CC BY
93
УДК 621.431.75
О КОНСТРУКТИВНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ МАСЛЯНЫХ ПОЛОСТЕЙ ОПОР ТУРБИН ТРЁХВАЛЬНОГО ТРДД
© 2012 А. Г. Петрухин, А. А. Боев, С. В. Бутылкин
Открытое акционерное общество «КУЗНЕЦОВ», г. Самара
Рассмотрены вопросы обеспечения тепловой защиты масляных полостей опор турбин трёхвальных ТРДД. Приведены преимущества и недостатки двигателей с трёхвальной схемой. Предложены возможные конструктивные решения тепловой защиты масляных полостей опор турбины.
Теплонапряжённость, тепловая защита опор турбины, температурные ограничения масел, трёхеалъ-ные двигатели.
Одной из важных тенденций развития авиадвигателестроения является снижение удельного расхода топлива. У созданных двигателей последнего поколения с этим связано увеличение степени сжатия в компрессоре, повышение температуры газов перед турбиной, а также усложнение кинематических схем. Так как для увеличения степени сжатия в компрессоре необходимо вводить дополнительные ступени и повышать обороты ротора, то при этом возникает вопрос обеспечения газодинамической устойчивости компрессора. Одним из вариантов решения этого вопроса является применение многовальной конструкции газогенератора. Многие авиадвигателестроительные фирмы используют двухвальные конструкции (General Electric, Pratt&Whitney, Snecma, ОАО «Авиадвигатель»), но более перспективными представляются трёхвальные двигатели (Rolls-Royce, ОАО «КУЗНЕЦОВ», ГП «Ив-ченко-Прогресс»),
Как известно, двигатели с трёхвальной схемой обладают рядом преимуществ:
• обеспечивается сравнительно лёгкий запуск за счёт малой инерционности каскада турбокомпрессора высокого давления;
• данная схема позволяет сократить количество ступеней в компрессоре и соответственно уменьшить его длину;
• уменьшение диаметра мотогондолы и сокращение длины двигателя позволяют снизить его внешнее аэродинамическое сопротивление;
• достигается существенно более низкий расход топлива на режиме «малый газ»;
• возможно обеспечение требуемой газодинамической устойчивости без применения средств механизации;
• может быть обеспечена более высокая жёсткость коротких роторов и стабильность радиальных зазоров в эксплуатации.
Однако при этом существенным недостатком всех созданных трёхвальных двигателей является увеличение числа опор роторов и уплотнений валов. Особо следует отметить, что во всех созданных конструкциях опор турбин трёхвальных двигателей присутствует межкаскадная опора турбины. Это влечёт за собой необходимость в соответствующем сопловом аппарате турбины выполнять полыми его лопатки для возможности прокладки в них коммуникаций масляной системы и системы суфлирования. Это негативно сказывается на обеспечении надёжной работы масляной системы и системы суфлирования.
Турбина является одним из самых теплонапряжённых узлов газотурбинного двигателя. Так, например, у современных двигателей величины температуры в проточной части за первой ступенью достигают 1350К, а за второй - 1100К. Расположение коммуникаций масляной системы в данных условиях требует наличия их эффективной тепловой защиты. Это связано с тем, что за последние три десятилетия теплонапряжённость авиационных двигателей значительно возросла. В частности, температура газов перед турби-
ной увеличилась на 350-400 К. В то же время в качестве рабочей жидкости в масляных системах двигателей вынуждены по-прежнему использовать созданные более 30 лет тому назад синтетические масла ИПМ-10 и ВНИИ НП 50-1-4у, так как новых масел в промышленном производстве не появилось. Указанные синтетические масла работоспособны при максимально допустимой температуре на выходе из двигателя до 200°С (кратковременно до 220°С), при этом допустимая температура стенок, омываемых маслами, 290°С [1].
Рассмотрим некоторые особенности конструкций турбин трёхвальных двигателей Д-36 [2] и НК-25.
В конструкции турбины двигателя Д-36 (рис.1) есть две отдельные опоры. Одна из них совмещена со вторым сопловым аппаратом и в ней установлены два роликовых подшипника. Вторая опора является концевой (установлена за турбиной) и в её корпусе размещен роликовый подшипник турбины вентилятора.
Рис. 1. Конструкция турбины двигателя Д-36
К подшипникам межкаскадной опоры подвод коммуникаций масляной системы произведён через полые лопатки второго соплового аппарата. Поскольку при работе двигателя эти лопатки омывает газ с температурой до 1300К, то, кроме тепловой изоляции труб подвода и слива масла, а также труб суфлирования, в конструкции предусмотрена продувка «холодным» воздухом внутренних полостей соответствующих сопловых лопаток. Этот же воздух, подводимый от четвёртой ступени компрессора НД
внешним трубопроводом в периферийную зону второго соплового аппарата, пройдя в радиальном направлении к корпусу подшипников, далее используется для наддува уплотнений масляной полости рассматриваемой опоры. Поскольку с этим воздухом соседствует более «горячий» (А7 ~ 150К) воздух, отбираемый от третьей ступени КВД (охлаждающий диски турбины), то неизбежно будет происходить его подмешивание к «холодному» воздуху, наддувающему уплотнения масляной полости. Опыт эксплуа-100
тации двигателя Д-36 показал, что рассматриваемая опора турбины отличается значительно более высокой теплонапряжённостью по сравнению с опорами других созданных ГТД, в том числе и трёхвальных. Об этом, в частности, свидетельствует содержащееся в руководстве по эксплуатации данного двигателя требование о необходимости замены масла в масляной системе через каждые 2400 часов наработки.
В трёхвальном двигателе НК-25 меж-каскадная опора турбины также расположена
в теплонапряжённой зоне (рис. 2). Контактные уплотнения масляной полости наддува-ют воздухом, отбираемым за восьмой ступенью компрессора. Причём к этому воздуху непрерывно происходит подмешивание более горячего воздуха, охлаждающего диски турбины. В данной опоре коммуникации масляной системы и системы суфлирования проходят через сопловые аппараты третьей ступени турбины, омываемые газом с высокой температурой.
Рис. 2. Конструкция турбины двигателя НК-25
Для решения данной проблемы специалистами ОАО «КУЗНЕЦОВ» была предложена конструктивно-силовая схема двигателя с ликвидацией межкаскадной опоры турбины, на которую был получен соответствующий патент [3]. В такой конструкции двигателя отсутствует межкаскадная опора турбины. Опорный подшипник ротора турбины высокого давления расположен перед её рабочим колесом. Подшипники двух оставшихся каскадов размещены в опоре, расположенной за турбиной. В предложенной конструкции трубопроводы масляной систе-
мы и системы суфлирования передней опоры турбины будут проложены в зоне диффузора камеры сгорания, а в задней опоре - через полые рёбра за турбиной (рис. 3). В зоне этих опор температура в газовоздушном тракте имеет умеренный уровень. При этом нет жёстких габаритных ограничений в размещении подшипников роторов. Геометрия профилей решётки сопловых аппаратов имеет меньшую относительную толщину и не зависит от коммуникаций масляной системы. Их конструктивные элементы не включены в силовую схему двигателя.
Рис. 3. Возможное размещение опор турбины трёхвального двигателя
Решение о ликвидации межкаскадной примера показано, как конструктивно оно опоры турбины трёхвального двигателя может быть реализовано (рис. 4, 5). представляется целесообразным. В качестве
Рис. 4. Возможное изменение размещения опор турбины
Рис. 5. Альтернативный вариант размещения опор турбины
Опора турбины ВД находится внутри корпуса камеры сгорания. Рабочее колесо турбины размещено консольно, ротор НД опирается на роликовый подшипник, связанный с наружным корпусом турбины. Ротор СД в первом случае опирается на меж-вальный подшипник по типу двигателя НК-8, а в альтернативном варианте - также на межвальный, как например, у двигателя СГМ-56-7.
В приведённых схемах предусмотрено автономное суфлирование масляной полости задней опоры турбины за счёт размещения центробежного суфлёра непосредственно внутри этой полости.
Следует отметить, что в представленных конструкциях может быть осуществлено рационально организованное охлаждение дисков турбины с использованием ряда потоков воздуха, отбираемого в нескольких
зонах компрессора с различными уровнями давления.
При этом система суфлирования масляных полостей двигателя раздельная.
Библиографический список
1. Трянов, А.Е. О тепловой защите масляных полостей опор создаваемых ГТД [Текст] / А.Е. Трянов, О.А. Гришанов, А.С. Виноградов // Вестн. СГАУ. - 2009. - №3. 4.1. - С. 318-328.
2. Киселев, Ю.В. Конструкция и техническая эксплуатация двигателя Д-36 [Текст]: учеб. пособие / Ю.В. Киселев, С.Н. Тиц -Самара: Самар, гос. аэрокосм. ун-т. - 2006. -90с.
3. Пат. 109223 Российская Федерация. Турбина трёхвального газотурбинного двигателя [Текст] / А.Е. Трянов, О. А. Гришанов, А. А. Боев, опубл. 10.10.2011. - Зс.
DESIGN SOLUTIONS ТО PROVIDE THERM AT, PROTECTION OF THREE-SHAFT TURBOFAN ENGINE TURBINE SUPPORT OIL CAVITIES
© 2012 A. G. Petrukhin, A. A. Boev, S. V. Butylkin JSC «KUZNETSOV», Samara
The paper presents design approach to providing thermal protection of three-shaft turbofan engine turbine support oil cavities. The advantages and disadvantages of three-shaft engines are described. Basing upon the performed analysis, there are offered the potential decisions for providing thermal protection of turbine support oil cavities.
Thermal factor, thermal protection of turbine supports, oil temperature limitations, three-shaft engine.
Информация об авторах
Петрухии Анатолий Геннадьевич, инженер-конструктор, Открытое акционерное общество «КУЗНЕЦОВ». E-mail: petruhin_t@mail.ru. Область научных интересов: конструкция и производство газотурбинных двигателей.
Боев Александр Алексеевич, инженер-конструктор, Открытое акционерное общество «КУЗНЕЦОВ». Область научных интересов: конструкция газотурбинных двигателей.
Бутылкин Сергей Викторович, инженер-конструктор, Открытое акционерное общество «КУЗНЕЦОВ». Область научных интересов: конструкция газотурбинных двигателей.
Petrukhin Anatoly Gennadyevich, design engineer, JSC «KUZNETSOV». E-mail: petru-hin_t@mail.ru. Area of Research: GTE designing and manufacturing.
Boev Alexander Alekseevich, design engineer, JSC «KUZNETSOV». Area of Research: design gas turbine engines.
Butylkin Sergei Viktorovich, design engineer, JSC «KUZNETSOV». Area of Research: design gas turbine engines.
