Глава 8 - Турбины ГТД

8.11 - Перспективы развития конструкций и методов проектирования турбин

Основные направления развития конструкций турбин связаны с прогрессом в ряде наиболее перспективных (по соотношению стоимости и эффективности) технологий, которые должны обеспечить разработку конкурентоспособных турбин в будущем (см. Рис. 8.11_1).

8.11.1 - 2D-аэродинамика: эффективные охлаждаемые лопатки ТВД

Сокращение количества ступеней турбины – это наиболее радикальный путь сокращения себестоимости производства и обслуживания. Одноступенчатые ТВД должны иметь эффективные для высоких чисел Маха охлаждаемые лопатки. Они должны позволить примерно вдвое уменьшить различие в аэродинамической эффективности одноступенчатой и двухступенчатой ТВД.

Для реализации конкурентоспособных одноступенчатых ТВД необходима технология разработки аэродинамически эффективных охлаждаемых лопаток с приемлемым уровнем потерь при высоких числах Маха. Эта технология подразуме-

вает контроль над интенсивностью и расположением системы скачков уплотнения, которые являются неизбежным следствием сверхзвуковых скоростей в проточной части.

Малые значения углов заострения (до 2 градусов) на выходной кромке и тонкие выходные кромки (толщина стенки 0,40…0,45 мм) являются обязательным условием реализации эффективных трансзвуковых и сверхзвуковых решеток. Высокий уровень напряжений растяжения приводит к необходимости реализации тонких (до 0,60 мм) стенок в верхних сечениях лопаток для уменьшения напряжений в корневых сечениях. Поэтому изготовление таких лопаток является столь же сложной задачей, как и их проектирование.

Заявленная в [8.11.10.1] цель GE Aircraft Engines (см. Рис. 8.11.1_1) заключается в разработке единой платформы одноступенчатой ТВД для использования в двигателях узкофюзеляжных (CFM56), региональных (CF34-10) и широкофюзеляжных самолетов (типа GE90). Степень расширения такой турбины – до 5,5 и разрабатывается она по программе правительства США Ultra Efficient Turbine Engine и в рамках собственной технологической программы GE Aircraft Engines TECH56. Эти работы должны существенно сократить преимущества двухступенчатой ТВД по эффективности.

Рисунок 8.11_1 – Перспективные технологии проектирования и разработки турбины

521

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.11.1_1 – Создание единой платформы GE Aircraft Engines для высоконагруженной одноступенча- той ТВД с «очень высокой степенью расширения» реализуется на базе двух платформ - одноступенчатой турбины с умеренным перепадом давления CFM56/CF34-10 и двухступенчатой ТВД GE90 с высоким перепадом давления [8.11.10.1].

Рисунок 8.11.1_2 – Прогресс в к.п.д. одноступенча- тых ТВД GE Aircraft Engines

На Рис. 8.11.1_2 представлены результаты примерно 15 лет работы GE Aircraft Engines на собственном модельном стенде [8.11.10.1]. Хотя абсолютные значения к.п.д. оценить трудно (методология их определения не приведена), очевиден прогресс в к.п.д., в том числе достигнутый в программе TECH56.

Pratt&Whitney разработала успешную технологию проектирования одноступенчатых ТВД, с помощью которой были реализованы ТВД для военных двигателей F119/F135 и для гражданского PW6000.

Однако, несмотря на принятое направление развития конструкций ТВД, решение для каждого

конкретного случая принимается на основе конкретного анализа (себестоимость производства, стоимость обслуживания, затраты на разработку, уровень риска). GEAircraft Engines, в частности, в ТВД нового двигателя семейства CF34 (CF34-10) реализовала одноступенчатую схему (моделированием ТВД CFM56).

Для разрабатываемых в настоящее ТВД широкофюзеляжных самолетов (двигатели GP7200 для Эйрбас А380 и GenX для Боинг 7Е7) в каче- стве основы принята двухступенчатая конструкция ТВД GE90. Основанием для такого выбора являются существенно меньшие затраты на разработку и несравненно меньший риск.

8.11.2 - 2D-аэродинамика: сокращение количества лопаток

Технологии сокращения количества лопаток – увеличение аэродинамической нагрузки на профиль без уменьшения его эффективности (или с «приемлемым» уменьшением) в настоящее время наиболее популярны и активно развиваются. Во всех новых проектах заявляется о сокращении количества лопаток, как главного средства снижения стоимости турбины и стоимости ее обслуживания.

Повышение нагрузки на профиль ТВД достигается более совершенной аэродинамикой профиля, смягчением средствами проектирования влия-

522

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.11.2_1 – Увеличение нагрузки по коэффициенту Цвайфеля при проектировании новых ТНД Rolls-Royce с сокращением количества лопаток [8.11.10.2]

ния конструкционных ограничений по прочности, а также прогрессом в производственной технологии. Все эти направления взаимосвязаны и взаимозависимы.

Эффективным направлением повышения нагрузки на профиль является более оптимальное и более точное распределение нагрузки по его обводам (или вдоль осевой хорды, как это обычно принято), а также эффективное с точки зрения аэродинамики распределение пленочного охлаждения. Основным средством повышения эффективности решеток с высокими числами Маха в уже упоминавшейся программе GE TECH56 стало уменьшение (в конечном счете вдвое) интенсивности скачка уплотнения за выходной кромкой рабо- чей лопатки. Количество лопаток в одноступенча- той ТВД CFM56 было сокращено на 10% (со 122 до 110) и эта технология готовится к серийному использованию [8.11.10.1].

Необходимым условием улучшения аэродинамики лопаток является реализация более жестких требований к технологиям литья (минимальная толщина стенок, толщина выходной кромки, ширина канала охлаждения в выходной кромке, угол заострения выходной кромки) и механической обработки (диаметр и угол наклона к поверхности отверстий пленочного охлаждения). Очень важным является при этом сохранение приемлемой себестоимости производства.

В ТНД для сокращения количества лопаток интенсивно развиваются технологии так называемых «разреженных профилей» («Low Solidity Airfoils» - GE Aircraft Engines) и «профилей с высокой подъемной силой» («High LiftAirfoils» - RollsRoyce). Эти технологии уже позволили уменьшить количество лопаток соответственно в ТНД GE90115B (сертифицирован в 2003 году) и в ТНД BR715

– примерно на 10-20% [8.11.10.2]- по сравнению с более ранними серийными моделями.

Хотя база для упомянутых сокращений неизвестна, эффективность этих технологий можно считать достаточно высокой. В разработке находятся и более эффективные технологии - профилей лопаток с «ультранизкой густотой» («Ultra Low Solidity Airfoils») и «профилей с очень высокой подъемной силой» - «Ultra High Lift Airfoils» [8.11.10.2].

Упомянутые технологии являются аэродинамическими и базируются на оптимизации распределения нагрузки по профилю. Управление этим распределением должно быть очень тонким и эффективным – для предотвращения отрыва потока и возрастания потерь энергии.

Интенсивные и эффективные усилия по сокращению количества лопаток были предприняты в программе передовой технологии TECH56 (GE/ SNECMA) [8.11.10.3]. Три варианта ТНД (Проекты 1…3) предусматривали сокращение количества лопаток по сравнению с 1072 лопатками в базовой четырехступенчатой ТНД CFM56. В Проекте 1 количество лопаток было сокращено до 970, в Проекте 2 – на 20%, в Проекте 3 – на 35%. Аэродинамическая эффективность новых вариантов ТНД была реализована на высоком конкурентоспособном уровне – Рис. 8.11.2_2.

Рисунок 8.11.2_2 – Результаты проектирования новых ТНД в программе TECH56 [8.11.10.4] с сокращением количе- ства лопаток на 10% (Проект 1), 20% (Проект 2) и 35% (Проект 3) относительно ТНД CFM56

523

Глава 8 - Турбины ГТД

Значительный вклад в обеспечение эффективности профилей ТНД вносит уровень литейной технологии, которая должна обеспечивать качество литейных поверхностей, минимизацию толщины выходных кромок и возможность применения длинных рабочих и сопловых лопаток ТНД с внутренней полостью. Полые лопатки ТНД имеют более высокую себестоимость, но позволяют располагать большей свободой в оптимизации формы профиля при проектировании так называемых «задненагруженных» лопаток, в том числе при минимизации количества лопаток – при существенно меньшей вероятности отрыва потока на корыте и при минимальной массе лопатки и диска. В настоящее время полые лопатки ТНД применяются в большинстве новых проектов (например, в ТНД GP7200 – [8.11.10.5]).

8.11.3 - Противоположное вращение роторов ТВД и ТНД

Противоположное вращение роторов ТВД и ТНД (СТ) позволяет снизить угол поворота потока и потери энергии в первой сопловой лопатке ТНД. Как показано на Рис. 8.11.3_1, угол поворота в 1СА ТНД может быть снижен с обычных 90…120j практически до нуля. Соответственно снижаются потери на поворот потока и повышается к.п.д. ТНД. Естественно, что наиболее выигрышна эта технология при больших исходных углах поворота потока (то есть при сильно нагруженных ступенях как ТВД, так и ТНД) и при меньшем количестве ступеней ТНД (чем меньше это количе-

ство, тем значимее уменьшение потерь в 1СА ТНД).

Первое исследование этой технологии провела фирма Pratt & Whitney еще в начале 1980-х годов в программе Energy Efficient Engine (планируемый выигрыш в к.п.д. ТНД составил около 0,5%) [8.11.10.6]. Хотя в этом исследовании было показано, что эффективность мероприятия не столь очевидна, как кажется с первого взгляда (в сопловом аппарате ТНД снижаются преимущественно профильные потери, а вторичные потери изменяются гораздо меньше), Pratt&Whitney применила эту технологию в турбине своего самого современного двигателя PW6000, то есть сочла ее достаточ- но эффективной.

Компания Rolls-Royce в трехвальном двигателе Trent-900 применила противоположное вращение ротора ТВД – при этом выигрыш в к.п.д. турбины среднего давления (ТСД) составил более процента. Столь значительный эффект обусловлен конструктивными особенностями соплового аппарата ТСД – за счет уменьшения газовой нагрузки удалось уменьшить размеры стоек и совмещенных со стойками лопаток и увеличить их аэродинами- ческую эффективность [8.11.10.7]. В дальнейшем планируется применить противоположное вращение для ротора среднего давления - то есть увели- чить к.п.д. и ТСД, и ТНД.

GE Aircraft Engines планирует использовать противоположное вращение роторов ТВД и ТНД в новом двигателе Genx [8.11.10.8] с целью снизить потери энергии в ТНД и сократить количество лопаток 1СА ТНД.

Рисунок 8.11.3_1 – Принцип изменения профиля 1СА ТНД при изменении направления вращения ротора ТНД

8.11.4 - 2D-аэродинамика: эффективные решетки профилей ТНД

Решетки ТНД с повышенной частотой вращения (редукторным приводом).

Повышение степени двухконтурности и снижение частоты вращения вентилятора сделало актуальным повышение частоты вращения подпорных ступеней и ТНД через редуктор. Количество ступеней ТНД при этом снижается радикально - более чем в 2 раза. Но при этом в 3…5 раз возрастает центробежная нагрузка и профили из существенно дозвуковых переходят в трансзвуковой диапазон скоростей за решеткой.

Все это существенно усложняет получение сравнимой с традиционной схемой аэродинамической эффективности. Профили при этом утолщают-

524

Глава 8 - Турбины ГТД

à)

á)

Рисунок 8.11.4_1 – Сравнение профилей ТНД с обычной (а) и повышенной (б) частотой вращения

ся для работы в условиях высокой центробежной нагрузки и оптимизируются для высоких чисел Маха [8.11.10.9].

Технологии эффективных решеток ТНД для редукторного привода интенсивно разрабатываются MTU (см. Рис. 8.11.4_1). Весьма вероятна актуализация таких разработок в будущем.

Оптимизация взаимодействия лопаточных решеток ТВД и ТНД.

Значительным резервом в повышении аэродинамической эффективности ТНД является уменьшение отрицательного влияния скачков уплотнения за выходными кромками рабочих лопаток ТВД (особенно одноступенчатой ТВД) – на к.п.д. ТНД (см. Рис. 8.11.6_1). Уменьшение к.п.д. ТНД за счет этого фактора в CFM56 достигает двух процентов [8.11.10.10]. Полное исключение влияния взаимодействия (то есть повышение к.п.д. ТНД на 2%) нельзя считать реальным, однако даже возможность частичного использования этого потенциала для повышения эффективности ТНД привела к интенсивным исследованиям в этой области.

Высокие числа Маха за рабочими лопатками приводят к скачкам уплотнения, взаимодействие которых с сопловыми лопатками ТНД приводит к возникновению отраженных скачков (см. Рис. 8.11.4_2). Эти скачки значительно снижают к.п.д. ТНД. Моделирование этих явлений возможно с помощью моделирования нестационарных аэродинамических процессов в проточной части сразу двух турбин. Оно может быть необходимой базой для отработки технологии проектирования, позволяющей уменьшать влияние взаимодействия ТВД и ТНД на

Рисунок 8.11.4_2 - Пример аналитического моделирования взаимодействия скачков за рабочими лопатками ТВД с сопловыми лопатками ТНД (Pratt & Whitney) [8.11.10.11]

аэродинамическую эффективность, а также на аэродинамическое возбуждение лопаток.

Экспериментальное исследование этой проблемы составляет одно из главных направлений программы разработки новой технологии TECH56

– для чего был специально построен двухкаскадный стенд. В ходе работ по TECH56 было исследовано несколько конфигураций рабочих лопаток и снижена на 50% интенсивность скачков уплотнения за рабочими лопатками ТВД [8.11.10.1].

Профили лопаток ТНД, эффективные при малых числах Рейнольдса.

Перспективным направлением в численной аэродинамике турбин является моделирование работы лопаток в условиях низких чисел Рейнольдса, характерных для авиационных ТНД на крейсерском режиме полета. Снижение к.п.д. ТНД из-за увеличения профильных потерь может достичь двух и более процентов (см. Рис. 8.11.4_3). Оптимизация профилей для этих условий работы может потребовать создания соответствующих моделей для прямого численного моделирования

525

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.11.4_3 - Изменение к.п.д. современных турбин с уменьшением числа Рейнольдса (с увеличением высоты полета) [8.11.10.11]. Показана и потенциальная эффективность усовершенствованной технологии проектирования

потока. Решение этой задачи находится пока на на- чальной стадии.

Теоретически возможность моделировать влияние числа Рейнольдса позволит проводить проектную оптимизацию профилей со снижением этого влияния и скомпенсировать хотя бы часть проигрыша в к.п.д.. Однако, даже при успешном решении задачи о моделировании влияния чисел Рейнольдса (так же как и задачи о моделировании «отраженных скачков») результаты применения их в проектной практике не обязательно будут положительными.

Оптимальная форма лопаток, которая сможет парировать эти эффекты, еще должна быть найдена. А это при используемых сегодня аэродинамически совершенных профилях является очень сложной задачей, и успешная борьба с вышеупомянутыми явлениями может сопровождаться ухудшением характеристик в обычных условиях. Фактически уже сейчас известно, что так называемые «передненагруженные» профили (в отличие от «задненагруженныех») гораздо более устойчивы к малым числам Рейнольдса. Однако их эффективность существен-

Рисунок 8.11.4_4 – Экспериментальные результаты Pratt&Whitney по изменению к.п.д. двухступенчатой ТВД с изменением относительного углового положения рабочих и сопловых лопаток первой и второй ступени [8.11.10.12]

526