Охлаждение и уплотнение компонентов

Большая часть внутреннего воздушного потока используется для охлаждения компонентов ротора двигателя. Следуя по воздушному потоку от передней части двигателя, зона с компонентами, нуждающимися в воздушном охлаждении, начинается с компрессора высокого давления. Воздух поступает во внутренние полости ротора высокого давления с переднего края КВД или одной из ступеней КВД. Внутри барабана ротора воздух направляется к заднему краю каскада и также охлаждает внутренние поверхности дисков ротора ТВД. Затем охлаждающий воздух покидает каскад ВД и используется для охлаждения дисков ТНД. На рис. 5. приведен пример такого воздушного потока.

Для правильного охлаждения определенных компонентов двигателя необходим воздух с определенными параметрами температуры и давления. Более того, конструктор должен тщательно выбрать правильную ступень компрессора в качестве источника охлаждающего воздуха.

На последней ступени компрессора ВД воздух от основного потока может поступать в полость между ротором ВД и корпусом камеры сгорания. Для предотвращения утечки из основного потока между ротором ВД и корпусом камеры сгорания обычно устанавливается уплотнение. Оно называется CDP (Compressor Discharge Pressure) уплотнение или уплотнение баланса тяги. На рис. 6. показано уплотнение CDP лабиринтного типа. Оно также может иметь конструкцию щеточного типа. Оба эти типа уплотнения имеют общую черту: сквозь них может пройти только небольшое количество воздуха. Т.о. небольшое количество воздуха поступает через уплотнение CDP во внутреннюю полость корпуса камеры сгорания и давление воздуха здесь ниже, чем давление на выходе из компрессора [2].

Рис. 6. Уплотнение CDP (Compressor Discharge Pressure) двигателя CFM56-7B

Этот воздух далее используется для уплотнения и охлаждения ТВД. Если полость подшипника находится внутри центральной части корпуса камеры сгорания, этот воздух так же используется для ее уплотнения. В конструкции некоторых двигателей не предусмотрено уплотнений CDP. Давление воздуха на выходе последней ступени ротора КВД передается на переднюю поверхность диска ТВД.

Полость подшипника во внутренней полости корпуса камеры сгорания требует охлаждения для снижения температуры стенок, чтобы предотвратить коксование масла. Воздух направляется из внешней системы через воздушный радиатор. После этого воздух проходит по воздушным каналам вокруг полости подшипника, он подается во внутренний поток корпуса камеры сгорания.

Следующей важной зоной охлаждения является турбина высокого давления. Применяемые в настоящее время турбины высокого давления имеют не более двух ступеней. Обычно рабочие лопатки и сопловой аппарат обоих ступеней охлаждаются воздухом. На рис. 7. показано охлаждение турбины высокого давления двигателя SAM-146.

Рис. 7. Поток охлаждения турбины высокого давления двигателя SAM-146 [3]

Для охлаждения первой ступени используется вторичный воздух из камеры сгорания. Часть охлаждающего воздуха сразу после камеры сгорания направляется внутрь лопаток соплового аппарата. Для охлаждения лопаток ротора воздух направляется через кольцо воздушных форсунок в неподвижном корпусе камеры сгорания в направлении вращающегося диска ТВД. Для направления охлаждающего воздуха внутри ротора к лопаткам первой ступени в конструкции многих турбин предусмотрены полости между вращающимся воздушным уплотнением и диском ТВД с передней его части. Т.о. охлаждающий воздух может проходить через эту полость, радиально выходить наружу к замковой части лопаток, где он входит в лопатки.

Для охлаждения лопаток второй ступени используется воздух от последней ступени компрессора. За уплотнением CDP воздух проходит через внутреннюю полость корпуса камеры сгорания. Отсюда воздух входит в полость между дисками турбины через отверстия в ступице диска первой ступени турбины и протекает через охлаждающие каналы лопаток.

Охлаждающий воздух для лопаток соплового аппарата второй ступени турбины высокого давления подается из более ранней ступени компрессора, чем охлаждающий воздух для первой ступени турбины. Воздух направляется к статору через внешние трубки. У некоторых двигателей подача охлаждающего воздуха может быть частично отключена для экономии топлива на крейсерском режиме работы. В этой фазе полета температуры газа ниже, чем во время работы на высокой мощности.

Необходимо уплотнить зазор между ротором и статором с передней и задней части ротора. Там установлены лабиринтные уплотнения. Воздух для этих уплотнений выходит из внутренней полости камеры сгорания и из ротора ВД.

2.1.2. Компенсация осевых усилий давлением

Компрессор и турбина передают большие осевые усилия на конструкцию ротора газотурбинного двигателя. Компрессор вызывает силу, направленную вперед, а турбина – назад. Результирующее осевое усилие создает нагрузку, направленную вперед, на упорный подшипник ротора. Для уменьшения размеров упорных подшипников на всех валах при желаемом сроке службы конструкторы уменьшают результирующую нагрузку, используя перепады давлений, воздействующие на ротор. На рис. 8. показан данный принцип для ротора НД.

Рис. 8. Принцип компенсации осевых усилий давлением

Применяя перепад давления на дисках ротора ТНД (или опорах ротора ТНД) генерируется сила, направленная назад. Для этой функции используются, главным образом, компоненты дисков и вала турбины низкого давления. Остаточная осевая нагрузка на упорный подшипник ниже, чем при отсутствии компенсации давлением, но не равняется нулю. Данная осевая нагрузка должна сохраняться достаточно высокой для поддержания правильной работы упорного шарикоподшипника. В таком подшипнике шарики относительно крупные, потому что осевые нагрузки выше радиальных. Поэтому минимальная осевая нагрузка должна обеспечивать качение шариков. В противном случае шарики могут скользить в беговых дорожках подшипника, что приводит к повреждению подшипника.

2.1.3. Наддув полости подшипника

Продолжительный наддув полости подшипника – это подача уплотняющего воздуха в полость подшипника. Для правильной работы уплотнений вала между валом и перегородкой полости подшипника уплотняющий воздух должен проходить через уплотнения внутри полостей подшипников в соответствии с типом уплотнений (лабиринтные или графитовые). Воздух для уплотнения обычно отбирается от основного потока между двумя компрессорами для уплотнения передней и задней полостей подшипников. Если установлена центральная полость подшипника, для ее наддува используется воздух за уплотнением CDP.

Для обеспечения воздушного уплотнения полостей подшипников необходима организация дренажа этих полостей. Поэтому в качестве третьей подсистемы системы смазки установлена дренажная система. Такая дренажная система может быть организована при помощи дренажных трубок для каждой полости подшипника, проложенных через корпуса. Либо вал НД используется как корпус для трубок (GEAE & CFM). На рис. 9. показан вариант конструкции подобной системы [2].

Рис. 9. Наддув полости подшипника двигателя CFM56-7B

Дренажный воздух покидает двигатель по центральной дренажной трубе через задний конец вала НД. Т.о. нет необходимости во внешних вентиляционных трубках.

Внешние воздушные системы

Воздушные системы, установленные на двигателе, необходимые для работы двигателя принадлежат к внешним воздушным системам. В этой группе находятся системы охлаждения и вентиляции, активного управления зазорами и система управления компрессором.

2.2.1. Системы охлаждения и вентиляции

Данная группа систем охлаждения включает все воздушные системы для охлаждения компонентов и вспомогательного оборудования двигателя. Для охлаждения компонентов воздух отбирается от потока вентилятора через простые трубки и воздуховоды. На рис. 10. Показаны такие трубки с левой стороны двигателя V2500.

Рис. 10. Охлаждение компонентов системы зажигания двигателя V2500 [2]

Использование проводов высокого напряжения в системе зажигания приводит к необходимости их воздушного охлаждения. На агрегатах в газогенераторе пусковые воспламенители так же имеют воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух проходит через щель между корпусом пускового воспламенителя и охлаждающим кожухом. Воздух выходит из охлаждающего кожуха через отверстие охлаждения провода высокого напряжения. Охлаждающее отверстие находится между изоляцией и внешней стальной оплеткой провода высокого напряжения.

Системы вентиляции используются для обеспечения необходимой вентиляции воздухом полостей между капотами и корпусом двигателя. Это необходимо для охлаждения компонентов, установленных на корпусах двигателя и для предотвращения накопления огнеопасных паров в случае утечек жидкости. Капоты, установленные вокруг двигателя, создают две или более полостей, нуждающихся в вентиляции. Одна полость находится между капотом вентилятора и корпусом двигателя; другая – между капотом газогенератора и корпусами газогенератора, включая корпуса ТНД. Полость под капотами вентилятора продувается наружным воздухом. Встречный воздух входит в подкапотную полость через отверстия для впуска воздуха и выходит через выпускные отверстия под углом 180° в сторону от впускных отверстий.

Полость под капотом газогенератора продувается воздухом от вентилятора из канала вентилятора (вторичного контура). Воздух входит в подкапотную полость газогенератора через воздухозаборники совкового типа или простые отверстия в капоте и выходит либо через щель между капотом газогенератора и первичным соплом, либо через клапан на капоте в положении 6 часов. Количество охлаждающего воздуха, проходящего через подкапотную полость, зависит, главным образом, от разности давлений воздуха в канале вентилятора и наружного. Для усиления вентиляции во время полета на низких высотах на некоторых двигателях открываются дополнительные воздушные клапаны для увеличения расхода воздуха в подкапотную полость. На рис. 11. Показан принцип вентиляции капота вентилятора.

2.2.2. Система активного управления зазорами

Газотурбинные двигатели работают с разными температурами газа, которые меняются в зависимости от режима работы и температуры наружного воздуха. Энергия на нагрев ротора и корпуса турбины поступает от газового потока, имеющего различные температуры. 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 расхода топлива на килограмм тяги в час и увеличению температуры газа, т.к. снижение эффективности компенсируется системой регулирования подачи топлива увеличением расхода топлива. Слишком маленький концевой зазор может привести к задеванию лопаток турбины о корпус.

Для предотвращения этих нежелательных последствий необходима система управления температурным расширением. Данную функцию обеспечивает система охлаждения с изменяемым эффектом охлаждения – активная система управления зазорами. Охлаждающий воздух отбирается от КВД или из канала вентилятора и подается на поверхность корпуса турбины [2].

Система управления контролирует оптимальный концевой зазор для существующих на данный момент условий работы двигателя. Дополнительным эффектом является понижение температуры корпуса во время работы двигателя. Это продлевает срок службы корпуса. Для поддержания охлаждения во время отказа системы в некоторых двигателях применяются клапаны турбины низкого давления, которые обеспечивают минимальный расход воздуха в закрытом положении клапана для работы в условиях безопасного отказа. Это предохраняет тонкостенные корпуса турбин низкого давления от работы с превышением температуры материалов, когда система не управляется. На рис. 12. показана схема системы управления зазорами турбины.

Рис. 12. Схема системы управления зазорами турбины двигателя SAM-146 [3]

Эффективность КВД оказывает большое влияние на удельный расход топлива двигателя. Т.о. имеет смысл минимизировать концевые зазоры для максимальной производительности. Во многих двигателях ротор КВД имеет постоянный неуправляемый внутренний поток воздуха. При расширении корпуса и ротора на высоких частотах вращения и больших степенях повышения давления концевые зазоры уменьшаются. Концевые зазоры должны быть сконструированы с запасом для предотвращения задевания, т.к. охлаждение ротора неконтролируемое. Эффективность компрессора можно увеличить, если использовать этот запас для уменьшения концевых зазоров во время набора высоты и крейсерского полета. Эту функцию может выполнять система, которая подогревает ротор КВД во время данных фаз полета теплым воздухом компрессора, либо система, которая перекрывает внутренний поток охлаждения. У двигателя CFM56-5С имеется система управления зазорами КВД. У этого двигателя она называется Активная Система Управления Зазорами Ротора, она направляет теплый воздух КВД внутрь барабана ротора КВД. На рис. 13. показана траектория движения охлаждающего воздуха внутри ротора КВД.

Рис. 13. Схема управления зазорами КВД двигателя CFM56-5C

2.2.2.1. Компоненты системы активного управления зазорами

Воздух для охлаждения отбирается из канала вентилятора или из соответствующей ступени КВД. В канале вентилятора, направляющем воздух для охлаждения в зону корпуса турбины, установлен клапан управления потоком воздуха. Этот клапан управления зазорами в турбине используется для управления количеством воздуха, подаваемого на обдув корпуса турбины. Вследствие того, что требуется разное количество охлаждающего воздуха в ТВД и ТНД, в каждой турбине требуется собственный клапан (а также в КВД, если установлена система активного управления зазорами в КВД). Для выполнения данной функции используются клапаны плавного регулирования и двухпозиционные клапаны (двигатели RR Trent). Для равномерного распределения, воздух подается через блок охлаждающих трубок, установленный вокруг корпуса турбины. У трубок этого охлаждающего блока имеются мельчайшие выпускные отверстия со стороны корпуса турбины.

На двигателях CFM используется более сложная система активного управления зазорами ТВД. Здесь используется воздух, отбираемый от двух точек КВД. Клапан управления зазорами ТВД на этих двигателях используется как для управления количеством охлаждающего воздуха, так и коэффициентом смешения двух воздушных потоков. Изменяя коэффициент смешения можно управлять температурой охлаждающего воздуха. Эта система показана на рисунке 14.

Рис. 14. Система регулирования зазоров турбины двигателя CFM56-7B (фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – клапан регулирования зазора между статором и ротором турбины высокого давления (HPTCCV); 2 – клапан регулирования зазора между статором и ротором турбины низкого давления (LPTCCV)

2.2.2.2. Работа системы активного управления зазорами

Как известно, характеристики термического расширения корпуса и ротора турбины различны. Одной из причин этого является различная масса материалов, использованных в конструкциях ротора и тонкостенного корпуса. Другой причиной является бóльший диаметр корпуса в сравнении с диаметром ротора.

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

Изменение радиального зазора происходит быстрее во время ускорения или замедления двигателя. Следовательно, закон, по которому работает система, должен учитывать динамическое и статическое рабочие состояния.

На рисунке 15. показано изменение радиального зазора ТВД во время различных режимов работы двигателя без системы управления радиальным зазором и с воздействием системы активного управления зазорами:

Рис. 15. Изменение концевого зазора ТВД на разных фазах полета [2]

1. Радиальный зазор во время установившегося режима работы:

Когда частота вращения вала стабилизируется 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. Поэтому, 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.

В этот момент система усиливает охлаждение с целью еще большего уменьшения радиального зазора без опасности контакта ротора и статора.

Исключением для этого может быть работа при экстремально высоких температурах газа на взлетном режиме. Здесь ротор расширяется от эффекта центробежной силы и экстремальных температур газа. Для предотвращения контакта ротора и статора турбины, охлаждение корпуса устанавливается на минимум или выключается.

После перехода на более низкий режим работы, радиальный зазор изменяется в противоположном направлении. Уменьшается температура газа и центробежная сила. Теперь ротор сжимается 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 разгона (см. рис. 16.):

Во время разгона температура потока газов увеличивается. Ротор начинает быстро расширяться 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 расширяется быстрее ротора, и радиальный зазор опять увеличивается. Охлаждение изменяется таким образом, чтобы радиальный зазор оставался маленьким, и не произошло касание ротора и статора.

3. Радиальный зазор во время замедления (см. рис. 16.):

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 увеличивается. 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 контакта ротора и статора при резком ускорении.

Рис. 16. Изменение концевого зазора ТВД при разгоне и замедлении [2]

2.2.2.3. Логика управления и входные сигналы

Для работы системы управления зазорами система электронного управления двигателем ЕЕС (Electronic Engine Control) системы FADEC рассчитывает положение клапана управления зазорами. Для выполнения этих расчетов блоку ЕЕС необходимы некоторые входные значения, в основном частота вращения ротора (N₁ и/или N₂), высота и режимы работы (ускорение, замедление, установившийся режим). Более сложные системы, установленные на ТВД двигателей CFM56 (как показано на рис. 17.), используют некоторые дополнительные входные сигналы, поскольку они выполняют более сложные расчеты. Ниже перечислены данные входные сигналы:

· N₂ (обороты ротора КВД);

· T_{корпуса} (температура корпуса ТВД);

· Полная температура воздуха на входе в двигатель TAT (Total Air Temperature);

· P₀ (давление на входе в двигатель);

· T₃₀ (температура воздуха за КВД);

· T₂₅ (температура воздуха на входе в КВД);

· Сигнал о переходном состоянии переходного клапана отбора.

Рис. 17. Система управления зазорами ТВД двигателя CFM56-7В [2]

Расчет выполняется поэтапно:

· Блок EEC рассчитывает тепловое состояние ротора ТВД и расход воздуха основного контура двигателя, используя данные частоты вращения N₂ и полной температуры воздуха на входе в двигатель ТАТ (Total Air Temperature).

· Он устанавливает теоретический запрос и регулировку зазоров при тепловом расширении в соответствии с данными Р₀, N₂, Т₃₀.

· Он рассчитывает положение клапанов, используя данные N₂, T₃₀, T₂₅, T_{корпуса} и сигнал переходного клапана отбора воздуха.

Для достижения охлаждающего эффекта, описанного выше, у системы, использующей кран с регулировкой отбора воздуха от вентилятора, поток воздуха для охлаждения ТВД обеспечивается только во время набора высоты и крейсерского режима полета. На двигателях CFM56 охлаждение ТВД работает на всех режимах работы с соответствующим охлаждающим эффектом.

2.2.3. Системы управления компрессором

Компрессоры турбовентиляторных двигателей гражданских ВС разработаны для оптимальной работы на расчетном режиме. Им является рабочий режим в крейсерском полете. Для работы на режиме ниже крейсерского компрессорам необходима система, поддерживающая расход воздуха в пределах допусков и предотвращающая помпаж. Для обеспечения этого установлена система управления расходом воздуха компрессора. На типичном двигателе, представленном на рисунке 18., имеются следующие системы:

· Система регулируемых клапанов отбора воздуха VBV (Variable Bleed Valves) (или система продувки) на выходе из КНД;

· Система поворотных лопаток статора VSV (Variable Stator Vanes) для КВД;

· Клапаны отбора воздуха от определенных ступеней КВД.

Рис. 18. Расположение компонентов системы управления компрессором двигателя CFM56-7В

В двигателях с гидромеханическим управлением эти системы управляются гидромеханическим топливным регулятором или отдельным агрегатом. На двигателях, управляемых FADEC (цифровая система управления с полной ответственностью), контроль осуществляет компьютер FADEC.

2.2.3.1. Система регулируемых клапанов отбора воздуха VBV

С уменьшением частоты вращения КНД ниже расчетного режима, осевая скорость потока воздуха также уменьшается. Это ведет к увеличению углов атаки лопаток ротора. Для предотвращения достижения лопатками критических углов атаки регулируемые клапаны отбора воздуха открываются и сбрасывают часть воздуха из газового тракта на выход КНД. Поскольку сброс сжатого воздуха ведет к потере энергии, створки VBV открываются только на время, необходимое для сброса определенного количества воздуха из газового тракта. На рисунке 19. показана створка VBV в промежуточном положении. VBV увеличивает площадь своего выходного сечения с уменьшением частоты вращения КНД.

Рис. 19. Расположение створок VBV (Variable Bleed Valves) на двигателе CFM56-7B [2]

Используются различные варианты механических конструкций VBV. На двигателях производства GEAE (General Electric Aircraft Engines) и CFM навесные створки закрывают отверстия между радиальными стойками корпуса двигателя (корпуса вентилятора), расположенными за КНД. На рис. 20. и рис. 21. показан механизм VBV, установленный на двигателе CFM56-7B.

Рис. 20. Механизм системы регулируемых клапанов отбора воздуха (VBV) двигателя CFM56-7B (фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – топливный мотор; 2 – датчик определения положения створок клапанов перепуска воздуха

Рис. 21. Механизм системы регулируемых клапанов отбора воздуха (VBV) двигателя CFM56-7B (фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – главный угловой привод; 2 – створка регулируемого клапана перепуска воздуха; 3 – привод створки; 4 – гибкий вал; 5 – тяга обратной связи положения створок

Для расчета положения VBV электронная система управления двигателем (EEC) использует несколько входных сигналов. В зависимости от разработчика системы управления используются различные входные сигналы. Входные параметры двигателей PW4000 и V2500:

· Частота вращения N₁;

· Частота вращения N₂;

· Число М;

· Высота Н;

· Угол положения рычага тяги TRA;

· Статическая температура на входе T₂.

Основным параметром расчета положения регулируемых клапанов перепуска (VBV) является частота вращения N₁. Как показано на упрощенном графике (рис. 22.), существует прямая зависимость между частотой вращения N₁ и требуемым положением VBV.

Рис. 22. График зависимости частоты вращения N₁ и требуемого положения регулируемых клапанов перепуска (VBV) при влиянии частоты вращения N₂ [2]

Это рассчитанное положение VBV отклоняется с использованием других параметров:

· Использование частоты вращения N₂ учитывает изменение скольжения роторов и рабочие характеристики во время ускорения и замедления. Во время замедления уменьшается запас по помпажу КНД.

Достаточный запас по помпажу поддерживается при большем открытии VBV. Т.о. программа VBV на переходных режимах отличается от программы работы на установившемся режиме.

· Результатом учета числа М, высоты H и статической температуры на входе Т₂ является смещение линии помпажа.

CFM56-7В:

· Частота вращения ротора N₂;

· Частота вращения ротора N₁;

· Положение VSV;

· T₁₂ (полная температура на входе);

· Высота Н.

Здесь первичным параметром для расчета положения VBV является частота вращения ротора N₂. Соответствующая схема представлена на рис. 23.

Рис. 23. График зависимости частоты вращения N₂ и требуемого положения регулируемых клапанов перепуска (VBV) при влиянии частоты вращения N₁ [2]

Расчет положения клапанов основывается на использовании следующих параметров:

· Влияние температуры оценивается использованием положения VSV. Система управления VSV рассчитывает положение VSV, используя Т₂₅;

· При использовании N₁ происходит выравнивание частоты вращения ротора и учитывается линия рабочего процесса при ускорении и замедления;

· Учитывая полную температуру на входе Т₁₂ и высоту H, принимается во внимание смещение линии помпажа.

На примерах, представленных выше, угол РУД используется для определения работы реверса (включения реверса) двигателя. Перепускные клапаны открываются больше во время таких специальных условий работы для увеличения запаса по помпажу.

VBV также используется для помощи при восстановлении устойчивой работы после срывных процессов и помпажа. Если блок ЕЕС определяет срыв потока или помпаж, он переместит клапаны VBV в максимально открытое положение.

2.2.3.2. Система поворотных лопаток статора VSV

Во время работы на низких частотах вращения угол атаки лопаток ротора компрессора на передних ступенях увеличивается. Для сохранения оптимального угла атаки на всех рабочих частотах вращения КВД лопатки ВНА и статора первых 3-4 ступеней (до 6 ступеней на разных моделях CF6) сконструированы как поворотный направляющий аппарат. У трехкаскадных двигателей поворотными лопатками обычно оборудовано меньше ступеней, чем у двухкаскадных двигателей. У двигателей Trent 700 и 500, например, на 1 и 2 ступенях промежуточного компрессора имеется поворотный входной направляющий аппарат и поворотные лопатки статора.

Механическая конструкция систем поворота лопаток статора различных двигателей очень похожа. Поворотные лопатки имеют внутреннюю и внешнюю цапфы. Внутренние цапфы закреплены в канале внутреннего бандажного кольца. Внешние цапфы закреплены в канале корпуса компрессора. Внешний конец внешней цапфы выступает через корпус компрессора. Рычаг лопатки и гайка установлены на внешней цапфе [2].

Свободный конец рычага лопатки имеет узел вращения, который установлен в отверстии кольцевого привода. Каждый кольцевой привод состоит из двух половин, скрепленных болтами. Данная конструкция необходима, чтобы сделать возможной сборку компонентов. Для перемещения лопаток все кольцевые приводы компрессора должны быть одновременно повернуты на определенный угол. Во время этого перемещения кольцевые приводы скользят относительно подвижных опор, обеспечивающих центровку приводов. Эти опоры так же предотвращают вибрацию кольцевых приводов вместе с рычагами лопаток. Система приводится в движение одним или двумя гидравлическими приводами. Перемещение каждого гидравлического привода передается на кольцевые приводы при помощи механизма. Может использоваться один большой или два маленьких привода, в зависимости от доступного пространства для привода и механизма.

На рис. 24. показан механизм системы поворотных лопаток статора КВД.

Рис. 24. Механизм системы поворотных лопаток статора КВД (VSV) двигателя CFM56-7B (фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – привод управления регулируемыми лопатками направляющих аппаратов КВД

Угол установки поворотных лопаток изменяется во время работы двигателя от положения на максимально низкой частоте вращения (закрытое положение) до положения на максимально высокой частоте вращения (открытое положение) для поддержания оптимального угла атаки на лопатках ротора. Блок ЕЕС рассчитывает положение привода VSV в соответствии с заданными программами и перемещает VSV в нужное положение. Требуемый угол лопатки зависит от частоты N₂ и корректируется по температуре воздуха на входе в КВД Т₂₅. Т.о. N₂ и Т₂₅ являются первичными параметрами для расчета положения VSV. Для типичной системы управления VSV у двигателя, контролируемого FADEC, блоком ЕЕС используются следующие входные параметры:

· Первичные параметры:

- N₂, T₂₅ (для расчета приведенной частоты вращения КВД);

· Вторичные параметры:

- Высота Н;

- Угол положения рычага тяги TRA;

- Частота вращения N₁;

- Полная температура на входе в двигатель ТАТ (Total Air Temperature).

Программы заданы для устойчивого режима работы, разгона и замедления. Упрощенный пример показан на рис. 25.

Рис. 25. Упрощенная программа работы клапанов VSV с программами для устойчивого режима и разгона двигателя [2]

Две частоты вращения ротора и высота используются для отклонения (настройки) регулятора VSV во время разгона.

Разгон определяется по изменению частот вращения вала. При использовании программы разгона клапаны VSV находятся в более закрытых положениях для поддержания достаточного запаса по помпажу при разгоне. С увеличением высоты программа разгона перемещает лопатки в направлении закрытия для сохранения запаса по помпажу даже на больших высотах.

Во время резких разгонов или резких ускорений после замедления лопатки немного смещаются в положение более закрытое, чем во время медленного разгона, для предотвращения слишком маленького запаса по помпажу в данных условиях. Запас по помпажу уменьшается во время резкого разгона из-за впрыска большего количества топлива, чем при плавном разгоне и более высокого давления на выходе камеры сгорания. На рис. 26. видно уменьшение границы помпажа на графике работы компрессора.

Рис. 26. Уменьшение запаса по помпажу КВД во время разгона [2]

Полная температура воздуха на входе в двигатель ТАТ (Total Air Temperature) используется для определения возможного обледенения ниже определенной высоты (20000 футов (6096 м), например) для защиты компрессора от срыва потока в этих условиях. Если данные условия выполняются (высота ниже 20000 футов (6096 м) и полная температура на входе в двигатель ТАТ ниже +2°С), расчетное положение VSV изменяется в более закрытое положение на несколько градусов для увеличения запаса по помпажу.

Поворотные лопатки статора также используются, когда нельзя ничего сделать с запасом по помпажу. Когда программа для разгона (или специальная программа для замедления) используется во время замедления, VSV более закрыты, чем при программе устойчивой работы. Это уменьшает расход воздуха и время, необходимое двигателю для замедления. У некоторых двигателей, где используется программа для устойчивой работы во время замедления, эта функция применяется только во время восстановления режима после заброса оборотов одновременно с уменьшением расхода топлива.

2.2.3.3. Перепускные клапаны КВД

Дополнительно к поворотным лопаткам статора бывает необходимо использовать перепускные клапаны КВД для предотвращения срыва потока в КВД на низких частотах вращения ротора во время запуска двигателя. Они называются перемещаемые клапаны перепуска или перепускные клапаны КВД. Их так же принято называть в соответствии с выполняемыми ими задачами: пусковые перепускные клапаны или стабилизирующие перепускные клапаны. При использовании перепускных клапанов, их количество и позиции относительно ступеней компрессора различны для каждого типа двигателей. Например, на двигателях CF6 нет перепускных клапанов на всех типах КВД.

В КВД в основном применяются двухпозиционные перепускные клапаны (открытое и закрытое положение). Такие клапаны устанавливаются на одной или двух последних ступенях и открываются во время запуска, пониженного малого газа и разгона. Они также используются для восстановления после помпажа компрессора.

Ниже приведены несколько примеров способов установки перепускных клапанов КВД:

· PW4000 - 2 перепускных клапана за 5 ступенью;

· V2500 - 3 перепускных клапана за 5 ступенью и 1 за 7 ступенью;

· Trent-700 - 4 перепускных клапана за 8 ступенью промежуточного компрессора, 3 за 3 ступенью КВД.

На рис. 27. показаны перепускные клапаны КВД двигателя V2500-A5.

Рис. 27. Три из четырёх перепускных клапанов КВД двигателя V2500-A5 [2]

На двигателях CFM56-7B и CFM56-5B перепускные клапаны называются перепускными клапанами переходного режима и установлены за 9 ступенью КВД. Эти клапаны приводятся гидравлической системой под давлением топлива.

Как описано ранее, перепускные клапаны ВД используются во время запуска, пониженных частот вращения, близких к режиму МГ, и во время разгона.

Рассмотрим установку с одним перепускным клапаном КВД двигателя CFM56-7B. Здесь клапан открывается во время запуска до достижения двигателем МГ и прекращения цикла запуска. Во время разгона выше МГ клапан открывается до завершения разгона, или до достижения N₂, равной 80%. Положение клапана зависит только от частоты N₂.

СИСТЕМА СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ

Функции системы смазки

В турбовентиляторном двигателе система смазки выполняет особые функции, важные для его безопасной и безотказной работы. Такими функциями являются:

- смазка подшипников ротора;

- смазка зубчатых колес и подшипников коробок приводов;

- охлаждение подшипников, особенно в зоне турбины;

- удаление загрязняющих примесей из смазки;

- поддержание герметизации углеродсодержащих графитовых уплотнений подшипниковых опор;

- создание масляной пленки под давлением между наружными кольцами подшипников и их корпусами с целью демпфирования колебаний роторов. Масляное демпфирование снижает передачу динамической нагрузки от ротора к корпусу. Это позволяет уменьшить уровень вибрации и усталостную нагрузку корпуса.

Смазка уменьшает трение, заменяя сухое трение, трением гидродинамическим. Таким образом, необходимо обеспечить стабильную пленку между металлическими поверхностями, двигающимися относительно друг друга, с высокой скоростью под высокими нагрузками и при высокой температуре.

В основном, в турбореактивных двигателях используются синтетические масла с низкой вязкостью, поскольку, в отличие от минеральных масел, синтетическое масло сохраняет свои смазочные свойства и менее склонно к окислению при высоких температурах. Также эти масла обладают лучшими характеристиками, в отношении теплостойкости и вязкости.

Масла, используемые на турбореактивных двигателях, имеют широкий диапазон рабочих температур. Для подшипников допускается рабочая температура от -40˚С до более чем +250˚С.

На сегодняшний день доступно четвертое поколение синтетических масел. В соответствии с поколением выпуска масло обозначается как Тип 2, Тип 3 или Тип 4. Масла Тип 2 еще встречаются для эксплуатации.

Основными характеристиками моторного масла являются:

- вязкость;

- точка потери текучести (температура застывания);

- точка воспламенения;

- сопротивление давлению (баростойкость);

- сопротивление окислению;

- теплостойкость.