Исследование целесообразности применения и газодинамической эффективности ТНД с «обратным» вращением ротора

1.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1.1. О существе и практической значимости проблемы К важнейшим характеристикам авиационных двигателей, в первую очередь, относятся их экономичность и удельный вес. В значительной мере эти характеристики определяются газодинамическими и конструктивными особенностями узла турбины, который в современных двухконтурных двигателях (ТРДД) состоит из турбины высокого давления (ТВД), приводящей компрессор, и турбины низкого давления (ТНД), приводящей вентилятор. При вращении роторов ТНД и ТВД в одну сторону (прямое вращение ротора ТНД) это существенно увеличивает угол поворота потока в первом сопловом аппарате (СА1) ТНД, что способствует увеличению в нём профильных и особенно вторичных потерь. Кроме того, в сопловом аппарате необходимо применять уменьшенный относительный шаг (т.е. СА1 будет иметь повышенное число лопаток).В этой связи, в практике мирового авиационного двигателестроения разрабатываются конструкции ТРДД с противоположным вращением роторов ТНД и ТВД (обратное вращение ротора ТНД). В этом случае угол поворота потока в СА1 ТНД значительно уменьшается, что приводит к снижению в нём профильных и вторичных потерь. Кроме того, в таком СА могут применяться более редкие решётки, что способствует уменьшению числа лопаток, снижению веса турбины и, возможно, уменьшению расхода охлаждающего воздуха. Схема ТВД и первой ступени ТНД в случае одностороннего и противоположгюго вращения роторов приведена на рис. 1.1. Следует также отметить, что в двигателях с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД существенно снижается суммарный гироскопический момент, что улучшает маневренность самолета. ^ 2 ТВД <^ОТНД Односторонее Противоположное вращение ротора ТНД Рис. 1.1. Схема ТВД и первой ступени ТНД в случае прямого и противоположного вращения ее ротора. Другой важной тенденцией в современном авиационном двигателестроении является упрощение конструкции, уменьшение числа венцов и деталей турбины, в том числе ее лопаток. Это также способствует повышению газодинамической нагруженности каждой ступени и увеличению закрутки потока на выходе. Например, в двухконтурном двигателе замена двухступенчатой турбины газогенератора одноступенчатой высоконагруженной ТВД приводит к значительному уменьшению кинематического параметра w/c,-^, увеличению закрутки потока на выходе и некоторому снижению ее КПД. Конечно, снижение газодинамической эффективности одноступенчатой ТВД частично компенсируется уменьшением расхода воздуха на её охлаждение (при неизменной температуре газа перед турбиной). Кроме того, введение в этом случае противоположного вращения ротора ТНД снижает потери в её первом сопловом аппарате и также способствует восстановлению эффективности узла турбины. Расчетно-конструкторские проработки ряда двигателестроительных организаций показывают, что в зависимости от типа и схемы многовального авиационного двигателя применение противоположного вращения роторов вследствие допускаемых при этом повышенных теплоперепадов в предыдущих каскадах турбины может привести к уменьшению массы двигателя и его габаритов на 10 —-15%, сокращению числа лопаток в горячей части на 10 -ь 20%, повышению температуры газа перед турбиной ГД на 50 -г 100 Л" (при неизменном расходе воздуха на охлаждение рабочего колеса высокоперепадной ТВД).Все это подчеркивает необходимость и актуальность исследования ТНД в условиях противоположного (по отношению к ротору ТВД) вращения её ротора. Исследование турбин с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД ведется во многих развитых странах. Работы указанного направления интенсивно проводились в США, Англии, России, Германии и КНР, результаты исследований нашли применение в ряде двигателей. В частности, на фирме «Роллс-Ройс» в трехвальном двигателе «Трент» 1000 (узел турбины выполнен по схеме 1+1+6) двухвальный газогенератор имеет противоположное вращение роторов. Противоположное вращение роторов применяется в двигателях этой же фирмы RB529, RB211. На фирме «Дженерал Электрик» в двигателе GEN X (узел турбины выполнен по схеме 2+7), а также в двигателях GE36, GE12 ротор ТНД врашается в направлении, противоположном обычно принятому для двигателей ОБ. На фирме «Пратг-Уитни» (двигатели 501М78, Е^ F119-PW-100), в США (двигатель F-119, новейшие двигатели Р-120и ХТЕ-б6), в Европе (двигатель EJ-200) и др. также используется противоположное вращение роторов. Турбины двухвальных ТРДД F-119 и EJ-200 выполнены по схеме 1+1 (см. рис. 1.2 и 1.3), в СА ТНД этих двигателей происходит лишь небольшой поворот потока. В двухвальном двигателе F-120 с противоположным вращением роторов используется одноступенчатая ТВД и одноступенчатая ТНД без соплового аппарата. Типичная турбина по схеме 1+2 с противоположным вращением роторов изображена на рис. 1.4. Применительно к этой турбине в работе [47] было проведено сравнительное расчетное исследование влияния разностороннего вращения роторов на силовые связи двигателя с самолетом. Расчеты нагрузок на подвеску двигателя, инерционного и гироскопического моментов, возникающих при эволюциях самолета, и др. проводились на основе метода конечных элементов MSC/NASTRAN с учетом жесткости роторов и корпусов двигателя. Результаты исследования показали, что в случае противоположного вращения роторов радиальная нагрузка на опоре за ТНД уменьшилась на 20%, инерционный момент, действующий на подвески двигателя, уменьшился на 30%, а КПД ТНД увеличился примерно на 0.015 по сравнению с их величинами при одностороннем вращении роторов.Рис. 1.2. Схема двигателя F-119-PW-100 (турбина 1+1) Рис. 1.3. Схема двигателя EJ-200 (турбина 1+1) Рис. 1.4. Схема турбины 1+2 ТРДЦ с противоположным вращением роторов Все более широкое распространение ТРДЦ с противоположным вращением роторов получают в области гражданской авиации. Например, на фирме ЕРТ (Europrop International) разработан трёхвальный ТРДЦ ТР400−06 (турбина по схеме 1+1.5+3) с противоположным вращением ротора среднего давления. На фирмах «Пратг-Уитни» и «Роллс-Ройс» для самолета В7Е7 разработаны соответственно двухвальный ТРДЦ PW-EXX и трёхвальный ТРДЦ RB262, в которых используются турбины с противоположным вращением роторов. Противоположное вращение роторов применено на двигателе Е^ (турбина по схеме 1+4, программа «Energy, Efficiency, Engine»), а также на двигателе PW-6000 (см. рис. 1.5). оа Рис. 1.5. Схема горячей части двигателя PW-6000 Схема горячей части трехвального двигателя RB-211−535Е4 с турбиной, выполненной по схеме 1+1+3, показана на рис. 1.6.Рис. 1.6. Схема горячей части двигателя RB-211−535Е4.

4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам исследований, выполненных в настоящей диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. В современном двигателестроении для гражданской авиации применяются и разрабатываются вновь двухконтурные двигатели с противоположным вращением роторов. Газодинамическая эффективность узла турбины с противоположным вращением роторов ТВД и ТНД исследована недостаточно. Публикации на эту тему в мировой литературе имеют, как правило, лишь качественный или рекламный характер.

2. Проведенный в диссертации анализ показал, что в типичном ТРДД для ГА обратное вращение ротора ТНД особенно целесообразно в случае применения одноступенчатой высокоперепадной ТВД при среднем уровне реактивности рт = 0.43 -ь 0.45 и значениях и / cis = 0.43 -г 0.45. В этом случае имеет место максимальное снижение веса ТВД без существенного снижения ее эффективности, а повышенная закрутка потока на выходе эффективно используется в СА1 ТНД.

3. Дополнительная верификация, проведенная на 4-х плоских решетках, 3-х прямых решетках с меридиональным раскрытием, а также на двухступенчатой ТНД с обратным вращением ротора, подтвердила достоверность расчетных методов, используемых в настоящей диссертации для анализа и оптимизации турбинных решеток и лопаточных аппаратов с малым углом поворота потока.

4. Численная оптимизация относительного шага в исследованных плоских решетках по уровню профильных потерь, а в решетках с меридиональным раскрытием — по уровню суммарных потерь показала, что оптимальное значение шага существенно зависит от режима работы решетки: на дозвуковых режимах (Х20.7 -s- 0.8) для всех исследованных решеток.

0−85 + 0.9- на умеренных сверхзвуковых режимах (X2is = 1.0 1.1) в решетках с большим углом поворота потока /опт = 0.6 -г- 0.65, а в решетках с малым углом поворота потока tom= 0.7 0.75 (т.е. больше на 10 + 15%).

5. В решетках с меридиональным раскрытием и малым углом поворота потока на дозвуковых и околозвуковых режимах суммарные потери примерно на 0.02, а вторичные потери — на 0.015 меньше, чем в аналогичной решетке с большим углом поворота потока. При этом с увеличением относительного шага (при условии р2э = const) вторичные потери решетках заметно уменьшались, что объясняется в первую очередь уменьшением потерь трения (из-за уменьшения суммарной поверхности лопаток и увеличения конфузорности межлопаточных каналов).

6. Сопоставление результатов численного и экспериментального исследования двухступенчатой ТНД с обратным вращением ротора подтвердило прогнозируемое повышение ее эффективности: суммарные потери в СА1 снизились практически на 0.03, число лопаток уменьшилось на 35% (от 69 до 45), а угол выхода потока at уменьшился от 35° до 30.6° по сравнению с их значениями в СА1 ТНД с прямым вращением ротора.

7. Снижение суммарных потерь в СА1 ТНД с обратным вращением ротора обусловлено в первую очередь уменьшением вторичных потерь на 0.02, что объясняется уменьшением потерь трения (вследствие уменьшения суммарной поверхности лопаток и снижения уровня скоростей при обтекании слабо изогнутых лопаток).

8. Показано, что в решетках и лопаточных аппаратах коэффициент геометрической конфузорности следует определять по конструктивному углу решетки на выходе р2к, поскольку именно этот угол во многом определяет структуру потока вблизи выходного сечения решетки.

9. К основным факторам, влияющим на потери в СА1 ТНД, помимо угла поворота потока и коэффициента геометрической конфузорности, следует отнести конструктивный угол решетки на выходе р2к" уг°л сужения межлопаточного канала на выходе Е2 и угол «отставания» выходной кромки от эффективного угла решетки мкр.

10. При проектировании узла турбины с противоположным вращением роторов целесообразно: понижать осевую скорость на выходе из ТВД, что уменьшает меридиональное раскрытие СА1 ТНД;

— увеличивать конфузорность выходного участка межлопаточных каналов СА1 ТНД, что уменьшает уровень потерь трения и вторичных потерь;

— применять по возможности «задненагр'уженные» профили.