Глава 9 - Выходные устройства ГТД

водов могут применяться и другие виды. Наиболее распространены среди них:

-пневматический;

-пневмомеханический.

9.7.1 - Пневмопривод

Конструкция цилиндров пневматического привода отличается от гидравлических цилиндров только конструкцией и материалом уплотнений (см. Рис. 9.7.1_1). Для уплотнительных колец используются бронза, графит, фторопласт и другие полимерные материалы.

9.7.2 - Пневмомеханический привод

Схема варианта пневмомеханического привода приведена на Рис. 9.7.2_1. Привод состоит (см. Рис. 9.7.2_2, 9.7.2_3) из ходовых винтов 1, кареток 2 с шариками 3 и возвратными каналами 4, закрепленных на подвижной части РУ, гибких валиков 5 (см. Рис. 9.7.2_1) синхронизации вращения винтов, пневмомотора 6, редуктора 7. Синхронное враще-

ние ходовых винтов обеспечивает перемещение кареток и закрепленной на них подвижной части РУ из одного положения в другое. В конструкции привода применяются легированные стали (для винта, каретки) и алюминиевые сплавы (для корпусов редуктора, пневмомотора, для защитного корпуса ходового винта).

9.8 - Выходные устройства диффузорного типа

На ГТД, используемых в качестве привода, например, винта вертолета, электрического генератора, газоперекачивающего агрегата и т.п. и получе- ния при этом максимальной мощности, в качестве выходных устройств применяются конструкции, проточная часть которых представляет собой расширяющийся канал – диффузор.

Диффузор устанавливается за турбиной двигателя и снижает статическое давление газа за турбиной до уровня ниже атмосферного. Чем меньше

Рисунок 9.7.2_2 – Шарико-винтовой привод 1 – ходовой винт; 2 – каретка; 3 – шарик

587

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.7.2_3 – Шарико-винтовая пара 1 – ходовой винт; 2 – каретка;

3 – шарик; 4 – возвратный канал

Рисунок 9.8_1 – Процесс торможения газа в диффузорном ВУ ГТД

статическое давление газа за турбиной, тем больше перепад давлений на ней и тем больше снимаемая с нее мощность.

На Рис. 9.8_1 показан процесс торможения в диффузорном ВУ ГТД.

Состояние газа на выходе из турбины (на входе в ВУ) обозначено точкой 1. В таком ВУ, в отли- чие от конфузорного (см. Рис. 9_5), скорость газа падает, а температура и статическое давление растут, причем на выходе из ВУ давление газа равно

Рисунок 9.8.1_1 – Геометрические параметры конического диффузора

атмосферному Ðí. Процесс торможения газа в ВУ изображен кривой 1-2. Из-за наличия потерь энтропия газа в ВУ растет (s2 > s1). Если бы течение газа в ВУ было идеальным (без потерь), то его энтропия была бы постоянной (s = const) и процесс течения в ВУ изображался вертикальной линией 1-2'. Температура газа на выходе из ВУ в реальном процессе всегда больше, чем в идеальном (на величину ∆Ò), что объясняется переходом (из-за трения) ча- сти механической энергии потока в тепловую.

Принцип работы диффузорного ВУ можно понять из анализа уравнения Бернулли (см. приложение 2).

588

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

9.8.1 - Конические диффузоры

Типы диффузорных ВУ ГТД разнообразны. Одним из наиболее простых (в конструктивном отношении) и распространенных ВУ является конический диффузор, образованный поверхностью усеченного конуса (см. Рис. 9.8.1_1). Основные геометрические параметры диффузора – длина L, полуугол раскрытия γ (иногда используется полный угол раскрытия α = 2γ), степень расширения n = (D/d)2. Наиболее важным в аэродинамическом отношении является угол γ, так как он определяет плавность увеличения проходной площади ВУ. Оптимальные значения угла γ для большинства конических диффузоров при различных режимах течения лежат в диапазоне 3…5o. При увеличении угла раскрытия свыше 5o у достаточно длинных диффузоров на стенках могут возникнуть отрывы потока, приводящие к повышению неравномерности поля скоростей в выходном сечении диффузора и ухудшению его аэродинамических характеристик. Достаточно подробные рекомендации по проектированию конических диффузоров можно найти в работах [9.12.10], [9.12.11].

ническом диффузоре, важнейшими параметрами здесь являются углы γ1 è γ2, точнее их соотношение. Для характеристики осекольцевых диффузоров часто используется так называемый эквивалентный угол раскрытия, численно равный углу раскрытия конического диффузора, у которого длина L, площади входа F1 и выхода F2 такие же, как и у рассматриваемого осекольцевого диффузора. В соответствии с определением:

(9.8.2-1),

ãäå F1 = π(D12-d12)/4.

Эквивалентный угол является удобной универсальной характеристикой осекольцевых диффузоров, так как согласно экспериментальным данным для сохранения высоких аэродинамических качеств диффузора не рекомендуется делать его более 18 градусов. Рекомендации по проектированию осекольцевых диффузоров можно найти в [9.12.10], [9.12.11].

9.8.2 - Осекольцевые диффузоры

Осекольцевой диффузор (см. Рис. 9.8.2_1) представляет собой расширяющийся кольцевой канал, образованный поверхностями двух соосных усеченных конусов с разными полууглами раскры-

òèÿ γ1 è γ2.

Основные геометрические параметры диффузора представлены на Рис. 9.8.2_1. Как и в ко-

Рисунок 9.8.2_1 – Геометрические параметры осекольцевого диффузора

9.8.3 - Улитки

Улитка 1 (см. Рис. 9.8.3_1, 9.8.3_2) – жаргонное, но уже почти ставшее техническим термином, наименование выходного устройства, предназначенного для отклонения потока газа, выходящего из двигателя 2, в направлении, перпендикулярном оси двигателя, и для отвода потока в систему выхлопа агрегата 3. Условно улитку можно разделить на две части: диффузор и корпус 1 (см. Рис. 9.8.3_2). В диффузоре газ тормозится и, разворачиваясь в радиальном направлении, поступает в корпус улитки, где собирается в один канал и отводится в шахту.

Диффузор представляет собой описанный в разделе 9.8.2 осекольцевой диффузор, соединенный с радиальным кольцевым каналом, разворачивающим поток в радиальном направлении (такие диффузоры называются осерадиальными, так как содержат осевой и радиальный участки). Диффузор состоит из наружного 2 и внутреннего 3 корпусов, которые, как правило, изготавливаются сваркой из листовых и точеных деталей. Свободные кромки корпусов для предотвращения возникновения трещин делают усиленными. Для уменьшения потерь при повороте потока иногда в радиальной части диффузора устанавливают дефлекторы 4, разделяющие его на несколько кольцевых каналов.

589

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Корпус, если его спроектировать оптимальным по гидравлическим потерям, будет иметь плавные очертания, напоминающие раковину улитки (см. Рис. 9_4). Однако такой корпус, особенно имеющий большие габариты, окажется очень дорогим в изготовлении.

По этой причине корпус делают упрощенным, состоящим из деталей, не имеющих поверхностей двойной кривизны, т.е. не требующих дорогостоящей оснастки при изготовлении.

Для исключения влияния тепловой радиации разогретых выхлопными газами деталей улитки на работу оборудования, для защиты обслуживающего персонала, для обеспечения взрывобезопаснос-

ти ГТУ все горячие наружные поверхности корпуса и диффузора закрываются теплоизоляционными матами, изготовленными из минерального волокна. Часто теплоизоляционные маты 5 (см. Рис. 9.8.3_2) для исключения их повреждения при транспортировании улитки и в процессе эксплуатации закрываются снаружи защитными корпусами 6. Способ крепления защитных корпусов должен обеспечивать компенсацию разности линейного расширения холодных защитных корпусов и горячих деталей корпуса и диффузора.

Встречаются конструкции улиток, в которых теплоизоляция накладывается не на наружные, а на внутренние поверхности корпуса и диффузора.

Рисунок 9.8.3_1 – Улитка в составе агрегата 1 – улитка; 2 – двигатель; 3 – система выхлопа агрегата; 4 – кронштейн; 5 – вертикаль-

ные тяги подвески улитки; 6 – горизонтальная тяга подвески улитки; 7 – рама улитки; 8 – сфера; 9 – обойма; 10 – гайка; 11 – компенсатор

590

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

В этом случае проточная часть улитки будет обра-	тепловых перемещений улитки относительно дви-
зовываться защитными корпусами теплоизоляции.	гателя и рамы ГТУ. Существует большое разнооб-
Основные же детали корпуса и диффузора окажут-	разие схем подвески. На Рис. 9.8.3_1 показана под-
ся снаружи и будут работать при низких темпера-	веска, включающая в себя кронштейн подвески 4
турах. Преимуществом такого варианта является	и систему тяг 5, 6, соединяющихся с опорными
то, что жаростойкий материал потребуется только	элементами улитки и кронштейнами рамы 7 с по-
для тонких защитных корпусов, а массивные де-	мощью сферических подшипников, состоящих из
тали корпуса и диффузора можно изготовить из	сферы 8, обоймы 9, которая крепится к тяге с по-
дешевой конструкционной стали. Однако при та-	мощью гайки 10. Кронштейн подвески фиксирует
ком варианте труднее обеспечить тепловую развяз-	улитку в продольном и (вместе с горизонтальной
ку горячих и холодных деталей.	тягой подвески) в поперечном направлениях, а вер-
Подвеска улитки и элементы соединения улит-	тикальные тяги подвески – в вертикальном направ-
ки с двигателем должны обеспечивать возможность	лении.

Рисунок 9.8.3_2 – Улитка в разрезе 1 – корпус; 2 – наружный корпус диффузора; 3 – внутренний корпус диффузора; 4 – деф-

лектор; 5 – теплоизоляционные маты; 6 – защитные корпуса

591

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.8.3_3 – Основные геометрические параметры улитки

В зависимости от особенностей компоновки ГТУ улитка может иметь самую разнообразную конструкцию (см. Рис. 9_4). Она может представлять собой отдельную сборочную единицу или быть объединенной с силовой турбиной, может крепиться на общую с двигателем раму с помощью специальной подвески или устанавливаться непосредственно на двигатель, может располагаться выходным каналом вверх или под углом к вертикальной плоскости, может быть разборной или неразборной и т.д.

На Рис. 9.8.3_3 приведены основные геометрические параметры, используемые при проектировании улитки. Как видно из рисунка, улитка – многопараметрическое устройство, в связи с чем выбор ее геометрии является сложной задачей.

Следует отметить, что нельзя проектировать диффузор и корпус отдельно друг от друга, так как взаимное влияние течений в диффузоре и корпусе может быть значительным. Некоторые экспериментальные данные и рекомендации по проектированию улиток представлены в [9.12.10], [9.12.11] и др.

Процесс аэродинамического проектирования различных узлов ГТД (в том числе и выходных устройств) значительно ускоряется благодаря использованию современных численных методов. На Рис. 9.8.3_4 в качестве примера приведено распре-

Рисунок 9.8.3_4 – Течение в улитке (трехмерный расчет)

деление чисел Маха в улитке, полученное по результатам трехмерного численного расчета в пакете TascFlow (хорошо видно снижение скоростей в выходном устройстве).

592