Глава 9 - Выходные устройства ГТД

9.8.4 - Соединения с выхлопными шахтами

Компенсатор – устройство, которое устанавливается между составными частями системы выхлопа, подвешенными независимо одна от другой, вследствие чего при нагревании системы во время

работы ГТУ происходят их взаимные перемещения. Для герметизации зазора между частями системы выхлопа, а также для компенсации их взаимного перемещения и предназначен компенсатор 11 (см. Рис. 9.8.3_1).

Компенсатор состоит из двух фланцев 1, 2 и соединительного элемента (см. Рис. 9.8.4_1).

Рисунок 9.8.4_1 – Компенсатор 1, 2 – фланцы; 3 – защитный слой; 4 – химически стойкий эластомер; 5 – ткань из мине-

рального волокна; 6 – слой теплоизоляции; 7 – металлическая сетка; 8 – теплоизоляционный мат; 9 – скользящий корпус

593

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Соединительный элемент представляет собой многослойную ленту, которая может состоять, в зависимости от назначения компенсатора, из различ- ных слоев:

-наружного защитного слоя 3 из ткани, покрытой эластичным полимером (эластомером);

-слоя из специального химически стойкого эластомера 4;

-слой из ткани минерального волокна 5;

-слоя теплоизоляции 6, защищающего слои из эластомера от воздействия высокой температуры;

Рисунок 9.8.4_2 – Сильфонный компенсатор

- формообразующего слоя из нержавеющей металлической сетки 7.

Для уменьшения теплового воздействия на соединительный элемент со стороны фланцев места крепления соединительного элемента к фланцам выносят на некоторое расстояние от горячей проточной части, располагая их на стенках, охлаждаемых воздухом.

Для исключения теплового воздействия на соединительный элемент со стороны газового потока полость между фланцами может заполняться теплоизоляцией или перекрываться теплоизолирующим матом 8.

Для уменьшения воздействия на соединительный элемент колебаний давления потока газа зазор между фланцами со стороны потока может перекрываться скользящим корпусом 9.

Компенсаторы могут иметь в качестве соединительного элемента металлический сильфон (см. Рис. 9.8.4_2). Сильфоны из коррозионностойких жаростойких сплавов могут работать при гораздо более высоких температурах, чем соединительные элементы из эластомеров, однако имеют худшую компенсирующую способность, особенно при поперечных и крутильных перемещениях.

Рисунок 9.8.5_1 – Выхлопная труба (внешний вид)

2 – наружная оболочка; 8 – ребро; 9 – окантовка; 14 – трансмиссия

594

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

9.8.5 - Выходные устройства вертолетных ГТД

Пример конструкции ВУ вертолетного ГТД приведен на Рис. 9.8.5_1 и 9.8.5_2. Выходное устройство представляет собой выхлопную трубу сварной конструкции, состоящую из фланца наружной оболочки 2, корпуса конического 3, корпуса цилиндрического 4, трех стоек 5, ребер 6, 7, 8, окантовки 9. Наружная оболочка 2, корпуса 3 и 4 образуют газовый тракт, через внутреннюю полость корпусов 3 и 4 проходит трансмиссия 14, соединяющая турбину винта с редуктором. Стойки 5 соединяют конический корпус 3 с наружной оболоч- кой 2.

В передней части к коническому корпусу 3 приварен компенсатор (сильфон) 10, который прижимается к корпусу турбины винта, препятствуя прорыву выхлопных газов в трансмиссию. Корпуса 3 и 4 соединены между собой компенсатором 11 для нейтрализации температурных расширений.

Фланцем 1 выхлопная труба крепится к переходнику 12 разъемным хомутом 13, что обеспечи- вает быстрый съем и монтаж выхлопной трубы. Переходник 12 крепится болтами к корпусу турбины винта.

К ребрам 7 и 8 крепится специальный вертолетный корпус для подогрева воздуха, отбираемого на нужды вертолета.

Выхлопная труба выполнена из листовой нержавеющей стали.

9.9 - Приложение 1.

Проблемы выходных устройств с широким диапазоном изменения πñ*.

Обеспечение аэродинамической устойчивости

В наибольшей степени эта проблема характерна для РС ВРД самолетов военного назначения. Дело в том, что при работе в широком диапазоне πÑ* практически всегда имеется рассогласование между потребной (для данной πÑ*) и действительной формой проточной части. Особенно большое рассогласование возникает на неустановившихся режимах работы, таких как приемистость, сброс, воспламенение топлива в форсажной камере (ФК) и т.д. Иногда такое рассогласование может вводиться специально, например, для обеспечения

Рисунок 9.8.5_2 – Выхлопная труба (продольный разрез)

1 – фланец; 2 – наружная оболочка; 3 – корпус конический; 4 – корпус цилиндрический; 5 – стойка; 6, 7, 8 – ребро; 9 – окантовка; 10, 11 – компенсатор; 12 – переходник; 13 – хомут

595

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

газодинамической устойчивости компрессора при включении и выключении ФК, увеличении и уменьшении форсированного режима: раскрытие сопла опережает процесс розжига и отстает при снижении режима и выключении ФК.

Это рассогласование приводит к возникновению нерасчетных режимов течения, характеризующихся появлением нестационарных возмущений из-за наличия зон неустойчивого торможения, отрыва потока, местных сверхзвуковых зон с замыкающими скачками уплотнения, которые в совокупности с подвижными элементами проточной части могут, если не принять специальных мер, привести к значительным динамическим нагрузкам на детали конструкции и даже к ее разрушению.

По-видимому, впервые столкнулись с этой проблемой, когда в проточной части сопла появился второй ряд створок, в конце 50-х годов прошлого века при доводке сопла двигателя J-79 [9.12.12]. Первая публикация на эту тему появилась в 1965 году [9.12.13].

Были описаны три типа аэродинамической неустойчивости:

-бафтинг при большой степени расширения сопла;

-вибрации при малой степени расширения;

-акустические колебания при низких πñ . Первый тип неустойчивости – бафтинг – на-

блюдался тогда, когда πñ была недостаточна для полного расширения. Тогда под действием замыкающего скачка уплотнения происходил отрыв потока, при этом было обнаружено явление гистерезиса в распределении давления в зависимости от направления изменения πñ (что является условием возникновения автоколебаний).

Второй тип неустойчивости – «вибрация при малой степени расширения сопла» – возникал, когда в канале реализовывались зоны как ускорения, так и торможения потока.

И третий тип неустойчивости – акустические колебания при низких πñ . Это явление аналогич- но генерированию звука в органных трубах.

В дальнейшем с проблемой аэродинамической устойчивости РС столкнулись при доводке ВУ двигателей J-93 [9.12.14], J-85-GE-13 [9.12.15, 9.12.16] и отечественных АЛ-21Ф, Р15 БФ2-300 [9.12.17].

«Автомодельная» конструкция сопла не спасает от этой проблемы. Это подтвердил опыт доводки сопла YF-101 [9.12.18], РД-33 и др.

Конструктивные решения можно свести к двум группам:

1 – аэродинамическое демпфирование;

2 – механическое демпфирование.

Аэродинамическое демпфирование реализуется соединением проточной части с полостью межстворчатого пространства с помощью продольных (J-79-5), кольцевых щелей (J-79-10, J-93) или отверстий в проставках (серийный J-93), перекрываемых на крейсерском режиме створками [9.12.14].

Такое решение неизбежно ухудшает характеристики.Установка проставок второго ряда с возможностью образования между створками и проставками щелей, открывающихся и закрывающихся под действием перепада давления, как на РД-33 [9.12.19], а также закрытие отверстий в проставках аэродинамически управляемыми клапанами [9.12.20, 9.12.21], как на Д-30Ф6, устраняет этот недостаток, хотя и усложняет конструкцию.

Соединение проточной части с межстворча- тым пространством стабилизирует положение скач- ка уплотнения, выравнивая давления перед скач- ком и за ним; уменьшает газодинамический момент на закрытие створок за счет перепуска воздуха из межстворчатого пространства в зоны с пониженным давлением.

К аэродинамическому решению можно отнести увеличение минимальной степени расширения

сопла Fâûõ/Fêð (с 1,47 до 1,53 на J-85; c 1,09 до 1,15 на YF-101; с 1,037 до 1,232 на АЛ-21Ф). Решение

основано на исключении возможности образования биконического сужающегося канала, в котором «горло» образуется жидким контуром на выходе из первого конуса (первого ряда створок), а далее сверхзвуковой поток тормозится в сужающемся втором конусе (втором ряде створок) с возникновением неустойчивого [9.12.22, 9.12.23] замыкающего скачка уплотнения [9.12.24] и неопределенностью положения критического сечения. Это решение также приводит к ухудшению параметров. Кроме того в соплах с большой степенью расширения (как на Д-30Ф6), где критическое сечение на бесфорсажных режимах расположено на выходе из второго ряда створок, оно неприменимо, как говорится, по «определению».

Механическое демпфирование – введение в конструкцию РС элементов с сухим трением, рассеивающих энергию колебаний. Попытка решить проблему только за счет механического демпфирования требует мощных демпферов сухого трения (80…100 кгс на Р-15-БФ2-300). Создание таких демпферов, надежно работающих при температуре до 800°С, – непростая задача.

Применение комбинированного решения – совместно аэродинамического и механического демпфирования – позволяет использовать надежные демпферы с относительно небольшим усилием трения (4…8 кгс на Д-30Ф6) и обеспечить минималь-

596

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

ные динамические нагрузки, гарантирующие надежную работу РС в течение заданного ресурса.

9.10 - Приложение 2. Принцип работы выходных

устройств диффузорного типа

Принцип работы ВУ можно понять из анализа уравнения Бернулли.

Будем считать поток газа в ВУ равномерным и несжимаемым. Тогда уравнение Бернулли можно записать в виде [9.12.25]:

(9.10-1)

ãäå P*1 – полное давление на выходе из турбины (на входе в ВУ);

P*2 – полное давление на выходе из ВУ; ∆Ð* – потери полного давления, обусловлен-

ные преобразованием (в результате трения) части механической энергии в тепловую.

Учитывая, что

,

получаем

(9.10-2),

ãäå P1, V1 – статическое давление и скорость газа на входе в ВУ;

P2, V2 – статическое давление и скорость газа на выходе ВУ;

ρ– плотность газа.

Если двигатель работает без выходного устройства и газ после турбины выходит в атмосферу, то статическое давление на выходе из турбины будет равно атмосферному P1 = Pí. Если же за турбиной установить ВУ, то P2 = Pí и из уравнения (9.10-2):

(9.10-3).

Из этого выражения следует, что при V2/V1 < 1 и достаточно низком сопротивлении ВУ ∆P* статическое давление на входе в ВУ P1 может быть меньше давления Pí, т.е. установка ВУ приведет к снижению статического давления за турбиной (на-

помним, что без ВУ за турбиной давление равно Pí) и, следовательно, к увеличению перепада давлений на ней. Согласно (9.10-3) разница давлений (Pí - P1) тем больше, чем меньше величина потерь ∆Ð* в ВУ и отношение скоростей V2/V1. Последнее говорит о том, что скорость потока в выходном устройстве должна снижаться (V2 < V1). Снижение скорости в выходном устройстве достигается за счет плавного увеличения его проходной площади Это следует из уравнения неразрывности:

(9.10-4),

ãäå G – расход газа;

F1 è F2 – проходные площади на входе и выходе ВУ.

Отсюда:

V2 / V1 = F2 / F1

(9.10-5).

Фактически снижать статическое давление на входе в ВУ за счет увеличения проходной площади можно только до определенного предела, так как с ростом отношения F2/F1 растет и величина потерь ∆Ð* и для каждого конкретного выходного устройства существует вполне определенное оптимальное соотношение площадей, при котором обеспечивается минимальное давление Ð1. В общем случае величина ∆Ð* зависит, как от газодинамических параметров потока на входе в ВУ (Ð*1, Ð1, V1 и др.), так и от геометрических параметров ВУ (формы, отношения площадей F1/F2, плавности увеличения проходной площади и др.). Оптимизация ВУ с точки зрения аэродинамики заклю- чается в выборе таких геометрических параметров, при которых в заданных габаритных ограничениях оно обеспечивает наибольшую разность стати- ческих давлений на выходе и входе (Ð2 - Ð1).

Для характеристики аэродинамического совершенства выходных устройств используются следующие коэффициенты.

Коэффициент восстановления статического давления (или коэффициент восстановления кинетической энергии), равный отношению изменения статического давления в ВУ к кинетической энергии потока на входе в него и показывающий, какая часть входной кинетической энергии переходит в стати- ческое давление:

(9.10-6).

597

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Следует отметить, что при большом сопротивлении ∆Ð* согласно формуле (9.10-2) разница давлений (Ð2-Ð1), а значит и коэффициент ξ, могут быть отрицательными. В этом случае выходное устройство приводит не к снижению, а к повышению статического давления за турбиной. Такое выходное устройство работает как дополнительное выходное сопротивление, ухудшая характеристики двигателя, и единственное его назначение – отвод газа от двигателя.

Коэффициент потерь полного давления (или коэффициент гидравлического сопротивления), равный отношению потерь полного давления в ВУ к кинетической энергии на входе и характеризующий величину потерь механической энергии внутри ВУ:

. (9.10-7)

Коэффициент восстановления полного давле-

íèÿ:

. (9.10-8)

Коэффициент полных потерь, учитывающий потери внутри ВУ ∆Ð* и потери кинетической энергии на выходе из ВУ:

.(9.10-9)

В литературе встречаются и другие, менее используемые характеристики выходных устройств. Значения аэродинамических коэффициентов для различных выходных устройств определяются, как правило, экспериментальным путем и приведены в специальной литературе. Знание этих коэффициентов позволяет по известным параметрам на входе в ВУ определить параметры на выходе (или наоборот), а также оценить потери в ВУ, что необходимо при его проектировании.

9.11 - Англо-русский словарьминимум

exhaust arrangement - выходное устройство ГТД propelling nozzle - реактивное сопло convergent nozzle - суживающееся сопло

convergent-divergent nozzle - суживающе-расширя- ющееся сопло

plug nozzle - сопло с затурбинным конусом (с центральным телом)

rear support struts - стойки задней опоры flow mixer - смеситель

mixer shutes - каналы смесителя

corrugated mixer - рифленый (лепестковый) смеситель

turbofan engine mixing chamber - камера смешения ТРДД

exhaust cone - конус выпуска (затурбинный конус) insulating blankets - изолирующие (шумоглушащие) панели

ejector nozzle - эжекторное сопло flat nozzle - плоское сопло

axisymmetric nozzle - осесимметричное сопло supersonic nozzle - сверхзвуковое сопло variable (area) nozzle - регулируемое сопло movable evelids - подвижные створки interblocking flaps - проставки

hydraulic actuator - гидропривод link - тяга

swivelling nozzle - поворотное сопло nozzle deflector - дефлектор сопла

two-position nozzle - двухпозиционное сопло vertical/short take-off and landing - вертикальный/ короткий взлет и посадка

thrust reverser - реверсивное устройство reverse thrust - реверсивная (обратная) тяга pre-exit reverse - РУ, расположенное до сопла post-exit reverse - РУ, расположенное за соплом blocker door - блокирующая створка

cascade - решетка (лопаток)

rotating cascade - отклоняющая решетка (РУ решет- чатого типа

rotating buckets - отклоняющиеся створки (РУ ковшового типа)

clamshell - отклоняющая створка (РУ створчатого типа)

exhaust system - выхлопная система exhaust duct - выходной (выхлопной) тракт noice suppressor - шумоглушитель

ram - скоростной напор

598