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.