Данные ТРДДФ для формирования проточной части газогенератора
1. Основные данные и параметры термодинамического цикла на расчетном по прочности режиме работы (например взлетном). Вопрос о рациональном выборе параметров требует анализа многих факторов, в том числе чисто конструктивных, габаритных и компоновочных. Величина связана в значительной степени с выбором одноступенчатой или двухступенчатой турбины газогенератора. В простейшем случае, когда ротор вентилятора не имеет подпорных ступеней во внутреннем контуре.
При высоких значениях 25 ... 30 в двухвальных ТРДД с большой степенью двухконтуриостн (т > 5 ... 6) из-за низких значений 1,6 ... 1,8 обойтись без подпорных ступеней в роторе вентилятора не удается. Могут быть рассмотрены гезогенераторы с несколькими вариантами задания.
2. КПД, коэффициенты потерь в элементах проточной части, относительные величины отборов воздуха.
Рассмотренная методика формирования проточной части может быть использована для вариантных расчетов облика газогенератора (различная форма проточной части компрессора и т. п.) с целью поиска оптимальных решений в системе автоматизированного проектирования на ЭВМ (САПР).
Примеры формирования облика газогенераторов ТРДД и тенденции его развития
Рассматриваются три газогенератора, отличающиеся величиной температуры газа 77, уровнем напряжений растяжения в лопатках турбин, формой проточной части компрессора. Все газогенераторы имеют одинаковую размерность и одинаковую степень повышения давления = 15, характерную для ТРДД с большой степенью двухконтурности дозвуковых самолетов.
Газогенератор № 1 (гг-1) имеет максимальную температуру газа 1600 К, максимально допустимый диаметр втулки на выходе из компрессора, проточную часть с возрастающим средним диаметром, предельно низкий диаметр втулки на входе в компрессор. Параметр напряжения в лопатках двухступенчатой турбины принят на характерном современном уровне. Указанные особенности определили умеренные окружные скорости в компрессоре и турбине и достаточно большое число ступеней компрессора. Общее число ступеней в равно. Длина газогенератора достаточна велика. Для его реализации, видимо, потребуется конструкция ротора с тремя подшипниковыми опорами. В целом облик этого газогенератора типичен для некоторых ТРДД четвертого поколения (например, ТРДД типа CF-6 фирмы Дженерал Электрик).
Газогенератор № 2 отличается высокой максимальной температурой газа 1800 К. Параметр напряжения в лопатках турбины е такой же, как у гг-1. Необходимый запас прочности турбинных лопаток обеспечивается применением соответствующих систем охлаждения и материалами. Высокая температура газа позволяет получить примерно такую же работу турбины, что и в гг-1, при меньшей степени расширения в турбине. Поэтому давление за турбиной у гг-2 увеличивается, а площадь выхода из турбины уменьшается на 7 %. Это, согласно (18.8), позволяет при том же уровне напряжений в лопатках е увеличить частоту вращения ротора на 3,5 %. Кроме того, в компрессоре применена проточная часть const с падающим средним диаметром, что позволило заметно увеличить, входной наружный диаметр и на 17 % — средний диаметр компрессора (п. 19). В результате увеличения частоты вращения и среднего диаметра сильно возрос уровень окружных скоростей в компрессоре и число его ступеней сократилось с 15 до 11. Общее число ступеней в гг-2 при двухступенчатой турбине равно 13 вместо 17 у гг-1. Длина гг-2 примерно на 20 % меньше длины гг-1. В этом генераторе, по-видимому, уже можно применить двухопорную конструкцию ротора. В качестве варианта рассмотрена возможность применения в гг-2 одноступенчатой турбины. Этот вариант оказывается неприемлемым из-за слишком большого диаметра турбины.
Газогенератор № 3 (гг-3) имеет такую же температуру газа, как и гг-2 (1800 К), но отличается на 50% большим уровнем напряжения в лопатках турбины, что должно быть обеспечено применением более совершенных материалов рабочих лопаток с повышенной удельной жаропрочностью, улучшенных систем их охлаждения, облегченных конструкций охлаждаемых лопаток и т. п. Повышение уровней Г? и е позволяет увеличить частоту вращения ротора на 27 % по сравнению с гг-1. Это делает возможным применить одноступенчатую турбину с высокой окружной скоростью 617 м/с. Создаются предпосылки также для существенного уменьшения числа ступеней компрессора. Например, при сохранении проточной его части с const (как в гг-2) число ступеней компрессора уменьшается до 7, но окружная скорость на выходе в него возрастает до чрезмерно большой величины 600 м/с. В компрессоре добавляется одна ступень ( = 8). Общее число ступеней в гг3 = 9, т. е. почти в два раза меньше, чем в гг-1, а длина сократилась в 1,5 раза при несколько больших диаметральных габаритных размерах. При этом может быть получена конструкция короткого жесткого двухопорного ротора газогенератора. Приведенные примеры позволяют выделить следующие основные факторы, определяющие тенденцию развития облика газогенераторов ТРДД в направлении сокращения числа ступеней, типоразмеров элементов турбокомпрессора и числа деталей, а также уменьшения продольных габаритных размеров газогенератора:
1) Повышение температуры газа, способствующее увеличению частоты вращения ротора.
2) Применение новых турбинных материалов с высокой удельной жаропрочностью, высокоэффективных систем охлаждения и облегченных конструкции охлаждаемых лопаток, позволяющих повысить уровень параметра напряжения в рабочих лопатках
турбин.
3) Применение форм проточной части компрессора с понижающимся или постоянным средним диаметром.
4) Увеличение диаметра компрессора вплоть до 0, 92. При возможности значительного сокращения числа ступеней за счет других факторов (например, за счет увеличения частоты вращения (гг-3) 1 целесообразно наоборот уменьшить средний диаметр проточной части компрессора и перейти к меньшим значениям для получения более высоких КПД ценой некоторого увеличения числа ступеней.
5) Применение в перспективе малых размерах газогенератора осевых компрессоров с «замыкающей» центробежной ступенью.
1. Основные данные и параметры термодинамического цикла на расчетном по прочности режиме работы (например взлетном). Вопрос о рациональном выборе параметров требует анализа многих факторов, в том числе чисто конструктивных, габаритных и компоновочных. Величина связана в значительной степени с выбором одноступенчатой или двухступенчатой турбины газогенератора. В простейшем случае, когда ротор вентилятора не имеет подпорных ступеней во внутреннем контуре.
При высоких значениях 25 ... 30 в двухвальных ТРДД с большой степенью двухконтуриостн (т > 5 ... 6) из-за низких значений 1,6 ... 1,8 обойтись без подпорных ступеней в роторе вентилятора не удается. Могут быть рассмотрены гезогенераторы с несколькими вариантами задания.
2. КПД, коэффициенты потерь в элементах проточной части, относительные величины отборов воздуха.
Рассмотренная методика формирования проточной части может быть использована для вариантных расчетов облика газогенератора (различная форма проточной части компрессора и т. п.) с целью поиска оптимальных решений в системе автоматизированного проектирования на ЭВМ (САПР).
Примеры формирования облика газогенераторов ТРДД и тенденции его развития
Рассматриваются три газогенератора, отличающиеся величиной температуры газа 77, уровнем напряжений растяжения в лопатках турбин, формой проточной части компрессора. Все газогенераторы имеют одинаковую размерность и одинаковую степень повышения давления = 15, характерную для ТРДД с большой степенью двухконтурности дозвуковых самолетов.
Газогенератор № 1 (гг-1) имеет максимальную температуру газа 1600 К, максимально допустимый диаметр втулки на выходе из компрессора, проточную часть с возрастающим средним диаметром, предельно низкий диаметр втулки на входе в компрессор. Параметр напряжения в лопатках двухступенчатой турбины принят на характерном современном уровне. Указанные особенности определили умеренные окружные скорости в компрессоре и турбине и достаточно большое число ступеней компрессора. Общее число ступеней в равно. Длина газогенератора достаточна велика. Для его реализации, видимо, потребуется конструкция ротора с тремя подшипниковыми опорами. В целом облик этого газогенератора типичен для некоторых ТРДД четвертого поколения (например, ТРДД типа CF-6 фирмы Дженерал Электрик).
Газогенератор № 2 отличается высокой максимальной температурой газа 1800 К. Параметр напряжения в лопатках турбины е такой же, как у гг-1. Необходимый запас прочности турбинных лопаток обеспечивается применением соответствующих систем охлаждения и материалами. Высокая температура газа позволяет получить примерно такую же работу турбины, что и в гг-1, при меньшей степени расширения в турбине. Поэтому давление за турбиной у гг-2 увеличивается, а площадь выхода из турбины уменьшается на 7 %. Это, согласно (18.8), позволяет при том же уровне напряжений в лопатках е увеличить частоту вращения ротора на 3,5 %. Кроме того, в компрессоре применена проточная часть const с падающим средним диаметром, что позволило заметно увеличить, входной наружный диаметр и на 17 % — средний диаметр компрессора (п. 19). В результате увеличения частоты вращения и среднего диаметра сильно возрос уровень окружных скоростей в компрессоре и число его ступеней сократилось с 15 до 11. Общее число ступеней в гг-2 при двухступенчатой турбине равно 13 вместо 17 у гг-1. Длина гг-2 примерно на 20 % меньше длины гг-1. В этом генераторе, по-видимому, уже можно применить двухопорную конструкцию ротора. В качестве варианта рассмотрена возможность применения в гг-2 одноступенчатой турбины. Этот вариант оказывается неприемлемым из-за слишком большого диаметра турбины.
Газогенератор № 3 (гг-3) имеет такую же температуру газа, как и гг-2 (1800 К), но отличается на 50% большим уровнем напряжения в лопатках турбины, что должно быть обеспечено применением более совершенных материалов рабочих лопаток с повышенной удельной жаропрочностью, улучшенных систем их охлаждения, облегченных конструкций охлаждаемых лопаток и т. п. Повышение уровней Г? и е позволяет увеличить частоту вращения ротора на 27 % по сравнению с гг-1. Это делает возможным применить одноступенчатую турбину с высокой окружной скоростью 617 м/с. Создаются предпосылки также для существенного уменьшения числа ступеней компрессора. Например, при сохранении проточной его части с const (как в гг-2) число ступеней компрессора уменьшается до 7, но окружная скорость на выходе в него возрастает до чрезмерно большой величины 600 м/с. В компрессоре добавляется одна ступень ( = 8). Общее число ступеней в гг3 = 9, т. е. почти в два раза меньше, чем в гг-1, а длина сократилась в 1,5 раза при несколько больших диаметральных габаритных размерах. При этом может быть получена конструкция короткого жесткого двухопорного ротора газогенератора. Приведенные примеры позволяют выделить следующие основные факторы, определяющие тенденцию развития облика газогенераторов ТРДД в направлении сокращения числа ступеней, типоразмеров элементов турбокомпрессора и числа деталей, а также уменьшения продольных габаритных размеров газогенератора:
1) Повышение температуры газа, способствующее увеличению частоты вращения ротора.
2) Применение новых турбинных материалов с высокой удельной жаропрочностью, высокоэффективных систем охлаждения и облегченных конструкции охлаждаемых лопаток, позволяющих повысить уровень параметра напряжения в рабочих лопатках
турбин.
3) Применение форм проточной части компрессора с понижающимся или постоянным средним диаметром.
4) Увеличение диаметра компрессора вплоть до 0, 92. При возможности значительного сокращения числа ступеней за счет других факторов (например, за счет увеличения частоты вращения (гг-3) 1 целесообразно наоборот уменьшить средний диаметр проточной части компрессора и перейти к меньшим значениям для получения более высоких КПД ценой некоторого увеличения числа ступеней.
5) Применение в перспективе малых размерах газогенератора осевых компрессоров с «замыкающей» центробежной ступенью.