Система управления зазорами ТВД

Из-за различия характеристик температурного расширения ротора и корпуса турбины, зазор между корпусом турбины и концами лопаток (концевой зазор) меняется во время работы двигателя. Большой концевой зазор уменьшает эффективность турбины, что приводит к увеличению удельного расхода топлива и увеличению температуры газа, т.к. снижение эффективности компенсируется системой регулировки подачи топлива увеличением расхода топлива. Слишком маленький концевой зазор может привести к задеванию лопаток турбины о корпус.

Для предотвращения этих нежелательных последствий используется система управления зазорами турбины высокого давления. Охлаждающий воздух берется из КВД, в двигателе CFM56-3 воздух берется из-за 5-ой и 9-ой ступеней.

Логика управления контролирует оптимальный концевой зазор, для существующих на данный момент условий работы двигателя. Дополнительным эффектом является понижение температуры корпуса во время работы двигателя, что продлевает его срок службы.

Как утверждалось ранее, характеристики термического расширения корпуса и ротора турбины различны. Одной из причин этого является различное количество материала в роторе и тонкостенном корпусе. Другой причиной является больший диаметр корпуса в сравнении с диаметром ротора.

Во время работы реального двигателя термическая реакция ротора на изменение температуры газа складывается с центробежной силой. Это означает, что ротор расширяется благодаря теплу и центробежной силе.

Изменение радиального зазора происходит быстрее во время ускорения или замедления двигателя. Следовательно, логика управления системы должна учитывать динамическое и статическое рабочее состояние. На рисунке 6 показано изменение радиального зазора ТВД во время различных режимов работы двигателя без системы управления радиальным зазором и с воздействием системы активного управления зазорами:

1. Радиальный зазор во время установившегося режима работы:

Когда частота вращения вала стабилизировалась после перехода с низкого на высокий режим работы двигателя корпус и ротор турбины получают больше тепла от потока газов в сравнении с низким режимом работы двигателя. Оба компонента расширяются. Ротор также расширяется благодаря центробежной силе. Таким образом, он расширяется сильнее корпуса. Это ведет к уменьшению радиального зазора. Если высокий режим работы поддерживается определенное время, корпус медленно продолжает расширяться. Это ведет к увеличению радиального зазора. Для уменьшения зазора требуется больше холодного воздуха, чем на низком режиме работы двигателя. Наименьший зазор достигается через некоторое время после стабилизации работы на крейсерском режиме. В этом случае ротор работает при постоянной температуре и расширение останавливается.

Рис. 30. Изменение концевого зазора ТВД на разных фазах полета:

ACC – активное управление радиальным зазором (Active clearance control)

После перехода на более низкий режим работы, радиальный зазор изменяется в противоположном значении. Уменьшается температура газа и центробежная сила. Теперь ротор дает усадку сильнее корпуса и радиальный зазор увеличивается. Для его уменьшения система охлаждения увеличивает подачу охлаждающего потока воздуха с более низким уровнем температур.

2. Радиальный зазор во время ускорения (рис. 31, а):

Во время ускорения температура потока газов увеличивается. Зазор ротора начинает быстро увеличиваться вследствие увеличения температуры и центробежных сил. Радиальный зазор уменьшается. Теперь система должна уменьшить охлаждающий эффект. Иначе произойдет задевание ротора турбины за её корпус. При дальнейшем ускорении корпус турбины увеличивается быстрее ротора, и радиальный зазор опять открывается. Охлаждение изменяется таким образом, чтобы радиальный зазор оставался маленьким, и не произошло затирание ротора.

3. Радиальный зазор во время замедления (рис. 31, б):

Во время замедления, тепло, передаваемое от потока газов к корпусу и ротору турбины, уменьшается. Следовательно, оба компонента начинают давать усадку. Поскольку, центробежная сила также уменьшается, ротор в первые секунды уменьшается быстрее корпуса. Радиальный зазор открывается. Теперь система должна увеличить охлаждающий эффект для уравнивания степени усадки корпуса по отношению к ротору. В конце замедления радиальный зазор должен быть достаточно большим для предотвращения затирания ротора при резком ускорении.

Рис. 31. Изменение концевого зазора ТВД на разгоне и торможении

На двигателе CFM56-3, основными агрегатами системы активного управления зазорами являются: гидравлический клапан (HPTCCV – High Pressure Turbine Clearance Control), HPTCC таймер, а также трубопроводы соединяющих их с MEC. В зависимости от частоты вращения вала N₂ , MEC рассчитывает командное давление топлива, которое передается через трубопроводы к HPTCCV, который в свою очередь управляет открытием и закрытие клапанов. HPTCC таймер включается в работу в течение первых 185 секунд, при достижение (N₂ = 95%). Таймер срабатывает один раз за один рабочий цикл двигателя. Наличие таймера помогает предотвратить заброс температуры выхлопных газов.

Рис.32. Изменение температуры выхлопных газов, при работе HPTCC таймера, и при его выключенном состояние. D для холодного двигателя равна 15-20 °С, для горячего 5-10 °С [8]

Рис. 33. Схема работы системы активного управления зазорами ТВД [8]