Глава 12 - Системы ГТД

12.5 - Воздушные системы ГТД

Среди систем обеспечивающих функционирование ГТД (в том числе на объекте применения) есть ряд систем и устройств, работающих на отбираемом из газовоздушного тракта (ГВТ) воздухе, энергия которого в последующем полностью или частично не используется для создания тяги или мощности ГТД [12.5.9.1]. Совокупность этих устройств и протекающих в них потоков образуют воздушную систему (ВС) ГТД, часто называемую системой вторичных воздушных потоков. При этом потоки называют вторичными потоками (ВП)*, а сам воздух – вторичным воздухом (ВВ).

12.5.1 - Функции ВС

ВС обеспечивают:

-охлаждение деталей «горячей» части двигателя, в том числе корпусов компрессора, турбины

âсистемах управления радиальными зазорами; элементов подшипниковых опор; масла, циркулирующего в маслосистеме двигателя; агрегатов, коммуникаций и др.

-наддув уплотнений масляных полостей подшипниковых опор; полостей, формирующих оптимальные для работы радиально-упорных подшипников осевые силы роторов;

-подогрев воздухозаборников, входных корпусов, лопаток ВНА (для защиты от обледенения); некоторых агрегатов, топлива, масла при низких температурах;

-отбор и подачу сжатого воздуха на нужды объектов применения ГТД; в воздушно - турбинные приводы генераторов, устройств запуска (стар- т¸ров), пневмоприводных исполнительных механизмов реверсивных устройств, регулируемых сопел, элементов механизации компрессора, агрегатов управления вторичными потоками и т.д..

На осуществление этих функций может расходоваться более пятой части воздуха, поступающего на вход в ГТД (для ТРДД - на вход во внутренний контур двигателя).

Пример построения схемы общей ВС авиационного ТРДД CFM56-5 представлен на Рис. 12.5.1_1. Как видно из рисунка, современные ТРДД имеют достаточно сложные и развитые общие ВС.

Нетрудно заметить, что ВС ГТД по существу состоит из разветвленной сети каналов, с протека-

ющим по этим каналам вторичным воздухом. Поэтому при анализе работы ВС (в частности, при гидравлическом расчете) ее часто представляют

âвиде графа, ветви которого соответствуют характерным частям каналов, а узлы – местам соединения отдельных каналов в единую систему.

На Рис. 12.5.1_2 показан фрагмент графа ВС ГТД. Каждый кружок означает полость в системе воздушных каналов, соединенную рядом гидравлических сопротивлений с соседними полостями. Двойными кружками обозначены конечные элементы гидравлической сети (полости, в которые сбрасывается вторичный воздух, в данном случае - проточная часть двигателя). Двойными кружками на графах ВС обозначаются также и источники подводимого в ВС вторичного воздуха.

Для удобства анализа общие ВС часто рассматриваются как совокупность взаимодействующих между собой и с окружающей средой локальных ВС. В качестве локальных ВС могут быть выделены, например, система охлаждения турбины, система наддува и охлаждения опор (фрагменты этих систем, в частности, представлены на Рис. 12.5.1_2), а также система активного управления радиальными зазорами (САУРЗ), противообледенительная система (ПОС), система кондиционирования воздуха (СКВ) самол¸та и др. Граф общей ВС в этом случае также может быть представлен в виде совокупности графов соответствующих локальных ВС или даже отдельных их отдельных частей. Пример построения графа локальной ВС охлаждения турбины, а также его использования для гидравлического расчета представлен в разделе 8.3.3.

На Рис. 12.5.1_3 изображен пример схемы ВС условного ГТД, состоящей из трех ВП различного назначения, а именно:

-ВП «А» - предназначенного для охлаждения соплового аппарата турбины;

-ВП «Б» - системы отбора воздуха на нужды объекта применения (в кабину самол¸та);

-ВП «В» - предназначенного для обогрева лопаток ВНА с целью их защиты от обледенения.

-ВВ потока «А», проходит по каналам в лопатках, подогревается и поступает в ГВТ, где смешивается с основным воздухом и уже в составе основного потока газа продолжает движение до выхода из реактивного сопла, тем самым участвуя

âсоздании тяги или мощности двигателя и частич-

* - Вторичные потоки не следует смешивать с вторичными течениями, например, в межлопаточных каналах компрессора, турбины [12.5.9.2].

- К вторичным потокам не относятся различного рода утечки, которые могут иметь место в соединениях элементов конструкции ГТД (стыках и сопряжениях корпусных и роторных деталей, соединениях трубопроводов и т.д.).

812

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.5.1_1 - Схема воздушной системы авиационного ТРДД CFM56-5

813

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.5.1_2 - Фрагмент графа ВС ГТД

Рисунок 12.5.1_3 - Схема ВС ГТД А - ВП на охлаждение СА турби-

ны; Б- ВП на обогрев ВНА; В- ВП на нужды объекта применения

но компенсируя связанные с его отбором потери. ВВ потока «Б», проходя через соответствующие системы самолета, отводится в атмосферу. Энергия этого воздуха более не используется в создании тяги или мощности двигателя. ВВ потока «В», проходя через каналы в лопатках ВНА, также как и воздух потока «А» поступает в ГВТ. Однако, являясь условно «замкнутым» потоком, он не только не участвует в создании тяги или мощности двигателя, но и, подогревая поток основного воздуха на входе в компрессор, в какойто мере увеличивает работу сжатия. Таким образом, с точки зрения уровня относительных потерь в цикле, связанных с от-

бором воздуха в ВС, поток «А» является менее «энергетически вредным», а поток «В» - наиболее «энергетически вредным» ВП.

12.5.2 - Основные требования к ВС

Основные требования к ВС с одной стороны обусловлены их назначением, с другой – необходимостью обеспечения минимально возможного ухудшения характеристик основных узлов и ГТД в целом, связанных с работой этих систем. Эти требования сводятся к следующему:

1. ВС ГТД должна обеспечивать локальные ВС воздухом в количестве и с параметрами необходимыми для их надежного функционирования во всех ожидаемых условиях эксплуатации.

Если параметры воздуха, которые имеются за ступенями компрессора, на некоторых режимах не совпадают с потребными, применяется переклю- чение ступеней в зависимости от режима работы двигателя, а также условий полета.

Например, в условиях снижения самолета потребный расход на СКВ кабины не отличается от расхода, потребного на режимах взлета, снижения или крейсерского полета, в то время как давление воздуха на фланце отбора двигателя может быть существенно отличным и недостаточным для нормальной работы системы. В этом случае предусматривается переход на другую более высокую ступень компрессора. То же самое можно сказать и относительно работы ПОС. Ступень отбора выбирается исходя из минимально возможных потерь эффективности двигателя. При этом для выбора ступени отбора руководствуются возможностью обеспечения ступенью, прежде всего, требуемого уровня давления воздуха (при заданном расходе) на определяющем режиме работы двигателя. Например, для магистрального самолета таким режимом может являться режим крейсерского полета. На режимах где потребное давление превышает максимально возможное, которое может обеспечить данная ступень, применяется переключение отбора на более высокую ступень. Для систем охлаждения турбины высокого давления с целью повышения экономичности двигателя может применяться ограничение расхода воздуха на режимах крейсерского полета. С этой же целью на крейсерском режиме может вклю- чаться также САУРЗ. ПОС может включаться при условиях обледенения в любой фазе полетного цикла. Таким образом, в различных условиях от одной и той же ступени компрессора может отбираться существенно разное количество возду-

814