через отверстия в корпусе камеры сгорания поступают в теплообменник, там охлаждаются на - 150-220 К и через клапанный аппарат идет на охлаждение деталей турбин.

Воздух второго контура через стойки опоры и отверстия подводится к напорному диску, который, увеличивая давление, обеспечивает подачу его в рабочие лопатки ТНД.

Корпус турбины снаружи охлаждается воздухом второго контура, а изнутри - воздухом из ВВТ.

Охлаждение турбины осуществляется на всех режимах работы двигателя. Схема охлаждения турбины представлена на рис 1.1.

Силовые потоки в турбине

Инерционные силы с рабочих лопаток через замки типа «Ёлочка» передаются на диск и нагружают его. Неуравновешенные инерционные силы облопаченных дисков через призонные болты на роторе ТВД и через центрирующие буртики и радиальные штифты на роторе ТВД передаются на вал и цапфы, опирающиеся на подшипники. С подшипников радиальные нагрузки передаются на детали статора.

Осевые составляющие газовых сил, возникающих на рабочих лопатках ТВД, за счет сил трения по поверхностям контактов в замке и упором «зубом» лопатки в диск передаются на диск. На диске эти силы суммируются с осевыми силами, возникающими из-за перепада давления на нем и через призонные болты передаются на вал. Призонные болты от этой силы работают на растяжение. Осевая сила ротора турбины суммируется с осевой.

Наружный контур

Наружный контур предназначен для перепуска за ТНД части потока воздуха, сжатого в КНД.

Конструктивно наружный контур представляет собой два (передний и задний) профилированных корпуса, являющихся внешней оболочкой изделия и используемых также для крепления коммуникаций и агрегатов. Корпуса наружного корпуса изготовлены из титанового сплава. Корпус входит в силовую схему изделия, воспринимает крутящий момент роторов и частично вес внутреннего контура, а также усилия перегрузок при эволюциях объекта.

Передний корпус наружного контура имеет горизонтальный разъем для обеспечения доступа к КВД, КС и турбине.

Профилирование проточной части наружного контура обеспечено установкой в переднем корпусе наружного контура внутреннего экрана, связанного с ним радиальным стрингерами, одновременно являющимися и ребрами жесткости переднего корпуса.

Задний корпус наружного контура представляет собой цилиндрическую оболочку, ограниченную передним и задним фланцами. На заднем корпусе с внешней стороны расположены стрингера жесткости. На корпусах наружного корпуса расположены фланцы:

· Для отбора воздуха их внутреннего контура изделия за 4 и 7 ступенями КВД, а также из канала наружного контура для нужд объекта;

· Для запальных устройств КС;

· Для окон осмотра лопаток КВД, окон осмотра КС и окон осмотра турбины;

· Для коммуникаций подвода и отвода масла к опоре турбины, суфлировании воздушной и масляной полости задней опоры;

· Отбора воздуха в пневмоцилиндры реактивного сопла (РС);

· Для крепления рычага обратной связи системы управления НА КВД;

· Для коммуникаций подвода топлива в КС, а также для коммуникаций отбора воздуха за КВД в топливную систему изделия.

На корпусе наружного контура также спроектированы бобышки для крепления:

· Распределителя топлива; топливо-масляных теплообмнников маслобака;

· Топливного фильтра;

· Редуктора автоматики КНД;

· Сливного бачка;

· Агрегата зажигания, коммуникаций систем запуска ФК;

· Шпангоуты с узлами крепления регулятора сопла и форсажа (РСФ).

В проточной части наружного контура установлены двухшарнирные элементы коммуникаций системы изделия, компенсирующие температурные расширения в осевом направлении корпусов наружного и внутреннего контуров при работе изделия. Расширение корпусов в радиальном направлении компенсируется перемешением двухшарнирных элементов, конструктивно выполненных по схеме «поршень-цилиндр».

2. Расчет на прочность диска рабочего колеса турбины

2.1 Расчетная схема и исходные данные

Графическое изображение диска рабочего колеса ТВД и расчетной модели диска показаны на рис.2.1.Геометрические размеры представлены в таблице 2.1. Детальный расчет представлен в Приложении 1.

Таблица 2.1

Сечение i

n - число оборотов диска на расчетном режиме равно 12430 об/мин. Диск выполнен из материала ЭП742-ИД. Температура по радиусу диска непостоянна. - лопаточная (контурная) нагрузка, имитирующая действие на диск центробежных сил лопаток и их замковых соединений (хвостовиков лопаток и выступов диска) на расчетном режиме.

Характеристики материала диска (плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения, длительная прочность). При вводе характеристик материалов рекомендуется воспользоваться готовыми данными из включенного в программу архива материалов.

Расчет контурной нагрузки производится по формуле:

Сумма центробежных сил перьев лопаток,

Сумма центробежных сил замковых соединений (хвостовиков лопаток и выступов дисков),

Площадь периферийной цилиндрической поверхности диска, через которую передаются на диск центробежные силы и:

Силы, рассчитываются по формулам

z- число лопаток,

Площадь корневого сечения пера лопатки,

Напряжение в корневом сечении пера лопатки, создаваемое центробежными силами. Расчет этого напряжения был произведен в разделе 2.

Масса кольца, образованного замковыми соединениями лопаток с диском,

Радиус инерции кольца замковых соединений,

щ - угловая скорость вращения диска на расчетном режиме, рассчитываемая через обороты следующим образом: ,

Масса кольца и радиус рассчитываются по формулам:

Площадь периферийной цилиндрической поверхности диска рассчитывается по формуле 4.2.

Подставляя исходные данные в формулу для указанных выше параметров, получим:

Расчет диска на прочность производится по программе DI.EXE, имеющаяся в компьютерном классе 203 кафедры.

Следует иметь ввиду, что геометрические размеры диска (радиусы и толщины) вводятся в программу DI.EXE в сантиметрах, а контурная нагрузка - в (перевод).

2.2 Результаты расчета

Результаты расчета представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

В первых столбцах таблицы 2.2 представлены исходные данные по геометрии диска и распределению температуры по радиусу диска. В столбцах 5-9 представлены результаты расчета: напряжения радиальные (рад.) и окружные (окр.), запасы по эквивалентному напряжению (экв. напр.) и разрушающим оборотам (цил. сеч.), а также удлинения диска под действием центробежных сил и температурных расширениях на разных радиусах.

Наименьший запас прочности по эквивалентному напряжению получен в основании диска. Допустимое значение . Условие прочностивыполняется.

Наименьший запас прочности по разрушающим оборотам получен так же в основании диска. Допускаемое значение . Условие прочностивыполняется.

Рис. 2.2 Распределение напряжения (рад. и окр.) по радиусу диска

Рис. 2.3 Распределение запаса прочности (запасы по эквив. напряжению) по радиусу диска

Рис. 2.4 Распределение запаса прочности по разрушающим оборотам

Рис. 2.5 Распределение температуры, напряжения (рад. и окр.) по радиусу диска

Литература

1. Хронин Д.В., Вьюнов С.А. и др. «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей». - М, Машиностроение, 1989.

2. «Газотурбинные двигатели», А.А. Иноземцев, В.Л. Сандрацкий, ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 2006г.

3. Лебедев С.Г. Курсовой проект по дисциплине «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», - М, МАИ, 2009.

4. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения. Справочник. - М, Машиностроение, 1992.

5. Программа DISK-MAI, разработанная на кафедре 203 МАИ, 1993.

6. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. «Газотурбинные двигатели. Динамика и прочность авиационных двигателей и энергетических установок». - М, Машиностроение, 2007.

7. ГОСТ 2.105 - 95.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Термогазодинамический расчет двигателя, выбор и обоснование параметров. Согласование параметров компрессора и турбины. Газодинамический расчет турбины и профилирование лопаток РК первой ступени турбины на ЭВМ. Расчет замка лопатки турбины на прочность.

дипломная работа , добавлен 12.03.2012


Термогазодинамический расчет двигателя. Согласование работы компрессора и турбины. Газодинамический расчет осевой турбины на ЭВМ. Профилирование рабочих лопаток турбины высокого давления. Описание конструкции двигателя, расчет на прочность диска турбины.

дипломная работа , добавлен 22.01.2012


Термогазадинамический расчет двигателя, профилирование лопаток рабочих колес первой ступени турбины. Газодинамический расчет турбины ТРДД и разработка ее конструкции. Разработка плана обработки конической шестерни. Анализ экономичности двигателя.

дипломная работа , добавлен 22.01.2012


Проектирование проточной части авиационного газотурбинного двигателя. Расчёт на прочность рабочей лопатки, диска турбины, узла крепления и камеры сгорания. Технологический процесс изготовления фланца, описание и подсчет режимов обработки для операций.

дипломная работа , добавлен 22.01.2012


Описание конструкции двигателя. Термогазодинамический расчет турбореактивного двухконтурного двигателя. Расчет на прочность и устойчивость диска компрессора, корпусов камеры сгорания и замка лопатки первой ступени компрессора высокого давления.

курсовая работа , добавлен 08.03.2011


Расчет на длительную статическую прочность элементов авиационного турбореактивного двигателя р-95Ш. Расчет рабочей лопатки и диска первой ступени компрессора низкого давления на прочность. Обоснование конструкции на основании патентного исследования.

курсовая работа , добавлен 07.08.2013


Проектирование рабочего процесса газотурбинных двигателей и особенности газодинамического расчета узлов: компрессора и турбины. Элементы термогазодинамического расчета двухвального термореактивного двигателя. Компрессоры высокого и низкого давления.

контрольная работа , добавлен 24.12.2010


Расчет на прочность элементов первой ступени компрессора высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков для боевого истребителя. Расчет припусков на обработку для наружных, внутренних и торцевых поверхностей вращения.

дипломная работа , добавлен 07.06.2012


Согласование параметров компрессора и турбины и ее газодинамический расчет на ЭВМ. Профилирование лопатки рабочего колеса и расчет его на прочность. Схема процесса, проведение токарной, фрезерной и сверлильной операций, анализ экономичности двигателя.

дипломная работа , добавлен 08.03.2011


Определение работы расширения (располагаемый теплоперепад в турбине). Расчет процесса в сопловом аппарате, относительная скорость при входе в РЛ. Расчет на прочность хвостовика, изгиб зуба. Описание турбины приводного ГТД, выбор материала деталей.