УДК 62

МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ТРДД ПЕРСПЕКТИВНОГО ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА

Белова С.Е.
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва
доцент кафедры "Авиационные двигатели", канд., техн. наук, докторант очной докторантуры

Аннотация
Прослежено взаимовлияние основных геометрических и термогазодинамических параметров турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) для пассажирских самолетов. На основе анализа ТРДД 4, 4+ и 5 поколений сделаны выводы о выборе значений геометрических параметров перспективных ТРДД.

Ключевые слова: малошумные экономичные пассажирские самолеты, турбореактивный двухконтурный двигатель


METHODOLOGY FOR SELECTING OPTIONS FOR TURBOFAN ENGINE OF PASSANGER AIRPLANE

Belova S.E.
Rybinsk State Aviation Technical University named after P.A. Solovyov

Abstract
This article is about methodology for selecting options for turbofan engine of passanger airplane.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Белова С.Е. Методология выбора параметров ТРДД перспективного пассажирского самолета // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/01/20405 (дата обращения: 30.09.2017).

В настоящее время ведутся активные научно-исследовательские и проектные работы по созданию двигателей для перспективных малошумных экономичных пассажирских самолетов. При проектировании перспективных ТРДД необходимо учитывать сложное взаимовлияние различных параметров турбины и двигателя в целом, при этом целесообразно принимать во внимание широкий спектр рекомендаций, предложенных российскими и зарубежными учеными на основании экспериментальных и аналитических исследований.

Одной из основных задач создания ТРДД для перспективных пассажирских самолетов является обеспечение требуемой степени двухконтурности m, в значительной степени влияющей на важнейшие эксплуатационные характеристики, как двигателя, так и самолета, а также его акустические характеристики.

Определяющим геометрическим параметром с точки зрения обеспечения требуемой степени двухконтурности является диаметр разделительной обечайки D0 [1], который определяет и возможность размещения турбины низкого давления (ТНД) на максимальном диаметре. Повышение наружного диаметра выходного сечения ТНД Dптнд вызвано необходимостью снизить число ступеней zt при сохранении достаточно высокой окружной скорости uтср. На рисунке 1 показана взаимосвязь средней окружной скорости турбины и относительной высоты лопаток Dср/hт [9]: очевидно, что для реализации высоких окружных скоростей перспективных турбин необходимо находить разумный баланс между расположением выходного сечения турбины на максимально возможной высоте и применения оптимальных по высоте и динамико-прочностным характеристикам лопаток.

Число ступеней турбины определяется выражением: ,

где садт – располагаемая скорость газа в турбине; – средняя окружная скорость турбины; Dтср – средний диаметр турбины, Dкср – средний диаметр компрессора, uк – скорость вращения ротора компрессора на среднем диаметре; y = 0,5…0,55 – коэффициент нагруженности (причем, для ТНД и ТВД оптимальные значения данного коэффициента будут различны [6, с. 12]). Что касается нагруженности ступеней, то в проектируемых ТРДД её стараются увеличить. Такой путь уже был применен компанией Honeywell для 3-ступенчатой ТНД, в итоге реализации удалось снизить число ступеней с 3-х до 2-х и увеличить нагруженность ступени на 37 % [5].

Рисунок 1. Взаимосвязь средней окружной скорости турбины и относительной высоты лопаток [9]

Анализ перспектив авиадвигателестроения выявляет тенденцию к повышению диаметральных размеров вентилятора (Dпв) и при определенных значениях относительного диаметра втулки вентилятора dвт в – к росту D0. В таблице 1 приведены перспективные значения Dпв, а также других основных параметров узлов двигателей для гражданских самолетов поколений N2A, N2B [1]. Из приведенной таблицы определяются и перспективные значения dвт в для рассматриваемых двигателей.

Таблица 1. Параметры узлов двигателей для самолетов поколений N2A, N2B

Характеристики N2A N2B
π*в = 1,4 π*в = 1,5 π*в = 1,6 π*в = 1,7 π*в = 1,5
Диаметр

вентилятора, м

3,215 2,935 2,713 2,548 1,422
Окружная

скорость, м/с

342 397 444 483 397
Относительный диаметр втулки

вентилятора

0,31 0,31 0,31 0,31 0,31
Zкнд+Zквд  ÷  Zтвд+Zтнд 2 + 9 ÷ 2 + 3 2 + 9 ÷ 2 + 3 2 + 9 ÷ 2 + 3 2 + 9 ÷ 2 + 3 5 + 9 ÷ 2 + 5

 

Вместе с тем анализ конструкций серийных и спроектированных за последние 10 – 20 лет ТРДД (4 и 4 + поколений) показывает, что диаметр выходного сечения ТНД Dпвых
практически у всех ТРДД превышает диаметр разделительной обечайки D0 (таблица 2).

Анализ геометрии этих двигателей позволяет сделать еще ряд выводов. Наблюдается взаимосвязь высоты последней лопатки ТНД и определенных параметров двигателя: суммарного числа ступеней компрессора двигателя zк (рисунок 2), высоты лопатки последней ступени ТНД hт и числа ступеней ТНД z (рисунок 3), отношения hт вых/ Dт вых (рисунок 4); отношения Dт ср/hт и hт/b (рисунок 5).

Соотношение Dт вых/D0 перспективных ТРДД превышает единицу. Например, перспективный ТРДД компании Rolls-Royce для самолета поколения N + 3 (характеризуется существенным улучшением экономических и экологических характеристик, начало эксплуатации планируется на 2030-2035 гг.) имеет отношение Dт вых/D0 =1,41; трехвальный ТРДД RB285 (Rolls-Royce) – 1,125 [3].

Турбины современных двигателей, как правило, имеют формы проточных частей турбин близкие к Dср=const и Dвт=const. Известно, что форма проточной части Dп=const при возможности получать максимальную окружную скорость во всех ступенях опасна высокой степенью вероятности появления срыва потока и неудобством формирования компоновки газогенератора из-за высокого значения dвх п.

Рисунок 2. Зависимость высоты последней лопатки ТНД и суммарного числа ступеней компрессора ТРДД 4 и 4+ поколений (анализ авторов)


Рисунок 3. Взаимозависимость высоты лопатки последней ступени ТНД и числа ступеней ТНД ТРДД 4 и 4+ поколений (анализ авторов).

Рисунок 4. Взаимосвязь высоты последней лопатки ТНД и отношения h т вых/D т вых (анализ авторов).

 

Степень раскрытия меридионального профиля проточной части турбины, характеризующаяся углом раскрытия γ, оказывает влияние на значение Dпвых . При этом tg γ изменяется пропорционально удлинению лопатки последней ступени и обратнопропорционально числу ступеней ТНД. При реализации формы Dср=const должно выполняться ограничение γвт= 15º–18º [2, с.366]. Влияние на угол раскрытия γ оказывает отношение удлинений рабочих лопаток в первых и последних ступенях. Это отношение может достигать 0,45–0,55 [4]. Рост величины γz/hт вызывает рост степени понижения давления в турбине низкого давления π*тнд. На основе анализа выполненных ТРДД 4 и 5 поколений можно сказать, что отношение z/hт падает при росте отношения hт вых/D0 (рисунок 6).

 


Рисунок 5. Взаимосвязь отношений Dт ср/hт и hт/b [8].

Для определения оптимальных диаметральных габаритов выходного сечения турбины необходимо оценить напряженное состояние рабочей лопатки последней ступени ТНД [4]. Согласно имеющимся результатам исследований [2, с.573], наиболее существенное влияние на растягивающие напряжения в лопатках последней ступени турбины оказывают окружные скорости компрессора uк и коэффициент производительности компрессора, где Gв – действительный расход воздуха через компрессор, Gв0 – теоретический расход, достижимый в случает отсутствия втулки, а также при скорости воздуха на входе, равной критической скорости, и при отсутствии окружной составляющей [2, с.177].

Рост π*тнд может (из условия равенства работ) наступить только в условиях увеличения степени повышения давления в компрессоре низкого давления π*кнд, очевидно, что в этом случае возрастет и π*Σ. Как следствие – при реализации более внушительных степеней повышения давления в компрессоре температура воздуха за последней его ступенью Т*к возрастет, равно как и по очевидным причинам Т*г (при неизменных параметрах процесса подвода тепла в камере сгорания).

Рисунок 6. Взаимосвязь отношений z/hт и hт вых/D0

От значения T*г зависит и температура газа в окружной движении перед рабочим колесом T*1w [7], со значением которой связана проблема, пока окончательно не нашедшая решения при проектировании современных двигателей. Очевидно, что её значение определяет температуру материала лопаток. С одной стороны, с позиции получения улучшенных технико-экономических характеристик двигателя, необходимо повышать T*г . С другой стороны, с позиций организации системы охлаждения целесообразно иметь умеренные значения T*1w, в оптимальном случае получающиеся при соотношении u/сад, соответствующем максимуму лопаточного (адиабатического) КПД. При снижении T*1w снижается степень реактивности ступени. При очень низких значениях степени реактивности падает осевая сила, т.е. нарушается равновесие между силой, тянущей компрессор вперед и турбину назад. Вследствие этого растет нагрузка на заднюю опору, возникает необходимость устанавливать эксклюзивные – рассчитанные на данную, и довольно высокую, нагрузку подшипники. Отечественное машиностроение в настоящий момент не готово к производству таких подшипников и, как показывает практика, оснащение двигателя такими подшипниками иностранного производства ведет к настолько резкому удорожанию изделия, что оно перестает быть конкурентоспособным.

Для перспективных ТРДД, имеющих сверхвысокие степени двухконтурности, проблема шума турбины становится весьма актуальна – для перспективного пассажирского самолета показательным является шум, генерируемый в области аэропортов и жилых зон, т.е. шум, издаваемый на пониженных режимах. Режимы с пониженной тягой характерны для взлета и посадки. Известно, что на этих режимах шум турбины имеет более высокий уровень, чем другие составляющие шума двигателя.

Все существующие на данный момент средства шумоподавления относятся к пассивным, то есть глушится уже существующий звук. Для перспективных ТРДД с целью глушения шума турбины предлагается установка звукопоглощающих конструкций. Проведенный анализ эффективности предлагаемых различными программами к применению на турбинах перспективных ТРДД пассивных средств глушения шума показывает, что они не дадут того уровня снижения шума, которое корреспондировалось бы с тенденциями изменения соответствующих требований.

Развитие науки и техники в настоящее время заставляет активно воздействовать на источники шума. Разработка активных способов борьбы с шумом, его глушение в источнике, сейчас все еще представляют собой значительную сложность и, к тому же, нуждаются в новых и новых исследованиях, но именно они и должны быть применены для снижения шума турбин перспективных ТРДД. Например, предлагается метод влияния на ротор-статор взаимодействие, основанный на оптимальной с точки зрения генерируемого шума организации взаимодействия лопаток рабочего колеса последней ступени ТНД с закромочным следом лопаток соплового аппарата.


Библиографический список
  1. Богомолов Е.Н., Пономарев В.А., Ремизов А.Е Меридиональное положение входной части разделительной обечайки двухконтурных турбореактивных двигателей. Статистическое обобщение.// Вестник РГАТА имени П.А. Соловьева, 2008. – №2 (14) – 88 с.
  2. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. – М.: Машиностроение, 1970;
  3. Скибин В.А., Солонин В.И. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей./ Под общей редакцией. – М.: Изд-во ЦИАМ, 2010;
  4. Богомолов Е.Н., Добродеев В.П. Проектирование проточной части турбокомпрессора авиационного газотурбинного двигателя./. – Ярославль: Изд-во Ярославского политехнического института, 1991;
  5. Ultra Efficient Engine Technology Program. Performance Report. NASA. 2003
  6. Кузьмичев В.С., Трофимов А.А. Проектный расчет основных параметров турбокомпрессоров авиационных ГТД: Учебное пособие. – Куйбышев, издание КАИ имени С.П. Королева, 1990.
  7. Стечкин Б.С.. Теория реактивных двигателей. / Под ред. Стечкина Б.С.. – М.: Гос. Изд-во оборонной промышленности, 1956.
  8. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. – М.: Машиностроение, 1979.
  9. Шляхтенко С.М., Сосунов А.А. Теория турбореактивных двухконтурных двигателей. – М.: Машиностроение, 1979.


Все статьи автора «Светлана Белова»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: