книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок

1	2 Теплый воздух

Подвод воздуха отВСУ

Рис. 5.26. Схема системы обогрева:

1- коробка приводов; 2 - воздушный стартер;

3 - эжектор; 4,7 - трубопроводы; 5 - электропро­ водка; 6- электромагнитный клапан; 8- магис­

траль подвода воздуха к стартеру

закрывается. Для выравнивания температуры мас­ ла в масляной системе выполняется холодная про­ крутка двигателя.

5.5.Подготовка воздуха для ВС ГТД

Взависимости от места откуда берется и куда подается вторичный воздух параметры его по давле­ нию, температуре, «загрязненности» могут не удов­ летворять требованию надежной работы. В этом слу­ чае может потребоваться предварительная «под­ готовка» воздуха. Подготовка по давлению может производиться только в одну сторону - на уменьше­ ние. Осуществляется это дросселированием потока жиклером или регулирующим устройством (клапа­ ном, заслонкой и т.п.).

Более сложным по выполнению требованием

кВС наддува и охлаждения опор является требо­ вание по ограничению концентрации и размеров твердых абразивных частиц в воздухе, поступаю­ щем на наддув уплотнений масляных полостей. Это требование связано с необходимостью предот­ вращения возможного повреждения рабочих повер­ хностей подшипников упомянутыми абразивными частицами, причем наибольшую опасность для подшипников представляют частицы с размерами 10... 15 мкм и более.

Основными источником упомянутых твердых частиц является запыленный атмосферный воздух. Абразивные частицы могут также содержаться

ив продуктах износа прирабатываемых покрытий корпусов компрессоров.

5.5. Подготовка воздуха для ВС ГТД

Наиболее эффективным способом обеспечения чистоты воздуха, поступающего на наддув уплот­ нений масляных полостей опор, является исполь­ зование эффекта инерционной сепарации [5.14], что достигается соответствующим выбором места расположения и конструктивного исполнения мест отбора, а именно:

-каналы для отбора воздуха должны распола­ гаться возможно ближе к втулочным сечениям ГВТ (весьма эффективным в этом смысле представля­ ется отбор через каналы в роторе КВД),

-отверстия для отбора воздуха на деталях ста­ тора, по возможности, должны быть расположены

в«тени» крутых изгибов внутренней поверхности ГВТ или защищены установленными спереди от них по потоку специальными экранами.

Кроме этого, весьма эффективным мероприя­ тием по обеспечению чистоты воздуха может ока­ заться специально организованный перепуск наи­ более «запыленного» слоя воздуха с периферии проточной части в сечении за КНД в канал наруж­ ного контура (например, по типу ТРДД PW-4084) [5.15].

Для очистки воздуха от механических частиц могут также применяться так называемые инер­ ционные воздухоочистители, принцип действия которых основан на использовании эффекта инер­ ционной сепарации твердых частиц [5.16]. Инер­ ционные воздухоочистители подразделяются на инерционные воздухоочистители конфузорного (баллистического), жалюзийного и циклонного типов [5.17]. В воздухоочистителях конфузорного (баллистического) и жалюзийного типа сепарация частиц происходит в осесимметричном или плос­ ком потоке. В воздухоочистителях циклонного типа - в спирально-закрученном потоке воздуха. Применение в системах наддува опор ГТД всевоз­ можных фильтров является крайне нежелательным ввиду их высокого гидравлического сопротивле­ ния, а также существующей опасности загрязнения или обмерзания фильтрующих элементов.

Подготовка ВП по температуре заключается, как правило, в охлаждении воздуха в теплообменных устройствах. В качестве теплообменных устройств чаще всего применяются ВВТ. Охлаждающим воз­ духом служит воздух наружного контура двигателя (для ТРДД), для промышленных ГТД может исполь­ зоваться воздух от первых ступеней компрессора или забираемый из атмосферы. В последнем слу­ чае продувка теплообменника охлаждающим воз­ духом осуществляется при помощи вентиляторов

сэлектроприводом. ВВТ такого типа получили на­ звание «аппарат воздушного охлаждения» (АВО) (см. рис. 5.27). ВВТ, применяемые в воздушных системах ГТД, по конструкции делятся в основном на два типа: трубчатые и пластинчатые. (Подроб-

141

5.6. Особенности ВС наземных ГТУ

Воздушные системы наземных газотурбинных установок, созданных на базе авиационных ГТД, могут иметь отличия в конфигурации и парамет­ рах некоторых локальных воздушных систем, обус­ ловленных как особенностями конструкции ГТУ, так и особенностями конкретного объекта примене­ ния, например: измененную систему отбора возду­ ха на нужды объекта применения, дополнительную систему охлаждения силовой турбины, дополни­ тельную систему перепуска газа за турбиной газо­ генератора двигателей с целью облегчения их за­ пуска и т.д. Одним из важнейших требований, предъявляемых к наземным ГТУ, является требова­ ние по сохранению работоспособного состояния последних после т.н. аварийных остановов (АО), ко­ торые происходят по причинам, не связанным с от­ казами двигателя. При возникновении аварийных ситуаций в системах объекта применения (ГТЭС, ГПА и т.п.) АО ГТУ может выполняться практи­ чески с любого режима работы двигателя, вклю­ чая максимальный.

В этом случае, вследствие прекращения рабо­ ты системы охлаждения двигателя, может возник­ нуть значительный перегрев деталей опор, особен­ но «горячих» опор турбин [5.8]. Это, в свою очередь, может привести к развитию процесса ин­ тенсивного отложения продуктов термического разложения масла на внутренних поверхностях масляных полостей опор, а также в каналах и жик­ лерах подвода масла к подшипникам, вплоть до их полного «перекрытия».

Для предотвращения этого явления в системах наддува и охлаждения опор некоторых наземных ГТУ предусмотрена возможность их охлаждения не­ посредственно после АО воздухом, который начи­ нает подаваться от внешнего автономного источника в полости наддува или непосредственно в масляные полости [5.18]. Охлаждение опор от внешнего ав­ тономного источника может производиться также и после нормального останова ГТУ.

5.7.Агрегаты ВС

Ввоздушных системах двигателей для регули­ рования подачи воздуха применяются перекрываю­ щие устройства в виде заслонок и клапанов. Заслон­ ка - это агрегат, в котором перекрытие воздушного канала происходит при повороте запорного элемен­ та. В клапане канал перекрывается за счет посту­ пательного движения запорного элемента (см. рис. 5.29).

Срабатывание заслонок и клапанов происходит

автоматически или по специальной команде. В пер­

5. 7. Агрегаты ВС

вом случае источником энергии (усилия) для пе­ ремещения запорного элемента является давление подаваемого воздуха; во втором - для этого чаще всего используется внешнее усилие, создаваемое приводом. Агрегаты с приводом наиболее распро­ странены в воздушных системах.

По типу привода запорного элемента заслонки

иклапаны можно подразделить:

-на электроприводные, имеющие привод от элек­ тродвигателя (электромеханические заслонки) или от электромагнита (электромагнитные клапаны);

-на пневмоприводные, имеющие привод от пневмоцилиндра;

-на гидроприводные, имеющие привод от гид­ роцилиндра.

Выбор в пользу заслонки или клапана, наличия привода и его типа зависит от большого числа фак­ торов: параметров воздуха в магистрали; условий размещения агрегата (величина окружающей тем­ пературы, допускаемые габариты, уровень вибра­ ций и т.д.); требований по пропускной способнос­ ти и герметичности, алгоритму управления, времени срабатывания, надежности, эксплуатаци­ онной технологичности, массе.

На двигателях заслонки и клапаны устанавли­ ваются в магистралях с диаметром проходного се­ чения от 2 до 150 мм и более при давлении возду­ ха до 40 кгс/см2 и температуре до 650° С. При этом температура окружающей среды может повышать­ ся до 350...400° С.

При диаметре магистралей менее 30...40 мм обычно применяют только клапанные перекрыва­ ющие устройства (из-за конструктивной сложнос­ ти реализации заслонок малых размеров), а при больших диаметрах используют как клапаны, так

изаслонки.

Взаслонках, по сравнению с клапанами, можно получить меньшие потери давления при одинаковом проходном сечении, однако клапанные устройства могут быть выполнены более герметичными.

Вмагистралях с относительно большими раз­ мерами проходного сечения и невысокими пара­ метрами подаваемого воздуха могут устанавли­ ваться заслонки жалюзийного типа, в которых имеется несколько параллельно расположенных за­ порных элементов. Такое решение позволяет уменьшить габаритные размеры агрегата.

Бесприводные (автоматические) воздушные клапаны имеют малые массу, габариты и наиболее просты по конструкции. Они могут надежно рабо­ тать при высоких температурах подаваемого воз­ духа и окружающей среды. Примерно такими же качествами обладают пневмоприводные агрегаты. Агрегаты с гидроприводом незначительно проигры­ вают по массе и габаритным размерам, но допуска­ емая температура эксплуатации у них ниже из-за

143

Глава 5. Воздушные системы ГТД

\	J
	< ъ	Подвод
	Подвод
	*воздуха	воздуха
Отвод	< ъ
воздуха	1
1
Заслонка открыта		Заслонка закрыта
1	2
	/
,______L

<Ъ

Отвод

воздуха

Клапан закрыт

Рис. 5.29. Схемы перекрывающих устройств:

а- заслонка; б- клапан; 1- корпус; 2 - запорный элемент

возможности коксования рабочей жидкости в поло­ стях гидроцилиндра и опасности термического по­ вреждения резиновых уплотнительных колец. Электроприводные агрегаты имеют наибольшую массу и более жесткие температурные ограничения. Вме­ сте с тем, они не нуждаются в дополнительных ко­ мандных узлах и трубопроводах для обеспечения подвода и отвода рабочей жидкости или воздуха в гидроили пневмоцилиндры агрегатов.

Перечисленные качества дают только общее представление о преимуществах и недостатках заслонок и клапанов. Конкретные конструкции аг­ регатов могут иметь заметные отличия в свой­ ствах. Особенно это касается таких свойств и ха­ рактеристик, как надежность, эксплуатационная технологичность, масса. Если обратиться к сов­ ременным двигателям, то наиболее широко в воз­ душных системах применяются гидро- и пневмоприводные заслонки и клапаны; бесприводные

иэлектроприводные агрегаты устанавливаются реже.

Для изготовления деталей заслонок и клапанов в зависимости от рабочих температур применяются легированные стали, сплавы на никелевой основе

ититановые сплавы.

Примеры конструктивного исполнения засло­ нок и клапанов приведены на рис. 5.30, 5.31, 5.32, 5.33.

На рис. 5.30 показана электромеханическая зас­ лонка, содержащая электропривод 1 (электродви­ гатель и редуктор), установленный на корпус 2. В цилиндрическом канале корпуса на валу 3 раз­ мещен запорный элемент (собственно заслонка) 4. Соединение вала 3 с запорным элементом и валом электропривода выполнено с помощью шлиц. За­ порный элемент имеет круглую форму и канавку по периметру, в которой установлено металличес­ кое уплотнительное кольцо 5 для уменьшения пе-

144

Глава 5. Воздушные системы ГТД

Контрольные вопросы

1.Перечислите функции воздушной системы.

2.Назовите основные локальные воздушные сис­ темы ГТД.

3.Сравните различные варианты схемы подвода воздуха на охлаждение рабочей лопатки первой ступени ТВД.

4.Сравните различные варианты схемы подвода воздуха на охлаждение ступицы диска ТВД.

5.Какими соображениями определяется выбор па­ раметров воздуха, направляемого на над дув уплот­ нений масляных полостей опор?

6.Поясните, как изменяется с изменением режима работы двигателя перепад давлений в схеме с над­ дувом уплотнений непосредственно из воздушной полости двигателя, в которой расположена опора?

7.Назовите три основных типа схем наддува и ох­ лаждения опор ГТД. В чем их различие?

8.Поясните работу противообледенительной сис­ темы.

9.Как осуществляется отбор воздуха в систему кон­ диционирования самолета?

10.Каким образом обеспечивается очистка возду­ ха, направляемого на наддув уплотнений масляных полостей опор?

Англо-русский словарь-минимум

active clearance control (ACC) - система активного регулиро­ вания радиальных зазоров.

air-air heat exchanger - воздухо-воздушный теплообменник air bleed system( S ) - система отбора воздуха

air conditioning S. - система кондиционирования воздуха anti-icing S. - противообледенительная система

bearing - подшипник ball-bearing - шарикоподшипник

roller-bearing - роликоподшипник bearing support - подшипниковая опора bypass - наружный контур двигателя drain S. - дренажная система

inertial air cleaner - инерционный воздухоочиститель inlet\outlet air channel - входной\выходной воздуховод pressure ratio - перепад давления

seal pressurization S. - система наддува уплотнений secondary flow - вторичный поток

turbine cooling S. - система охлаждения турбины

Список литературы

5.1.The Jet Engine. Rolls-Royce pic

5.2.Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», Москва-

Ижевск, 2002.

5.3.Павленко В. Ф. Силовые установки летательных аппара­ тов вертикального взлета и посадки. - М.: Машиностроение, 1972.

5.4.С.М. Егер и др. Проектирование самолетов. - М.: Маши­ ностроение, 1983.

5.5.Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение, 1973.

5.6.В.К. Кординов и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1967.

5.7.Ж.С. Черненко и др. Самолет Ан-26. Конструкция и экс­ плуатация. - М.: Транспорт, 1977.

5.8.Конструкция и проектирование авиационных газотурбин­ ных двигателей. Под ред. Д.В. Хронина. - М.: Машинострое­ ние, 1989.

5.9.Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двига­ тели. Конструкция и расчет деталей.- М.: Машиностроение, 1974.

5.10.И.Т. Швец, Е.П. Дыбан Воздушное охлаждение деталей газовых турбин. «Наукова Думка», Киев, 1974.

5.11.Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. Под. ред. А.И. Голубева и Л.А. Кондакова. - М.: Машиностро­ ение, 1986.

5.12.Л.И. Франкштейн Опыт разработки и внедрения перс­ пективных схем и устройств в масляную систему авиацион­ ных двигателей. ISSN 0869-6772 Конверсия в машинострое­ нии - Conversion in machine building of Russia. 2003. №3.

5.13.Теория воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М. Шляхтенко, - М.: Машиностроение, 1975.

5.14.А..И. Пирумов. Аэродинамические основы инерцион­ ной сепарации. - М.: Гос. Изд-во литературы по строитель­ ству, архитектуре и строительным материалам, 1961.

5.15.«New superpower» «FLIGHTINTER-NATIONAL», 7 - 13 September 1994.

5.16.А.И. Пирумов Обеспыливание воздуха. - М.:Стройиздат, 1974.

5.17.Г.Ю. Степанов, И.М. Зицер Инерционные воздухоочис­ тители.- М.: Машиностроение, 1986.

5.18.Описание изобретения к заявке RU 94025938 27.05.96 Бюл. № 15.

5.19.Прудников С.Н. Расчет управляющих устройств пнев­ матических систем. - М.: Машиностроение, 1987.

Глава 6

СИСТЕМЫ СМАЗКИ И СУФЛИРОВАНИЯ ГТД

В ГТД кроме основных его узлов имеется боль­ шое количество трущихся деталей - подшипники роторов, приводов агрегатов и редукторов; зубча­ тые зацепления приводов и редукторов; пары тре­ ния агрегатов и другие. В результате трения про­ исходит износ деталей и выделяется значительное количество тепла, к которому добавляется тепло от нагретых деталей опор двигателя.

Подвод масла к трущимся деталям на их сма­ зывание и охлаждение обеспечивает одна из сис­ тем ГТД - система смазки и суфлирования (далее - маслосистема). Вместе с подводом масла она так­ же выравнивает и поддерживает на необходимом уровне давление воздуха в масляных полостях опор роторов, приводов агрегатов и редукторов ГТД.

Маслосистема в значительной степени опреде­ ляет надежность и ресурс двигателя.

6.1. Общие требования

Маслосистемы ГТД представляют собой сово­ купность устройств и агрегатов, обеспечивающих:

-смазку трущихся поверхностей;

-отвод тепла, выделяющегося при трении и пе­ редаваемого в масло;

-защиту трущихся поверхностей от наклепа

икоррозии;

-удаление продуктов износа из зоны трения

трущихся пар.

На большинстве ГТД масло используется так­ же для демпфирования опор роторов.

При необходимости, масло в ГТД может при­ меняться и в качестве рабочего тела для различных механизмов, агрегатов и т.п. Иногда масло исполь­ зуется для обогрева отдельных элементов двига­ теля.

Суфлирование обеспечивает удаление излишне­ го воздуха из масляных полостей в атмосферу, очи­ стку его от масла и возврат последнего в маслосистему. Суфлирование также поддерживает избы­ точное давление в масляных полостях двигателя

ив маслобаке на всех режимах работы двигателя. Избыточное давление в масляных полостях двига­ теля и в маслобаке улучшает работу нагнетающей

иоткачивающих ступеней блока маслонасосов.

Давление суфлирования, с одной стороны, дол­ жно быть достаточно высоким, чтобы нагретые воздух и газы не попадали в масляные полости, а с другой стороны - не достигать предельных ве­

личин, при которых могут быть выбросы паров масла в газовоздушный тракт ГТД и в атмосферу.

Требования, предъявляемые к маслосистеме:

-обеспечение надежной подачи масла с задан­ ными параметрами на всех режимах работы и ус­ ловиях эксплуатации;

-уменьшение износа трущихся пар;

-недопущение образования кокса во внутрен­ них полостях масляной системы и отложения смол на фильтрующих элементах, свидетельствующего

окачественном ухудшении физико-химических свойств используемого масла;

-минимальные безвозвратные потери масла

впроцессе работы.

Различного рода нарушения подачи масла, даже кратковременные, могут вызвать повышенный из­ нос, перегрев и заедание трущихся пар.

Время нахождения масла в двигателе должно быть по возможности минимальным, так как в про­ тивном случае значительно увеличивается насыще­ ние масла газами, возрастает нагрев и ускоряется процесс его окисления. Маслосистема должна не только обеспечивать подачу масла в двигатель, но

исвоевременно удалять нагретое и насыщенное воздухом масло.

Требования к конструкции ГТД, связанные с сис­ темой смазки и суфлирования:

-избегать в масляных полостях контактов ма­ лоподвижных объемов масла с сильно нагретыми поверхностями деталей во избежание коксования масла;

-не допускать попадания масла или его паров

всистему отбора воздуха для нужд летательного аппарата на всех режимах работы, включая пере­ менные режимы и стоянку;

-конструкция, технология изготовления, сбор­ ки и испытаний узлов и деталей, входящих в маслосистему двигателя, должны обеспечить необхо­ димую чистоту масла и масляных полостей;

-в системах трубопроводов не должно быть сильфонных соединений и застойных карманов; слив масла из системы должен быть полным; ма­ гистрали должны иметь минимальное число соеди­ нений в доступных местах;

-необходимо создать возможность удобных

подходов для:

а) быстрой заправки масла в систему открытым способом через заливную горловину или закрытым - под давлением;

б) слива масла;

149

Глава 6. Системы смазки и суфлирования ГТД

в) контроля уровня масла для определения его количества в баке;

г) замены отдельных агрегатов и их регулиров­ ки при необходимости;

- обеспечить контролепригодность маслосисте­ мы, что заключается в возможности оценки ее ра­ ботоспособности перед полетом и в полете как визуально, так и средствами системы автоматизи­ рованного контроля.

6.2. Схемы маслосистем ГТД

Применяются две принципиальные схемы мас­ лосистем:

-циркуляционная, в которой масло использует­ ся многократно для смазывания и охлаждения дета­ лей, вновь возвращаясь к ним после откачки, отде­ ления воздуха, очистки и охлаждения (см. рис. 6.1);

-разомкнутая (нециркуляционная), в которой масло после смазывания и охлаждения деталей выбрасывается в атмосферу.

Разомкнутую маслосистему применяют в тех случаях, когда ресурс ГТД ограничен, а цикл ра­ боты кратковременен. По сравнению с циркуляци­ онной, ввиду отсутствия части агрегатов, она су­ щественно проще, обладает меньшей массой, но имеет значительные безвозвратные потери масла

иоказывает вредное воздействие на окружающую среду.

Вразомкнутой системе смазки и суфлирования

иногда вместо масла может подаваться керосин, являющийся одновременно основным топливом.

В большинстве случаев маслосистемы выпол­ няются по циркуляционной схеме, обеспечиваю­ щей низкие безвозвратные потери масла и длитель­ ную непрерывную работу двигателя. Циркуляци­ онные системы подразделяются на одноконтурные,

вкоторых циркуляция происходит по схеме «бак - двигатель - бак», и двухконтурные, в которых бак

втой или иной степени исключается из циркуля­ ции масла. Любая из этих систем будет считаться открытой, если маслобак сообщается с атмосфе­ рой либо непосредственно, либо через суфлер дви­ гателя. Сообщение верхней, расположенной над маслом, полости бака с атмосферой через суфлер обуславливается желанием снизить безвозвратные потери масла путем уменьшения его выброса в ат­ мосферу в жидкой фазе. В открытых системах дав­ ление масла на входе в нагнетающий насос умень­ шается с увеличением высоты полета, и поэтому их высотность относительно мала.

Закрытые системы обладают большей высотно­ стью и обеспечивают ускоренный прогрев масла при запуске двигателя. В закрытых системах внут­ ри маслобака создается избыточное по отношению

к атмосферному давление. Величина избыточного давления поддерживается постоянной за счет кла­ пана, установленного на маслобаке или трубопро­ водах масляной системы.

Циркуляционная маслосистема любого двигате­ ля включает в себя подачу, охлаждение, очистку и от­ качку масла, а также суфлирование масляных поло­ стей с атмосферой. В зависимости от величины давления подаваемого в систему нагнетания масла маслосистемы могут быть двух вариантов.

Первый вариант - маслосистема обеспечивает постоянную подачу масла независимо от режима работы. Такая система называется «маслосистемой с регулируемым давлением масла на входе в дви­ гатель». Для поддержания постоянной прокачки масла после нагнетающего насоса установлен ре­ дукционный клапан (иногда его называют пере­ ливным). Редукционный клапан ограничивает под­ вод масла сверх количества, необходимого для смазки и охлаждения узлов трения при номиналь­ ном режиме работы двигателя.

Недостаток данной маслосистемы в том, что для обеспечения работы на номинальном режиме тре­ буется применение нагнетающего насоса, произ­ водительность которого на остальных режимах значительно превышает потребную, из-за чего зна­ чительную часть масла после выхода из насоса при­ ходится возвращать обратно на вход в него. То есть на малых режимах работы двигателя к трущимся по­ верхностям подается излишнее количество масла, что ухудшает характеристики маслосистемы.

Положительным является то, что в маслосистеме с регулируемым давлением масло подводится к узлам трения в полном объеме также и в случае аварийных утечек из нее до тех пор, пока суммар­ ная величина прокачки и аварийных утечек не пре­ высит подачу нагнетающего насоса. После этого начнет снижаться давление масла на входе, что приведет к срабатыванию сигнализатора мини­ мального давления.

Второй вариант - величина давления масла зависит от частоты вращения ротора ГТД, так на­ зываемая «маслосистема с нерегулируемым давле­ нием масла на входе в двигатель» или «полнопо­ точная маслосистема». Прокачка масла в этом случае зависит от частоты вращения, она всегда удовлетворяет действительную потребность узлов трения в нем, а запас нагнетающего насоса по про­ изводительности при этом незначителен.

Масло из нагнетающей ступени насоса посту­ пает к узлам трения в заданных количествах. Ко­ личество масла сверх нормированной прокачки через двигатель сливается в коробку приводов аг­ регатов через жиклер, диаметр которого подбира­ ется при первом испытании двигателя. Подбор диаметра жиклера выполняется для обеспечения

150