Глава 12 - Системы ГТД

ся и попытаемся проиллюстрировать качественноколичественные соотношения между давлениями

âполостях М и Н, при которых было бы обеспече- но выполнение второго условия. На гистограмме (см. Рис. 12.5.4.2.1_2а) столбцами соответствующего цвета в относительных величинах изобразим избыточные давления в полостях М и Н (избыточ- ное давление в масляной полости М принято равным 1 кгс/см2) на некотором режиме работы ГТД (пусть для определенности это будет максимальный режим работы двигателя). Здесь и в дальнейшем мы будем оперировать с избыточным давлением, если иное не будет оговорено особо. Со столбцом, изображающим давление в масляной полости М, свяжем шкалу перепадов Ш, на которой отрезками зеленого и красного цвета нанесем области, соответственно, допустимых и недопустимых перепадов давления между полостями Н и М. Отрезками желтого цвета изобразим области «риска», ограничивающие диапазон допустимых перепадов давления между полостями Н и М по соображениям обеспечения запаса на компенсацию различных факторов случайного характера, например, «забросов» давления в полостях на переменных режимах и т.п. В данном случае столбец, изображающий давление в воздушной полости Н на максимальном режиме работы находится в «зеленой» области шкалы перепадов Ш (т.е. в области допустимых значений перепада давления между полостями Н и М), что свидетельствует о соответствии параметров системы наддува требованиям по ограничению максимального перепада давления воздуха на лабиринтном уплотнении масляной полости.

Давления в сообщающихся полостях Н и М

âобщем случае зависят от режима работы двигателя, повышаясь с его увеличением и наоборот. Соответствующим образом будет вести себя и перепад давления между этими полостями. На Рис. 12.5.4.2.1_2 б приведена гистограмма давлений и перепадов на минимальном режиме работы двигателя. Видно, что столбец, изображающий давление в воздушной полости Н, на минимальном режиме работы также находится в «зеленой» области шкалы перепадов Ш, что свидетельствует о соответствии параметров системы наддува требованиям по ограничению в данном случае минимального перепада давления воздуха на лабиринтном уплотнении масляной полости.

Размеры областей допустимых перепадов давления между полостями Н и М зависят от типа уплотнения. Сравнительная качественная характеристика по диапазонам допустимых перепадов давления для различных типов уплотнений, которые

находят применение в конструкции опор ГТД, представлена на Рис. 12.5.4.2.1_3. Как видно из рисунка, торцовое уплотнение, работающее в режиме граничного трения, а также уплотнение типа «динамический гидрозатвор», в силу заложенных в них физических принципов работы, а также конструктивных особенностей, способны обеспечить достаточную герметизацию масляной полости даже при некотором «отрицательном» перепаде между воздушной и масляной полостями. (Вопросы, связанные с особенностями конструкции и принципами работы различных типов уплотнений достаточ- но подробно отражены в главе 18 и специальной литературе, например [12.5.9.11]).

12.5.4.2.2 - Типы ВС наддува и охлаждения опор

Напомним, что при построении схем систем наддува и охлаждения опор определяющими факторами являются:

-рабочее давление масловоздушной смеси

âмасляной полости опоры, обусловленное конструкцией маслосистемы,

-предельно-допустимая по характеристикам термостабильности масла температура воздуха, поступающего в масляные полости,

-предельно-допустимая по характеристикам термостабильности масла температура омываемых маслом поверхностей деталей опор,

-температура воздуха или газа в полости двигателя, в которой расположена опора, а также температура деталей, находящихся в непосредственной близости от опоры (дисков, валов, корпусов, силовых элементов и т.д.),

-давление воздуха или газа в полости двигателя, в которой расположена опора.

-тип уплотнения масляной полости, обусловленный конструкцией опоры.

Существуют три основных типа схем наддува и охлаждения отдельных опор ГТД:

Тип 1 - схема с наддувом уплотнений непосредственно из воздушной полости двигателя, в которой расположена опора (см. Рис. 12.5.4.2.2_1а).

Эта схема уже была рассмотрена выше (см. Рис. 12.5.4.2.1_1). Схема может применяться для неохлаждаемых «холодных» опор (т.е. для опор, расположенных в полостях, с температурой воздуха ниже предельно-допустимой по условиям термостабильности масла и при отсутствии находящихся в непосредственной близости от опоры «горячих» деталей) и только при условии обеспе- чения допустимого для принятого типа уплотнения диапазона перепадов давления.

824

ГТД Системы - 12 Глава

Рисунок 12.5.4.2.1_3 - Диапазоны допустимых перепадов давления для различных типов уплотнений масляных полостей опор ГТД:

а) щелевое лабиринтное уплотнение; б) щелевое уплотнение с «плавающим» кольцом; в) контактное торцовое гидродинамическое уплотнение; г) контактное торцовое уплотнение, работающее в режиме граничного трения; д) уплотнение типа «Динамический гидрозатвор»; 1 - уплотнительное кольцо; 2 – пружина; Рм - давление в масляной полости опоры (Рм = 1 кгс/см2); Р - давление в воздушной полости.

825

826	Глава
	ГТД Системы - 12

Рисунок 12.5.4.2.2_1 - Вторичные потоки и гистограммы перепадов давления на уплотнениях для различных схем построения систем наддува и охлаждения опор ГТД:

а) схема с наддувом непосредственно из смежной воздушной полости (Тип 1); б) схема с полостью наддува (Тип 2); в) схема с полостью наддува и дренажной полостью (Тип 3); Рм - давление в масляной полости опоры (Рм = 1 кгс/см2); Р - давление в воздушных полостях

Глава 12 - Системы ГТД

Тип 2 - схема с наддувом уплотнений из специально организованной т.н. полости наддува,

âкоторую подводится воздух с необходимыми для осуществления наддува уплотнений и охлаждения опоры параметрами (см. Рис. 12.5.4.2.2_1б). Воздух для этих целей отбирается от соответствующей ступени компрессора. При необходимости может производиться изменение параметров этого воздуха путем его дросселирования, охлаждения и т.п. Находят применение также схемы управления параметрами упомянутого воздуха способом переключения ступеней отбора. Эта схема может применяться как для неохлаждаемых, так и для охлаждаемых «горячих» опор при условии, что давление воздуха в полости двигателя, где располагается опора, меньше давления в масляной полости и в полости наддува. Давление воздуха в полости наддува, как и первом варианте, выбирается из условия обеспечения допустимого для принятого типа уплотнения диапазона перепадов давления. При этом температура и расход воздуха в полости наддува для охлаждаемых опор определяется из условий ограничения максимальной температуры омываемых маслом деталей опоры, а также ограничения максимальной температуры воздуха, поступающего в масляную полость.

Тип 3 - схема с наддувом уплотнений из полости наддува, в которую, как и в схеме второго типа, подводится воздух с параметрами, необходимыми для осуществления наддува уплотнений и охлаждения опоры, отличающаяся тем, что между полостью наддува и полостью двигателя, где располагается опора находится дополнительная, так называемая дренажная полость, в которой поддерживается давление, меньшее, чем в первых двух полостях (см. Рис. 12.5.4.2.2_1в). Дренажная полость обычно сообщается с областями пониженного давления, например, с каналом наружного контура ТРДД или с атмосферой. Эта схема может применяться как для неохлаждаемых, так и для охлаждаемых опор в случае, если давление воздуха в полости двигателя, где располагается опора, превышает давление воздуха в полости наддува. В авиационных ГТД эта схема применяется, как правило, только для охлаждаемых опор.

Для повышения надежности системы наддува кроме описанных выше могут находить применение также схемы, в которых между полостью наддува и масляной полостью вводится дополнительная, так называемая предмасляная полость, предназначенная для сбора и отвода утечек масла из масляной полости, которые могут иметь место

âэкстремальных условиях работы двигателей определенных типов. Описание этой схемы, а также

некоторые принципиальные вопросы построения схем систем наддува уплотнений и охлаждения опор авиационных ГТД представлены в [12.5.9.12], а также в других работах автора упомянутого источника.

12.5.4.2.3 - Построение общей схемы ВС наддува и охлаждения опор

Варианты построения общей схемы системы наддува и охлаждения опор ГТД рассмотрим на примере условного ТРДФ с параметрами в ГВТ, расчет которых приведен в [12.5.9.13]. Наш двигатель будет выполнен по одновальной схеме с трехопорным ротором турбокомпрессора (см. Рис. 12.5.4.2.3_1). (Следует отметить, что конструкции ГТД с подобным расположением опор существуют реально, например, газогенератор широко распространенного морского и промышленного ГТД LМ-2500.) Для упрощения примем количество ступеней компрессора равным трем, при этом будем полагать, что вторая ступень компрессора на нашей схеме будет обозна- чать произвольную промежуточную ступень. Расположение опор примем следующим: опора ¹1 - в полости перед ротором компрессора, опора ¹2 -

âполости между ротором компрессора и турбины, и, наконец, опора ¹3 - в полости за ротором турбины. Обозначим полости расположения этих опор соответственно П1, П2 и П3. Нанесем на схеме границы масляных полостей опор, обозначив эти полости М1, М2 и М3 соответственно.

Примем также, что:

-масляные полости всех опор будут сообщаться между собой через общую систему суфлирования, рабочее давление масловоздушной смеси в масляных полостях всех опор, обусловленное конструкцией маслосистемы, будет поддерживаться одинаковым и равным Ðì1 = Ðì2 = Ðì3 = 1 êãñ/ñì2,

-максимально-допустимая температура воздуха, поступающего в масляные полости опор по условиям термостабильности масла будет ограниче- на на уровне 250îÑ,

-в качестве уплотнений масляных полостей будут применены щелевые лабиринтные уплотнения.

Для того, чтобы приступить к построению общей схемы системы наддува и охлаждения опор необходимо, ориентируясь на параметры

âГВТ, расчет которых приведен в уже упоминавшемся источнике [12.5.9.13], а также на принятую нами схему двигателя, назначить параметры воздуха в полостях расположения опор. Назначе- ние упомянутых параметров произведем с определенными непринципиальными для дальнейших рассуждений допущениями:

827

Глава 12 - Системы ГТД

- давление и температуру воздуха в полости	Принятые нами выше давления в полостях
П1 примем приблизительно равными полным	в относительных величинах отобразим на гистог-
давлению и температуре на входе в двигатель	рамме (см. Рис. 12.5.4.2.3_1). Сопоставив давле-
(Ð*Ï1 ≈ 3 êãñ/ñì2, Ò*Ï1 ≈ 200îÑ),	ния в масляных полостях и в соответствующих воз-
- давление и температуру воздуха в полости	душных полостях двигателя, мы увидим, что
П2 (воздух из этой полости используется для ох-	наддув уплотнений воздухом, поступающим не-
лаждения диска турбины) примем с учетом запаса	посредственно из полости расположения опоры П1,
на преодоление потерь в полостях охлаждения,	возможен только для опоры ¹1. При этом, однако,
пусть Ð*Ï2 ≈ 10 êãñ/ñì2,	надо иметь ввиду, что на низких режимах работы
- температуру воздуха в полости П2 примем	двигателя давление в полости П1 может оказаться
приблизительно равной температуре в ГВТ в сече-	меньшим, чем давление в масляной полости М1 и,
нии за компрессором Ò*Ï2 ≈ 500îÑ,	следовательно, недостаточным для обеспечения
- давление воздуха в зоне полости П3 для пре-	наддува лабиринтного уплотнения. Наддув уплот-
дотвращения затекания газа из ГВТ в полость ро-	нений опор ¹2 и ¹3 воздухом из полостей П2 и П3
тора турбины должно быть несколько большим,	расположения опор не приемлем по причине не-
чем давление газа в сечении за турбиной; примем	допустимо высоких для лабиринтных уплотнений
Ð*Ï3 ≈ 6 êãñ/ñì2,	перепадов давления (см. Рис. 12.5.4.2.3_1). Воздух
- температура воздуха в полости П3 будет оп-	в полостях П2 и П3 имеет также и недопустимо вы-
ределяться подогревом воздуха, отбираемого от	сокую для обеспечения наддува температуру. Кро-
КВД на охлаждение диска турбины; примем	ме этого, опоры ¹2 и ¹3 расположены в горячих
Ò*Ï3 ≈ 700îÑ.	зонах двигателя и, следовательно, нуждаются в той
Примем также во внимание, что с задней сто-	или иной степени интенсивном охлаждении. При-
роны полость П3 примыкает к форсажной камере	няв во внимание изложенное, а также рассмотрен-
двигателя, где максимальная температура состав-	ные выше подходы к выбору схем наддува и ох-
ëÿåò 2000îÑ.	лаждения отдельных опор, выберем наиболее

Рисунок 12.5.4.2.3_1 - Схема расположения опор и давления в полостях условного ТРДФ Рм - давление в масляной полости опоры (Рм = 1 кгс/см2);

Р - давление в воздушных полостях

828

Глава 12 - Системы ГТД

приемлемую схему наддува и охлаждения для	вершенным (см. Рис. 12.5.4.2.3_2).
каждой опоры нашего двигателя. Очевидно, что	Примечание: Полость наддува и дренажная по-
для «холодной» опоры ¹1 (с учетом возможного	лость опоры ¹3, изображенные на Рис. 12.5.4.2.3_2,
разрежения на входе в двигатель и соответствен-	имеют большие размеры в сечении, чем соответ-
но в полости П1 на низких режимах работы)	ствующие полости опоры ¹2. Это связано с необ-
наиболее подходящей будет схема типа 2 (см.	ходимостью пропуска большего расхода воздуха по
Рис. 12.5.4.2.2_1б). Для «горячих» и, следователь-	указанным полостям опоры ¹3 для отвода очевид-
но, нуждающихся в охлаждении опор ¹2 и ¹3,	но существенно больших, чем у опоры ¹2 вне-
очевидно, будет необходимо выбрать схему типа 3	шних тепловых потоков.
(ñì. Ðèñ. 12.5.4.2.2_1â).	Отличительной чертой построенной нами си-
Воздух в полости наддува опор подведем из-	стемы является то, что давление в полостях над-
за первой ступени компрессора, где параметры	дува всех опор поддерживается примерно на оди-
â ÃÂÒ (ïðè Ð*ÑÒ ≈ 1,2) будут близки к требуемым	наковом и при этом на относительно низком
для обеспечения наддува охлаждения при задан-	уровне.
ных рабочем давлении в масляных полостях и ти-	Условно подобные системы можно отнести
пе уплотнений опор. При необходимости можно	к системам наддува и охлаждения опор, выполнен-
будет предпринять снижение давления этого воз-	ным по схеме с низким давлением в полостях над-
духа путем дросселирования в жиклере Ж. Дренаж-	дува. Вариант общего построения системы наддува
ные полости опор ¹2 и ¹3 сообщим с атмосфе-	и охлаждения опор авиационного ТРДД, выполнен-
рой и на этом будем считать построение системы	ной по схеме с низким давлением в буферных по-
наддува и охлаждения опор нашего двигателя за-	лостях опор приведен на Рис. 12.5.4.2.3_3.

Рисунок 12.5.4.2.3_2 - Система наддува и охлаждения опор условного ТРДФ с низким давлением в полостях наддува Рм - давление в масляной полости опоры (Рм = 1 кгс/см2); Р - давление в воздушных по-

лостях

829

830	Глава
	ГТД Системы - 12

Рисунок 12.5.4.2.3_3 - Система наддува и охлаждения опор ТРДД с низким давлением в полостях наддува (Рисунок выполнен с использованием рекламных материалов компании «cfm international».)

831

ГТД Системы - 12 Глава

Рисунок 12.5.4.2.3_4 - Система наддува и охлаждения опор ТРДД ПС-90А 1 - полость отбора; 2- канал; 3- межвальная полость; 4- дренажная полость; 5- линия охлаждения ТНД.

Глава 12 - Системы ГТД

В вышеприведенной системе наддув лабиринтных уплотнений как передней, так и задней масляных полостей осуществляется воздухом, отбираемым из-за КНД. Дренажные полости задней опоры сообщаются с ГВТ в сечении за ТНД, а также с областью низкого давления за срезом сопла. Суфлирование обеих масляных полостей осуществляется через полость вала ротора низкого давления на срез сопла.

Типичным представителем систем, выполненных по схеме с низким давлением в буферных полостях, является также система наддува уплотнений и охлаждения опор авиационного ТРДД ПС-90А (см. Рис. 12.5.4.2.3_4).

Для наддува уплотнений и охлаждения опор используется воздух, отбираемый из ГВТ в сече- нии за КНД двигателя. Наддув уплотнений всех опор за исключением опор шарикоподшипника КВД, роликоподшипника ТВД и переднего уплотнения роликоподшипника ТНД осуществляется по схеме типа 2 (см. Рис. 12.5.4.2.2_1б), наддув опор шарикоподшипника КВД и роликоподшипника ТВД - по схеме типа 3 (см. Рис. 12.5.4.2.2_1в), при этом:

-воздух для наддува уплотнений опор шарикоподшипника вентилятора, шарикоподшипника КВД, роликоподшипника ТВД и роликоподшипника ТНД подводится из полости отбора 1 разделительного корпуса,

-воздух для наддува уплотнения опоры роликоподшипника КВД подводится непосредственно из ГВТ по каналу 2 в разделительном корпусе,

-воздух для наддува уплотнений опоры роликоподшипника ТНД подводится из системы охлаждения ТНД, при этом наддув переднего уплотнения осуществляется по типу 1 (см. Рис. 12.5.4.2.2_1а).

-воздух для наддува уплотнения опоры роликоподшипника вентилятора (межвального уплотнения) подводится из межвальной полости 3.

Общая дренажная полость 4 опор шарикоподшипника КВД и роликоподшипника ТВД сообщается с каналом наружного контура двигателя.

Основным преимуществом систем наддува

èохлаждения опор, выполненным по схеме с низким давлением в полостях наддува, является их относительная простота и высокая надежность. К их недостаткам можно отнести повышенные потери вторичного воздуха, связанные с утечками в дренажную полость, особенно из смежных полостей с высоким давлением, а также довольно значительные внешние габариты опор. По упомянутым при- чинам, подобные системы в настоящее время находят наибольшее применение на двигателях, имеющих компоновку с расположением задних

опор ротора высокого давления в полостях с умеренным давлением, как, например, уже рассмотренная выше система наддува опор двигателя с межроторной опорой (см. Рис. 12.5.4.2.3_3) и т.п.

Недостатков, присущих системам, выполненным по схеме с низким давлением в полостях наддува, в значительной степени лишены системы, выполненные по схеме, исключающей необходимость введения в конструкцию опор дренажных полостей.

Попытаемся так изменить схему системы наддува и охлаждения опор нашего условного двигателя, чтобы исключить дренажную полость, например, у опоры ¹2 (т.е. организовать наддув уплотнений этой опоры по типу 2) (см. Рис. 12.5.4.2.2_1 б). Для осуществления нашего намерения нам, как минимум, будет необходимо:

1.Подвести в полость наддува воздух с дав-

лением, большим, чем давление в полости П2 (Ð*Ï2 ≈ 10 êãñ?ñì2). В нашем случае - большим 10 кгс/см2, и с температурой, не превышающей предельно-допустимую по условиям термостабильности масла (т.е. не более 250îÑ).

2.Обеспечить заданный уровень давления

âмасляной полости (Ðì2 = 1 êãñ/ñì2) при значи- тельно повышенном по сравнению с исходным вариантом давлении воздуха в полости наддува. Чтобы выполнить первое требование, подведем

âполость наддува воздух из ГВТ, отобрав его в се- чении за компрессором (Ðê* ≈ 12 êãñ/ñì2). Охлаждение этого воздуха до требуемой температуры выполним в воздухо-воздушном теплообменнике (ВВТ), где в качестве охлаждающего воздуха используем, например, воздух, поступающий с набегающим потоком. Для выполнения второго требования нам, скорее всего, придется отказаться от лабиринтных уплотнений и применить наиболее подходящие для этих условий контактные торцовые уплотнения, работающие в режиме граничного трения [12.5.9.11]. «Новая» система наддува и охлаждения опор нашего двигателя изображена на Рис. 12.5.4.2.3_5.

Подобные системы условно можно отнести к системам наддува и охлаждения опор, выполненным по схеме с разным (или дифференцированным) давлением в полостях наддува. Вариант общего построения системы наддува и охлаждения опор авиационного ТРДД, выполненной по схеме с дифференцированным давлением в полостях наддува, приведен на Рис. 12.5.4.2.3_6.

В этой системе наддув уплотнений передней и задней масляных полостей осуществляется воздухом, отбираемым из-за КНД. Наддув межвального уплотнения осуществляется воздухом, отби-

832

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.5.4.2.3_5 - Система наддува и охлаждения опор условного ТРДФ с дифференцированным давлением в полостях наддува:

Рм - давление в масляной полости опоры (Рм = 1 кгс/см2); Р - давление в воздушных по-

лостях

833

834	Глава
	ГТД Системы - 12

Рисунок 12.5.4.2.3_6 - Система наддува и охлаждения опор ТРДД с дифференцированным давлением в полостях наддува (Рисунок выполнен с использованием рекламных материалов фирмы «Pratt & Whitney»)