Глава 8 - Турбины ГТД

8.6 - Радиальные зазоры в турбинах

Радиальные зазоры между ротором и статором турбины необходимы для нормальной работы и оказывают значительное влияние на ее эффективность. Это влияние увеличивается при увеличении как абсолютного, так и относительного (по отношению к длине лопатки) значения радиального зазора.

8.6.1 - Влияние радиального зазора на к.п.д. турбины

Протекающее через радиальный зазор над рабочей лопаткой и через радиальный зазор под сопловой лопаткой рабочее тело не вносит своего вклада в мощность турбины. В радиальном зазоре эти утечки теряют свой потенциал по давлению и сохраняют свою температуру, т.е. энергию, не отдавая ее в полезную работу турбины.

Величина утечек достаточно надежно определяется на базе эмпирических формул, обобщающих многочисленные экспериментальные исследования.

Для турбины с лопатками без бандажных полок можно рекомендовать достаточно простое соотношение из работы [8.6.5.1]. Согласно этой работе, относительное уменьшение к.п.д. ступени турбины (по параметрам торможения) за счет радиального зазора равно удвоенной относительной величине радиального зазора (величине зазора, отнесенной к средней высоте проточной части, которая включает лопатку и радиальный зазор). Авторы обобщили экспериментальные результаты по изменению к.п.д. для относительных величин зазора до 5%. Важен для конструирования лопаток вывод о том, что величины утечек практически не зависят от конструкции торца лопатки (практически одинаковы для плоского торца и торца с канавкой – в том числе с выпуском охлаждающего воздуха).

Указанная зависимость выглядит слишком простой, так как не включает даже степень реактивности. Но ее авторы указывают, что в безбандажной лопатке основную роль играет перетекание газа на торце со стороны давления (корыта) на сторону разрежения (спинку), которое не зависит от степени реактивности. Кроме того, зависимость [8.6.5.1] удовлетворительно подтверждается и другими данными [8.6.5.2, 8.6.5.3].

Таким образом, можно сделать важный для практики вывод о равнозначности с точки зрения

утечек двух основных вариантов конструкции торца – сплошного (плоского) и с канавкой. Этот вывод в принципе подтверждается и практикой – использованием в серийных конструкциях лопаток ТВД как торца с канавкой (ПС-90А, CFM56, CF680C2), так и плоского торца (PW2000, PW4000, V2500).

Для лопаток с бандажными полками целесообразно использовать обычные формулы для определения расхода газа через лабиринтные уплотнения [8.6.5.4].

Эффективность лабиринтного уплотнения увеличивается:

- с заострением верхней части зубца уплотне-

íèÿ;

-с увеличением размеров воздушной камеры между зубцами (с увеличением отношения площадей радиального зазора и межзубцовой камеры увеличивается гидравлическое сопротивление);

-с введением ступенек между соседними парами уплотнений зубец - соты;

-с наклоном зубцов против направления утечки.

8.6.2 - Изменение радиальных зазоров турбины в работе

Изменение радиальных зазоров вследствие износа

Износ концевой (торцевой) поверхности рабо- чей лопатки ТВД является основной причиной увеличения радиального зазора между ротором и статором. Износ ротора (который может иметь место на одном из переходных режимов) приводит к увеличению рабочего зазора и снижению к.п.д. на всех остальных – в том числе основных рабочих - режимах двигателя. Износ корпуса чаще всего бывает местным (обусловленным неидеальной формой детали) и обычно не имеет столь значительных последствий для эффективности турбины.

Основными причинами износа торца рабочей лопатки являются трение (врезание в корпус) и эрозионный износ. Эрозионный износ торца лопаток (а также и корпусных вставок над этими лопатками) в процессе эксплуатации становится главной причиной неконтролируемого увеличения радиального зазора для первой (и в определенной степени - во второй) ступени ТВД [8.6.5.5].

Изменение радиального зазора от темпа прогрева деталей турбины.

Темп прогрева характеризуется величиной, называемой постоянной времени

τ = mc / (αF),

494

Глава 8 - Турбины ГТД

ãäå m – масса;

c – удельная теплоемкость материала; α – коэффициент теплоотдачи;

F – площадь поверхности.

Более массивные или имеющие меньшую интенсивность теплоотдачи детали (например, диски) нагреваются и остывают медленнее, а детали с меньшей массой или с большим коэффициентом теплоотдачи - быстрее (например, корпус).

Как показывает анализ, изменения размеров деталей во время работы вызваны в основном влиянием температуры. Влияние центробежных нагрузок (для ротора) в несколько раз менее значительно.

Корпус в пределе представляет собой быстро реагирующую на изменение режима двигателя тонкую оболочку и обычно достаточно быстро изменяет свою температуру (и, соответственно, размер) при изменении температуры потока газа в проточ- ной части. Ротор представляет собой массивную (за счет дисков) конструкцию, к тому же находящуюся преимущественно в среде охлаждающего воздуха (который гораздо медленнее газа реагирует на изменение режима двигателя). Поэтому тепловая инерционность ротора существенно выше. При увеличении режима отставание ротора ведет к увеличению радиального зазора, а при уменьшении (сбросе) режима - к его уменьшению.

Многое в этих процессах зависит от темпа изменения режима двигателя и соотношения тепловой инерционности ротора и корпуса. При недостаточном радиальном зазоре в сборке или неблагоприятном сочетании тепловой инерционности ротора и статора может возникнуть контакт

èнедопустимый износ, как на сбросе режима, так

èпри быстром увеличении режима (например, на взлете).

Влияние, которое оказывает увеличение радиальных зазоров турбины в работе на ее эффективность, привело к появлению на двигателе систем управления радиальными зазорами.

8.6.3 - Управление радиальными зазорами

Целями при управлении зазорами турбины являются:

-обеспечение минимально возможного рабо- чего зазора на основном рабочем режиме (режиме крейсерского полета) или нескольких основных режимах, обеспечивающего максимальный к.п.д. турбины;

-исключение неприемлемого износа корпуса

èособенно ротора при возможном контакте на переходных режимах, которое приводит к увеличе-

нию радиальных зазоров на величину износа на всех стационарных рабочих режимах.

Управление радиальными зазорами подразумевает:

-конструктивное обеспечение минимально допустимых радиальных зазоров - так называемое пассивное регулирование радиальных зазоров;

-конструктивное обеспечения минимального износа деталей ротора (лопаток и лабиринтов)

èстатора (корпуса и уплотнений) во время эксплуатации;

-применение систем активного управления радиальными зазорами (САУРЗ) во время рабоче- го цикла двигателя;

Существуют исследовательские работы, посвященныеэкономическойэффективностирегулирования радиальных зазоров в турбомашинах двухконтурных авиационных двигателей [8.6.5.5]. Они показывают, что выигрыш в стоимости жизненного цикла двигателя от внедрения мероприятий по управлению радиальным зазором в ТВД в два раза больше, чем в КВД

èв четыре раза больше, чем в ТНД.

Пассивное регулирование радиальных зазоров.

Пассивное управление радиальными зазорами основано на выборе материалов и конструкции ротора и статора турбины, обеспечивающих минимальное относительное перемещение.

В конструкциях авиационных турбин, созданных до начала 1980-х годов и до сих пор находящихся в эксплуатации, применялось только пассивное регулирование радиальных зазоров. Наружные корпуса турбины снаружи не охлаждались или охлаждались только постоянным потоком воздуха наружного контура (в двухконтурных двигателях).

Конструктивные меры по управлению радиальными зазорами турбины в основном заключаются в увеличении тепловой инерционности корпуса турбины. Это вызвано тем, что геометрические параметры ротора и его материалы определяются в основном по условиям прочности и обеспечения требуемого ресурса.

На Рис. 8.4.1.2_5 приведена конструкция корпуса ТВД PW6000, которая использует различные способы увеличения тепловой инерционности корпуса:

- применение двухслойного корпуса (кольцевого наружного, удаленного от проточной части и внутреннего - из отдельных сегментов, составляющего проточную часть); при этом холодный наружный корпус определяет радиальное перемещение статора;

495

Глава 8 - Турбины ГТД

- введение двух областей концентрации мас-	В сохранении величины радиального зазора
сы (фланцев) со специальным их охлаждением на	в процессе эксплуатации наиболее важную роль иг-
наружном корпусе;	рает предотвращение эрозии, окисления и коррозии
- струйное охлаждение вставок через специ-	торцевой поверхности рабочей лопатки первой сту-
альные отверстия и их термобарьерное покрытие	пени ТВД и корпусных вставок над ней. Главную
для уменьшения теплового потока в корпус.	роль в этом процессе играет применение пленочно-
Конструктивное обеспечение минималь-	го охлаждения торца (способы которого рассмотре-
	ны в разделе 8.4.2) и вставок. Еще один доказавший
ных радиальных зазоров.	свою эффективность способ замедления процессов
Для облегчения местной приработки корпуса	эрозии и коррозии – изготовление лопаток и вставок
без износа ротора сопряженные с ротором детали	из монокристаллического литья. Монокристалличес-
корпуса делают из мягкого материала или покры-	кий материал (см. Рис. 8.7.2_1) обладает существен-
вают их таким материалом.	но более высокой устойчивостью к высокотемпера-
Для сплошного плоского торца лопатки ис-	турному окислению и коррозии.
пользуется наплавка или напайка частичек абра-	Активное регулирование радиальных зазо-
зивного материала, который работает совместно со
вставками (в корпусе) из прирабатываемого мате-	ðîâ.
риала. Такая конструкция позволяет компенсиро-	Активное регулирование зазоров предназна-
вать неизбежные колебания местной величины за-	чено для уменьшения рассогласования темпов про-
зора за счет отклонения от правильной окружности	грева роторных и статорных частей турбины. На
конструкции корпуса и эксцентриситета ротора.	Рис. 8.6.2_1 и 8.6.2_2 приведено изменение ради-
Локальная приработка мягкого керамического ма-	ального зазора рабочей лопатки первой ступени
териала (наносимого на вставки в корпусе) позво-	ТВД в полетном цикле двигателя за счет примене-
ляет сохранить торец рабочей лопатки и, соответ-	ния САУРЗ. САУРЗ управляет тепловой инерци-
ственно, радиальный зазор в остальной части	онностью статора с помощью управляемого его ох-
рабочего колеса.	лаждения (управления расходом охлаждающего
	воздуха на корпус).

Рисунок 8.6.2_1 – Изменение радиального зазора для 1РЛ ТВД на режимах запуска, взлета, набора высоты и крейсерского полета (без включения и с включением САУРЗ) [8.6.5.3]

496

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.6.2_2 – Изменение радиального зазора для 1РЛ ТВД на режимах крейсерского полета, полетного малого газа и при «горячем запуске» (повторном выходе на крейсерский режим) [8.6.5.3]

На практике активное и пассивное регулирование зазоров обычно используются совместно. На Рис. 8.4.1.3_1 приведена система обдува корпусов ТВД и ТНД CF6-80C2, которая обеспечивает не только обдув через трубопроводы, но и с помощью специальных кожухов прижимает использованный воздух к корпусу ТВД для улучшения теплообмена.

На Рис. 8.1.2.4_4, 8.4.1.3_2 приведена конструкция системы наружного обдува корпусов ТВД и ТНД PW6000. Для улучшения реакции корпуса на нем выполнены дополнительные ребра, к которым непосредственно приближена система обдува.

Влияние САУРЗ на характеристики турбины зависит от:

-эффективности охлаждения корпусов; -закона управления работой системы, который

âсвою очередь может быть:

-двухпозиционным (включено-выключено);

-управляющим расходом воздуха в трубопроводах обдува по заранее установленной модели (откалиброванной в процессе доводки);

- использующим систему обратной связи (управляющий расходом воздуха в системе на основании информации о реальной температуре корпуса и сравнении ее с данными в управляющей модели). Идеальным вариантом было бы использование информации о величине зазора, но в условиях эксплуатации получить такую информацию пока не представляется возможным.

8.6.4 - Выбор радиального зазора при проектировании

Задача выбора радиального зазора решается при проектировании турбины и САУРЗ. На первом этапе устанавливается минимально необходимый радиальный зазор, обеспечивающий возможность сборки и работоспособность конструкции на базовых режимах работы турбины (чаще всего их три – малый газ, взлетный и крейсерский режимы).

Послепроектированияротора,корпусаи САУРЗ оптимизируются системы охлаждения ротора, корпуса и логика управления системой в процессе

497

Глава 8 - Турбины ГТД

аналитического моделирования зазоров в течение рабочего цикла. Конструктивные особенности, материалы, система охлаждения ротора и корпуса определяют скорость и величину изменения размеров ротора и корпуса.

Итогом расчетов становится выбор радиального зазора в холодном состоянии (для сборки) и оптимального варианта логики управления.

Минимально необходимый радиальный зазор.

На первом этапе должен быть определен минимальный радиальный зазор, обеспечивающий исключение врезания роторных деталей (прежде всего рабочих лопаток) в корпус. На последующих стадиях проектирования врезание ротора в корпус, особенно в сотовые уплотнения и прирабатываемые вставки, вполне может быть признано допустимым и даже необходимым после детального моделирования радиальных зазоров в рабочем цикле.

Следует иметь в виду, что минимально необходимый зазор определяется отдельно для трех основных режимов работы двигателя – малого газа, взлетного и крейсерского.

Минимальный зазор должен учитывать (для примера взята турбина авиационного двухконтурного двигателя тягой около 20 тонн) следующие факторы:

-Производственные допуски на изготовление деталей турбины и эксцентриситет (отклонение от идеального круга) ротора. Изменение зазора по этой причине может составить 0,15…0,40 мм (меньшая величина относится к ТВД, большая –

êТНД, физические размеры которой обычно больше). Такая величина зазора обеспечивает сборку конструкции.

-Изгиб ротора при работе за счет номинальных (допустимых) значений дисбаланса. Изменение зазора по этой причине может составить 0,05…0,15 мм.

Изменение зазора по этим двум причинам действительно на всех основных режимах.

-Маневренные нагрузки на корпуса и ротора, которые приводят к деформациям деталей и требуют дополнительного зазора, необходимого для совместной работы деталей в двигателе. Этот дополнительный зазор достигает на взлетном режиме 0,05…0,10 мм, в несколько раз меньше на крейсерском режиме, а на малом газе пренебрежимо мал.

-Возможность запуска двигателя через 1…2 часа после выключения с учетом эффекта «терми- ческого изгиба ротора». Этот изгиб имеет место изза диаметрального термического градиента (накап-

ливания оставшегося в роторных деталях тепла в верхней части турбины). Термический изгиб ротора может привести к временному заклиниванию роторов ТВД и ТНД (на несколько часов) примерно через час после выключения. Для исключения эффекта «термического изгиба» может потребоваться дополнительное увеличение радиального зазора на 0.50 мм и более. Это увеличение необходимо для малого газа.

Оптимизация изменения радиального зазора в рабочем цикле

Рабочий цикл двигателя – основные рабочие режимы и типовые переходные процессы между ними определяют рабочие условия, в которых должны обеспечиваться радиальные зазоры. Следует отметить, что для основных стационарных режимов работы турбины достаточно достоверные оценки радиальных размеров ротора и статора, а также радиального зазора могут быть сделаны на основе одномерных расчетов. Такие оценки очень полезны в начальной стадии.

Основой для аналитического определения радиального перемещения ротора и статора на базовых и особенно на переходных режимах работы является осесимметричное моделирование нестационарного теплового состояния ротора и статора. Именно моделирование нестационарных процессов радиального перемещения ротора и статора является одним из важнейших требований при оптимизации системы управления зазорами.

Как показывает практика расчетов, минимальные значения радиального зазора в переходных процессах (создающие опасность врезания рабочей лопатки в корпус) обычно имеют место в двух случаях – на режиме взлета (см. Рис. 8.6.2_1

– 540-я секунда) и при увеличении режима с полетного малого газа (см. Рис. 8.6.2_2 - 730-я секунда). Как следует из результатов моделирования зазора 1РЛ, приведенных на Рис. 8.6.2_1 и 8.6.2_2, для рассматриваемой ТВД удалось исклю- чить задевание рабочей лопатки за корпус в обоих опасных случаях и обеспечить минимальное зна- чение радиального зазора на основном (крейсерском) режиме работы.

Выбранный холодный (монтажный) радиальный зазор и отключение САУРЗ (с увеличением температуры и размера корпуса) на опасных переходных режимах обеспечили удовлетворительные результаты. При этом на всех трех базовых режимах (малый газ, взлет и крейсерский) полученный радиальный зазор превышает минимально необходимый зазор (соответственно 0.70, 0.30 и 0.20 мм). Выбранная логика работы наиболее проста (двух-

498