Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Пермский государственный технический университет
М.А.НИХАМКИН
М.М.ЗАЛЬЦАН
КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ДВИГАТЕЛЯ
ПС-90А
Рекомендовано Учебно-методическим объединением
учебных заведений Российской
Федерации по образованию в области авиации, ракетостроения и космонавтики
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся, по направлению 55100 "Авиа- и
ракетостроение" и специальности 130200 "Авиационные двигатели и энергетические
установки"
Пермь 1997
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие предназначено для самостоятельного
изучения студентами конструкции основных узлов и элементов авиационного
газотурбинного двигателя на примере двухконтурного двигателя ПС-90А.
Этот двигатель, созданный в Пермском АО "Авиадвигатель", является одной
из последних отечественных разработок в области авиационного
двигателестроения, вобравшей в себя наиболее современные конструкторские
решения. По уровню этих решений, параметрам рабочего процесса он
соответствует, а отчасти и превосходит лучшие зарубежные двигатели своего
класса, В течение 15-20 лет он останется одним из основных авиационных
двигателей Российской авиация, а также базовым для гаммы двигателей
наземного применения.
Ограниченное учебное время делает затруднительным использование
подробных технических описаний двигателя, составленных предприятиемразработчиком [1, 2]. Настоящее пособие содержит лишь необходимые для
учебных целей сведения о конструкции, В то же время в него включены
некоторые разъяснения и обоснования конструкции узлов и элементов.
Приведены общие сведения о двигателе и его основных узлах, силовая и
кинематическая схемы, более подробно описаны основные узлы: вентилятор с
подпорными ступенями, компрессор высокого давления, разделительный
корпус, камера сгорания, турбины высокого и низкого давления, реверсивное
устройство.
В процессе доводки и опытной эксплуатации конструкция двигателя
претерпела многочисленные изменения, которые не нашли отражения в [1,2].
Приведенное в пособии описание и иллюстрации соответствуют тому
варианту, который конструкция двигателя получала к настоящему моменту.
Пособие предназначено для студентов специальности "Авиационные
двигатели" технических вузов, изучающих курс конструкции воздушнореактивных двигателей, а также для самостоятельного изучения конструкции
двигателя ПС-90А при дипломном проектировании.
Авторы выражают глубокую благодарность за консультации
специалистам
АО
"Авиадвигатель"
Ю.А.Дылдину,
А.И.Ковалеву,
А.В.Медведеву, Н.А.Рокко, Ю.Н. Сорокину, А.П.Трушникову. Особую
признательность за помощь в подготовке и издании пособия авторы выражают
научному редактору проф. В.Г. Августиновичу, заведующему кафедрой
"Авиационные двигатели" Пермского государственною технического
университета А.Д.Дическулу, преподавателю этой кафедры Л.В.Воронову, а
также Л.В.Шайхутдиновой, подготовившей все графические материалы.
2
ВВЕДЕНИЕ
Двигатель ПС-90А турбореактивный, двухконтурный, двухвальный со
смешением потоков наружного и внутреннего контуров, общим реактивным
соплом и реверсированием тяги. Двигатель разработан в 1982-92 гг.,
сертифицирован в 1993г. и устанавливается на дальнемагистральном самолете
ИЛ-96-300 и среднемагистральных ТУ-204 и ТУ-214.
Конструкция двигателя постоянно совершенствуется и модифицируется. В
настоящее время разрабатывается ряд модификаций двигателя с тягой 10, 12,
14 и 18 тыс.кг, а также модификаций, предназначенных для использования в
наземных силовых установках (электростанциях и газоперекачивающих
агрегатах).
Наиболее существенными изменениями конструкции, введенными в
последние годы, являются следующие:
Ротор низкого давления в первоначальном варианте имел четыре опоры,
одна из которых представляла собой межвальный подшипник, расположенный
внутри вала ротора высокого давления. В ходе совершенствования
конструкции от этого подшипника удалось отказаться, упростив конструкцию
и повысив тем самым надежность.
Разработана новая конструкция камеры сгорания, обеспечившая
существенное повышение ресурса лопаток турбины.
При самостоятельном изучении конструкции двигателя предлагается
придерживаться следующих методических рекомендаций: при изучении
конструкции узлов обращать внимание на то, какие нагрузки действуют на
элементы конструкции, какими элементами они воспринимаются, какие
элементы конструкции образуют силовой каркас узла, как обеспечивается
центрирование элементов роторов и статора, какие мероприятия предусмотрены для регулировки положения элементов, балансировки роторов, как
собираются и разбираются узлы двигателя, как обеспечивается охлаждение
элементов горячей части двигателя и свобода их теплового расширения, как
обеспечивается фиксация и контровка деталей, какие материалы выбраны для
изготовления тех или иных элементов и почему. Именно эти вопросы,
приведены в конце каждого раздела пособия в качестве контрольных.
Во многих случаях информация, необходимая для ответов на
контрольные вопросы, содержится непосредственно в чертежах и схемах. С
методической точки зрения полезно сначала попытаться найти ответы на
контрольные вопросы анализируя чертежи, а уже затем обратиться к тексту
описания. При изучении чертежей рекомендуется пользоваться макетами
узлов.
3
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДВИГАТЕЛЕ
1.1. Конструктивные особенности двигателя
Общий вид двигателя показан на рис. 1.1. Двигатель состоит из
следующих основных узлов: вентилятора I с двумя подпорными ступенями 4,
компрессора высокого давления (КВД) 8, камеры сгорания (КС) 13, турбины
высокого давления (ТВД) 17, турбины низкого давления (ГИД) 18,
разделительного корпуса 5 с коробкой приводов 25, задней опоры 20,
реверсивного устройства 16, реактивного сопла 23.
Вентилятор двигателя трансзвуковой, обеспечивает повышение давления
воздуха до разделения его на потоки наружного и внутреннего контуров. В
двух подпорных ступенях продолжается повышение давление воздуха,
поступающего в КВД. Рабочие колеса вентилятора и подпорных ступеней
составляют единый ротор. Средняя степень повышения давления в
вентиляторе па взлетном режиме на земле 1,6. Степень двухконтурности
двигателя (отношение расхода воздуха через наружный контур к расходу
воздуха через внутренний контур) на взлетном режиме составляет 4,6.
Вентилятор и подпорные ступени приводятся во вращение турбиной низкого
давления.
Компрессор высокого давления 13-ступенчатый, имеет регулируемый
входной направляющий аппарат (ВНА) 7 и регулируемые направляющие
аппараты (НА) первой и второй ступеней. Степень повышения давления
воздуха в КВД на взлетном режиме на земле Пк=13,6. Суммарная степень
повышения давления воздуха в компрессоре Пк=35. КВД приводится во
вращение турбиной высокого давления. Для повышения устойчивости работы
компрессора за 6-й и 7-й ступенями КВД имеются клапаны перепуска воздуха
из внутреннего в наружный контур двигателя.
Разделительный корпус является одним из основных силовых элементов
двигателя. Вместе с ВНА подпорных ступеней он обеспечивает разделение и
направление потока воздуха за вентилятором во внутренний и наружный
контуры. Через окна в разделительном корпусе осуществляется перепуск
воздуха из-за подпорных ступеней. В разделительном корпусе расположены
передние опоры роторов двигателя и центральный привод, который передает
крутящий момент коробке приводов агрегатов. Последняя крепится к нижней
части разделительного корпуса и служит для размещения и привода агрегатов,
обслуживающих системы самолета и двигателя.
Камера сгорания (КС) двигателя ПС-90А комбинированной
конструкции. Передняя часть ее трубчато-кольцевая с 12 жаровыми трубами
13, а задняя представляет собой кольцевой газосборник 15. Подача топлива
осуществляется через 12 двухконтурных форсунок 11, а зажигание при запуске
двигателя - двумя свечами зажигания 12.
4
5
Турбина двигателя состоит из турбин высокого 17 и низкого 18
давления. Турбина высокого давления 17 двухступенчатая с охлаждаемыми
сопловыми и рабочими лопатками и дисками. Лопатки первой ступени
охлаждаются воздухом, отбираемым из-за КВД, лопатки второй ступени воздухом, отбираемым из-за седьмой ступени КВД. Средняя температура на
входе в ТВД на взлетном режиме составляет около 1560К.
Турбина низкого давления 18 четырехступенчатая с неохлаждаемыми
сопловыми и рабочими лопатками. Диски и некоторые другие детали ротора
охлаждаются воздухом, отбираемым за подпорными ступенями.
Двигатель имеет реверсивное устройство (РУ) решетчатого типа. На
режиме обратной тяги канал наружного контура перекрывается специальными
створками, направляющими воздух на решетки 16. Для создания обратной
тяги используется воздух только наружного контура. Поэтому коэффициент
реверсирования (отношение максимальной обратной тяги к максимальной
прямой) невысок и составляет 0,27. Реверсивное устройство переводится из
положения прямой тяги в обратную по команде экипажа с помощью
специальной гидравлической системы управления реверсом.
Лепестковый смеситель 22 крепится к задней опоре и является основным
элементом камеры смешения. Его сложная конфигурация определяет качество
смешения потоков воздуха наружного и газа внутреннего контуров.
Реактивное сопло двигателя (РС) 23 всережимное, нерегулируемое,
дозвуковое. Конструктивно оно выполнено в одном узле с камерой смешения.
Шумоглушение в двигателе обеспечивается
звукопоглощающими
конструкциями, которыми оборудованы корпусы двигателя, образующие его
газовоздушный тракт.
Работу двигателя обеспечивают следующие системы:
1. Система топливопитания и автоматического управления, осуществляет
подачу топлива в КС в соответствии с заданными программами
регулирования, а также выполняет ряд функций по управлению двигателем управление
механизацией
компрессора
(его
противопомпажными
устройствами) и радиальными зазорами в компрессоре и турбине.
2. Система смазки и суфлирования, осуществляет смазку и охлаждение всех
трущихся поверхностей двигателя и поддерживает заданное избыточное
давление в масляных полостях опор ротора. Эта система характеризуется как
автономная, замкнутая, циркуляционная, с теплообменником в магистрали
откачки.
3. Система запуска, предназначена для автоматического запуска двигателя на
земле и в полете, а также для холодной прокрутки и ложного запуска при
техническом обслуживании двигателя.
Для раскрутки ротора высокого
давления
применяется воздушный
турбостартер с осевой активной
турбиной, установленный на коробке приводов. Источником сжатого воздуха
для турбостартера могут быть бортовой вспомогательный ГТД, наземная
установка воздушного запуска, соседний работающий двигатель. Система
6
зажигания - низковольтная, емкостная, непосредственного воспламенения является частью системы запуска.
4. Система отборов воздуха, обеспечивает воздухом наружного и
внутреннего контуров (в зависимости
от
требуемого
давления
и
температуры) потребности самолета и двигателя. Воздух отбирается для
кондиционирования салона самолета, для противообледенительных систем
самолета и двигателя, для сдува вихря с воздухозаборника самолета, для
наддува гидробаков, для охлаждения деталей турбины и компрессора, для
наддува масляных полостей опор и других нужд.
5. Система активного управления радиальными зазорами в компрессоре и
турбине повышает КПД этих узлов и, соответственно, снижает удельный
расход топлива в течение всего периода эксплуатации двигателя.
6. Система контроля и диагностики, обеспечивает контроль технического
состояния двигателя и выдает информацию для обслуживающего персонала и
экипажа о его техническом состоянии при всех условиях эксплуатации.
7.
Гидравлическая система управления РУ, выполненная совместно с
гидросистемой самолета, обеспечивает перекладку РУ в положение "обратная
тяга - прямая тяга".
8.
Система охлаждения масла привода генератора электроэнергии на
самолетные нужды, установленного на коробке приводов двигателя,
автономная, закрытая, циркуляционная,
с
топливно-масляным и
воздушно-масляным теплообменниками, осуществляет охлаждение масла на
всех режимах работы двигателя.
9.
Система дренажа топлива, просочившегося в уплотнение валов
приводов агрегатов.
10.Система пожаротушения и сигнализации о возникновении пожара
внутри двигателя.
Изменение режимов работы двигателя как при прямой, так и при
обратной тяге производится рычагом управления двигателя (РУД), а
переключение режима работы реверсивного устройства с прямой тяги на
обратную и наоборот - рычагом управления реверсом (РУР). Эти рычаги
между собой сблокированы.
Автоматическое регулирование подачи топлива в камеру сгорания при
неизменном режиме работы и различных скоростях и высотах полета
производится из условия поддержания постоянной частоты вращения ротора
высокого давления (пвд= const) и защиты узлов двигателя от тепловых и
механических перегрузок.
Основными топливами для двигателя являются авиационные керосины
марок ТС-1 или РТ, резервным - Т-2. В системе смазки применяются
маловязкие масла: основное -ИМП-10 и резервное - ВНИИ НП50-1-4Ф.
Рабочей жидкостью в гидросистеме реверса и самолетной является НГЖ-4.
Разрешено применение некоторых зарубежных топлив и масел.
7
1.2. Принцип работы и кинематическая схема двигателя
Атмосферный воздух входит в двигатель в осевом направлении. В
вентиляторе давление воздуха повышается по радиусу неравномерно, так как
степень повышения давления зависит от окружной скорости, которая при
большой степени двухконтурности и, следовательно, большом диаметре
вентилятора существенно меняется.
За вентилятором поток воздуха разделяется на два, один из которых
направляется в наружный контур двигателя, а второй поступает в две
подпорные ступени, где сжатие воздуха продолжается. Из подпорных
ступеней, через канал разделительного корпуса воздух поступает во
внутренний контур двигателя, на вход в КВД. Воздух, прошедший по
наружному контуру, поступает в камеру смешения, где смешивается с газом,
вытекающим из турбины.
Во внутреннем контуре, в КВД, происходит дальнейшее повышение
давления и температуры воздуха и некоторое снижение его осевой скорости
(рис. 1.2).
Из КВД воздух направляется в КС. В жаровых трубах КС
осуществляется непрерывное сгорание топливно-воздушной смеси и смешение
продуктов сгорания с воздухом. Кольцевой газосборник обеспечивает более
равномерное поле температур, давлений и скоростей на выходе из КС. Полное
давление по длине КС несколько снижается за счет гидравлического
сопротивления, а статическое давление уменьшается за счет увеличения
скорости потока при подогреве и уменьшения площади сечения канала
внутреннего контура.
Из КС поток горячих газов последовательно поступает в ТВД, а затем в
ТНД. В турбинах происходит расширение газа, давление и температура
понижаются, а осевая составляющая абсолютной скорости несколько
возрастает. Часть теплосодержания потока газов преобразуется в
кинетическую энергию и механическую работу вращения роторов вентилятора
с подпорными ступенями и КВД.
Из ТНД поток горячих газов поступает в камеру смешения, где
перемешивается с потоком воздуха, поступающего из наружного контура.
Происходит выравнивание температуры, давления и скорости по массе газа.
Более равномерное распределение энергии по массе газа, поступающего в
сопло, обеспечивает уменьшение потерь тепла, некоторое повышение
эффективного КПД и снижение удельного расхода топлива по сравнению с
ТРДД без смешения потоков.
8
9
Из камеры смешения газ поступает в реактивное сопло, где происходит
его расширение с преобразованием теплосодержания в кинетическую энергию
потока. Температура и статистическое давление уменьшаются, а скорость
возрастает. Реакция вытекающей из РС струи газов и создает тягу двигателя.
Кинематическая схема двигателя состоит из двух механически не связанных
между собой систем (см. рис. 1.1): ротор вентилятора с подпорными
ступенями - ротор "ГИД; ротор КВД - ротор ТВД;
Ротор вентилятора с подпорными ступенями приводится во вращение
турбиной низкого давления. Опорами ротора низкого давления являются три
подшипника - передний шариковый и два роликовых - в разделительном
корпусе и за турбиной. В первоначальном варианте конструкции, как и на
двигателях Д-30 и Д-ЗОКУ ротор низкого давления имел четвертую опору межвальный подшипник, расположенный внутри вала ротора высокого
давления между КВД и ТВД. В дальнейшем удалось отказаться от этого подшипника и упростить конструкцию. Роторы ТНД и вентилятора связаны
между собой стяжным болтом и разность осевых усилий вентилятора с
подпорными ступенями и ТНД воспринимается передним шариковым
подшипником вентилятора.
Ротор КВД приводится во вращение турбиной высокого давления, их
валы соединены шлицами. Ротор КВД опирается на два подшипника передний роликовый и задний шариковый. Шариковый подшипник
одновременно является передней опорой ТВД, а задней опорой ТВД служит
задний роликовый подшипник. Таким образом, ротор каскада высокого
давления трехопорный. Шариковый подшипник воспринимает разность осевых усилий роторов КВД и ТВД, которые связаны между собой в осевом
направлении.
Привод агрегатов, установленных на коробке, осуществляется от вала
ротора КВД через сидящее на внутренних шлицах вала цилиндрическое
зубчатое колесо, пару конических зубчатых колес и вертикальный валик.
На коробке приводов расположены следующие агрегаты :
* воздушный стартер - СтВ-5;
* два гидронасоса НП-123;
* топливный насос-регулятор НР-90;
* дополнительный топливный центробежный насос ДЦН-94;
* блок маслоагрегата с фильтром БМФ-94;
* автономный генератор АГ-0,25Д2;
* блок центробежных агрегатов БЦА-94 (системы смазки и суфлирования);
* дренажный насос НД-94;
* гидропривод ГП-25 или ГП-26 (в зависимости от типа самолета).
При запуске двигателя крутящий момент передается от воздушного
стартера к ротору КВД через конические зубчатые колеса и вертикальный
валик.
10
1.3. Краткие сведении об основных технических данных
двигателя
У земли при стандартных атмосферных условиях (Н=0, Р=760 мм рт.ст.,
Тн=288К) и скорости полета Мп=0 взлетный режим работы двигателя
характеризуется следующими данными :
- тяга двигателя - 161,4 кН (16000 кс);
- удельный расход топлива - не более 0,0382 кг/Нч (0,382 кг/кг ч);
- часто та вращения ротора каскада высокого давления - 11 740 об/мин;
- частота вращения ротора каскада низкого давления - 4340 об/мим;
- секундный расход воздуха - 534 кг/с.
В тех же условиях на крейсерском режиме (0,92 N6):
- тяга двигателя - 125 кН (12500 кг);
- удельный расход топлива - не более 0,0370 кг/Нч (0,370 кг/кг ч);
- частота вращения ротора каскада высокого давления - 11365 об/мин;
- частота вращения ротора каскада низкого давления - 3940 об/мим;
На крейсерском режиме при высоте Н=11км и скорости полета Мп =0,8:
- тяга двигателя - 35 кН (3500 кг);
- удельный расход топлива - не более 0,0595 кг/Нч (0,595 кг/кг ч);
- частота вращения ротора каскада высокого давления - 11300 об/мин.
На режиме реверса максимальная обратная тяга равна 36 кН (3600 кг)
при частоте вращение ротора высокого давления 11490 об/мин.
Сухая масса двигателя составляет 2950 кг, а удельная масса (по
отношению к тяге па взлетном режиме) 0.018 кг/Н (0,18 кг/кг). Длина
двигателя - 5330 мм, максимальный диаметр - 2396 мм.
Из приведенных данных видно, что двигатель НС-90А по удельным
параметрам не уступает лучшим образцам зарубежных авиационных
двигателей этого класса.
При работе двигателя замеряются следующие основные параметры,
характеризующие его работу :
- частота вращения роторов высокого и низкого давления;
- температура газа за турбиной;
- давление масла на входе в двигатель;
- давление воздуха в системе суфлирования;
- температура масла на входе в двигатель и на выходе из полостей опор;
- давление топлива перед форсунками;
- температура топлива;
- вибрация двигателя.
Информация о параметрах двигателя, а также о положении
регулируемых элементов его систем, поступает в самолетную многоканальную
систему регистрации параметров (МСРП).
11
1.4. Эксплуатационная технологичность двигателя
Двигатель рассчитан на большой ресурс работы. Запасы прочности
большинства основных узлов удовлетворяют нормируемым при ресурсе 30000
часов для холодной и 10000 часов для горячей части двигателя. В 1997г.
получен сертификат на эксплуатацию двигателя по стратегии N 2 управления
ресурсом, что означает переход от фиксированных ресурсов двигателя к
ресурсу, определяемому наименьшим ресурсом одной из основных деталей.
Для обеспечения возможности эксплуатации по техническому
состоянию двигатель выполнен по модульной схеме (рис. 1.3 ). Конструкция
состоит из 18 модулей, основные из них: базовый модуль 5, включающий в
себя КВД и элементы камеры сгорания, модуль рабочего колеса вентилятора 1,
модуль входного направляющего аппарата 3, модуль компрессора низкого
давления 4, модуль спрямляющего аппарата вентилятора 2, модуль коробки
приводов 13, модуль ТВД 8, модуль ТНД 9, модуль реверсивного устройства
11, модуль задней опоры 10, модуль сопла 12.
Все модули, кроме главного, могут быть заменены в условиях
авиационно-технической базы аэропорта, а модули! и 12 - непосредственно на
самолете без съема двигателя. При этом трудозатраты, связанные с заменой
модулей, сравнительно невелики.
Предусмотрена возможность замены отдельных составных частей
модулей, а также наиболее повреждаемых деталей, лопаток вентилятора и
подпорных ступеней, жаровых груб и топливных форсунок в камере сгорания,
решеток и створок РУ и некоторых других. Имеется возможность замены всех
установленных на двигателе агрегатов и оборудования.
Конструкция основных узлов двигателя позволяет проводить
визуальный осмотр и инструментальную диагностику ответственных деталей,
в частности основных деталей газовоздушного тракта.
Система контроля и диагностики двигателя обеспечивает контроль его
технического состояния по параметрам, измеряемым при работе двигателя с
помощью датчиков. Измеряемые параметры передаются в бортовую систему
контроля двигателя (БСКД), а часть ее выдается на экран дисплея в кабине
экипажа и фиксируется в многоканальной системе регистрации параметров
(МСРП) самолета.
12
13
1.5. Силовая схема и узлы крепления двигателя на самолете
Все нагрузки от газодинамических и инерционных сил и моментов,
действующих на детали и узлы двигателя, воспринимаются силовым каркасом
(силовым корпусом), в котором они частично уравновешиваются.
Неуравновешенные внутри двигателя силы и моменты через узлы крепления
передаются на самолет. Силы и моменты, действующие на роторы двигателя,
уравновешиваются реакциями опор, которые также нагружают силовой
каркас. Силовой каркас обладает достаточной прочностью и жесткостью при
действии эксплуатационных нагрузок на всех режимах работы двигателя и при
эволюциях самолета.
Силовую схему (рис. 1.4) двигателя ПС-90А составляют передний,
средний и задний силовые пояса, корпусы газогенератора, корпусы опор
ротора, корпусы наружного контура и кронштейн силовой подвески. Передний
силовой пояс образован разделительным корпусом 7, силовым кольцом
подвески 10, передней опорой ротора вентилятора и подпорных ступеней 4,
задней опорой ротора вентилятора 2 и передней опорой КВД 5. К
разделительному корпусу крепятся тяги 8 переднего силового пояса, которые
образуют переднюю подвеску двигателя к силовой балке пилона самолета 9.
Средний силовой пояс образован кольцом подвески 15, расположенным
на корпусе КВД, опорой роликового подшипника ТВД 18 и передним
роликовым подшипником ТНД 26. На кольце подвески 15 шарнирно
закреплены две тяги 28, образующие узел крепления 14 (см. рис. 1.4, сечение
Б-Б).
Задний силовой пояс образован задней опорой двигателя 22 и опорой
роликового подшипника ТНД 23. В конструкцию задней опоры входит
силовое кольцо 38. С помощью четырех тяг 31 и двух тяг 32 оно связано с
наружным кожухом задней подвески 37. К задней опоре крепятся также три
тяги 33 с кронштейном подвески 21, при помощи которого двигатель крепится
к силовой балке пилона самолета.
Все три силовых пояса связаны между собой: передний и средний
силовые пояса - тягой 11, а средний и задний - тягой 17. Таким образом,
передняя подвеска передает на пилон самолета в точках крепления
инерционные и аэродинамические силы, действующие на двигатель и гондолу
в вертикальной плоскости. Задняя подвеска передает на пилон самолета
прямую и обратную тягу двигателя, а также инерционные и аэродинамические
силы, действующие в горизонтальных и вертикальных плоскостях и крутящий
момент в плоскости перпендикулярной оси двигателя. Тяги 11 и 17,
поддерживая средний силовой пояс, повышают изгибную жесткость корпуса
газогенератора и, таким образом, препятствуют прогибу корпуса
газогенератора и роторов двигателя (их средние опоры жестко связаны с
корпусом).
Подвеска двигателя не препятствует тепловому расширению корпусов
газогенератора благодаря шарнирному соединению тяг.
14
15
Контрольные вопросы
1 .Каковы удельная масса и удельная тяга двигателя?
2.Изобразите схему двигателя. Найдите на схеме роторы высокого и низкого
давления и их опоры. Поясните кинематическую схему двигателя.
3.Каким образом обеспечивается свобода теплового расширения роторов
двигателя при его нагреве во время работы?
4.Каким образом обеспечивается осевая фиксация роторов?
5.Каким образом обеспечивается передача крутящих моментов и осевых
усилий между роторами турбины и компрессора?
6.Перечислите основные системы двигателя и поясните их назначение.
7.Какие агрегаты установлены на двигателе и каково их назначение?
8.Каким образом в конструкции двигателя обеспечена эксплуатационная
технологичность?
9.Каким образом обеспечена контролепригодность двигателя?
10.Перечислите и покажите на схеме основные модули двигателя.
11.Изобразите силовую схему двигателя. Перечислите элементы, входящие в
нее.
12.Какие усилия действуют на основные элементы конструкции (роторы,
детали корпуса) и какими элементами они воспринимаются?
13. Найдите на схеме элементы, которые участвуют в передаче усилий с опор
роторов.
14. Найдите на схеме основные элементы крепления двигателя на самолете.
15.Поясните назначение тяг 11 и 17 ( см. рис,1.4).
16.Каким образом обеспечена свобода теплового расширения корпусов
двигателя при его нагреве во время работы?
16
2. КОМПРЕССОР
Назначение компрессора - сжатие воздуха и подача его в наружный
контур и в камеру сгорания. Кроме того, сжатый в компрессоре воздух
используется для противообледенителной системы самолета и наддува кабин и
пассажирского салона, а также для охлаждения горячей части двигателя,
наддува полостей уплотнения подшипниковых учло», обеспечения работы
агрегатов автоматики двигателя, для регулирования радиальных зазоров и
компрессоре высокого давления (КВД) и турбине.
Компрессор двигателя осевой, двухвальный, левого вращения.
Основными узлами компрессора являются вентилятор, подпорные ступени,
разделительный корпус и КВД.
2.1. Вентилятор
Вентилятор двигателя трансзвуковой (т.е. относительная скорость
воздуха, обтекающею профили лопаток но радиусу, изменяете» от дозвуковой
до сверхзвуковой), приводится во вращение турбиной низкого давления
('ГНД)- Напомним, что в ТРРД с большой степенью двухконтурности
вентилятор создает основную часть тяги. Общий вид вентилятора и
подпорных ступеней покачан на рис.2.1.
Вентилятор состоит из следующих основных узлов: рабочего колеса 3 с
обтекателем 4, вала вентилятора 9, деталей опор вала, спрямляющего аппарата
вентилятора 6 и корпуса вентиля гора 2 с переходником 1.
Рабочее колесо (РК) вентилятора вместе с ротором подпорных ступеней
(ПС) образует единый ротор компрессора низкого давления. Соединение
обеих частей ротора и крепление их к валу осуществляются при помощи
призонных болтов 13. Фланцы центрируются по внутренней и наружной
цилиндрическим поверхностям на фланце вала.
Диск рабочего колеса вентилятора является одной из наиболее
нагруженных деталей двигателя, центробежная сила, действующая на одну
лопатку па взлетом режиме, составляет около 600 кН (60 т). Диск выполнен из
высокопрочного титанового сплава ВТ8, толщина его определяется
требованием обеспечения статической прочности.
Рабочие лопатки вентилятора 3 имеют антивибрационные полки. На
рабочем колесе расположены 33 лопатки, выполненные из титанового сплава
ВТ8М. Они кренятся к диску замком елочного типа, такой тип крепления
лопаток позволяет уменьшить нагрузку на один зуб хвостовика лопатки и
выступа диска по сравнению с традиционным креплением типа
"ласточкин хвост". Кроме того, меньшая ширина хвостовика позволяет
разместить большее число лопаток на ободе диска. Полки в комлевой части
лопаток образуют плавную поверхность проточной части.
17
18
Задний лабиринт вентилятора 12 с передним кольцом входного
направляющего
аппарата
ПС
образует
воздушное
уплотнение,
препятствующее перетеканию воздуха повышенного давления из-за
вентилятора. Благодаря этому уменьшается осевое усилие, действующее на
упорный шариковый подшипник передней опоры вентилятора. Задний
лабиринт 12 крепится болтами к выступу на ободе диска, он же удерживает
рабочие лопатки 3 от перемещения назад под действием осевой составляющей
центробежной силы. От перемещения вперед под действием давления воздуха
лопатки удерживаются передним кольцом, закрепленным на диске.
Рабочее колесо вентилятора закрыто вращающимся обтекателем 4,
который обеспечивает плавный вход воздуха в рабочее колесо вентилятора и
предотвращает попадание посторонних предметов во внутренний контур
двигателя. Для этого его поверхность специально спрофилирована таким
образом, чтобы не происходило срыва пограничного слоя при обтекании и
чтобы посторонние предметы, которые могут попасть в двигатель, отражались
в наружный контур.
В связи с тем, что обтекатель вращающийся, он должен быть тщательно
отбалансирован, а его крепление предусматривает центрирование
относительно рабочего колеса вентилятора по цилиндрическому пояску на
переднем кольце. Обтекатель состоит из двух частей сварной конструкции из
титанового сплава ОТ4.
Крепление обтекателя предусматривает возможность его быстрого съема
при замене рабочих лопаток вентилятора, подверженных повреждениям от
попадания в них посторонних предметов. Конструкция этого крепления
показана на рис.2.1. Обтекатель 4 крепится к диску рабочего колеса
вентилятора 16 болтами 19 через кольцо 17. Болты 19 имеют удлиненную
головку; при отвинчивании болта головка входит в специальное отверстие в
кольце 18. Самоконтрящиеся гайки приклепаны к фланцу обтекателя 4 с внутренней стороны. Кольцо 18 фиксирует рабочие лопатки вентилятора от
перемещения вперед. При замене лопаток откручиваются болты 19, снимается
обтекатель и кольца 17 и 18, а затем лопатки. Для сохранения балансировки
лопатки при замене подбирают по статическому моменту.
Задний конец вала вентилятора соединяется с валом турбины низкого
давления. Конструкция этого соединения показана на рис.2.4. Крутящий
момент от ТНД ротору вентилятора передается через эвольвентное шлицевое
соединение валов. Для уменьшения осевого усилия на шарикоподшипник
передней опоры и фиксирования ротора турбины низкого давления в осевом
направлении роторы вентилятора и ТНД связаны соединительным болтом 5
(рис.2.4), Задним концом соединительный болт вворачивается в гайку 26.
вставленную в вал ротора ТНД, Гайка 26 через сферическое кольцо 27 упирается в выступ вала; от проворачивания она удерживается выступами на торце
вала вентилятора, а в осевом направлении фиксируется разжимным стопорным
кольцом 12. Головка соединительного болта 5 через два сферических кольца 6
и 7 опирается на выступ вала вентилятора. Сферические кольца благодаря
возможности их самоустановления обеспечивают работу соединительного
19
болта только на растяжение (т.е. исключают возможность его изгиба). От
отворачивания соединительный болт удерживается шлицевой контровочной
втулкой 9, которая своими задними шлицами соединена с внутренними шлицами головкой соединительного болта 5, а передними - с шлицевой втулкой 8.
Втулка 9 удерживается крышкой 10, которая сама опирается через
регулировочное кольцо 11 и разрезное пружинное кольцо 12 на шлицевую
втулку 8. Последняя соединена с валом 3 цилиндрическими шрифтами. Чтобы
разъединить валы вентилятора и ТНД необходимо снять пружинное кольцо 12,
кольцо 11, крышку 10, втулку 9, а затем вывернуть соединительный болт 5.
При сборке эти операции производятся в обратном порядке.
Для балансировки ротора вентилятора предусмотрена установка
балансировочных грузиков под головками винтов крепления заднего
лабиринта и внутри задней цапфы вала.
За рабочим колесом вентилятора поток воздуха раздваивается ( см.
рис.2. Г): большая часть его поступает в наружный контур, а меньшая - во
внутренний (в подпорные ступени и далее в КВД). Та часть потока, которая
идет в наружный контур, проходит спрямляющий аппарат (СА) вентилятора 6,
который спрямляет поток воздуха, закрученный лопатками вентилятора, до
осевого направления; при этом продолжается повышение давления воздуха за
счет преобразования его кинетической энергии в потенциальную так как канал
между лопатками С А диффузорный.
Наклонное положение лопаткам СА придано с целью уменьшения
составляющей вектора скорости, перпендикулярной передней кромке лопатки.
Благодаря этому уменьшаются волновые потери при обтекании лопаток (тот
же эффект, что для стреловидного крыла самолета) и повышается КПД
вентилятора. Большой осевой зазор между лопатками СА и рабочими
лопатками вентилятора позволяет снизить уровень шума.
Лопатки спрямляющего аппарата выполнены методом холодного
вальцевания из титанового сплава ОТ4. Внутренняя и наружная полки лопаток
приклепаны к ее перу. Они образуют проточную часть наружного контура.
Наружные полки лопаток СА крепятся винтами к корпусу СА, а внутренние к
кожуху при помощи болтов. Кожух 7 образует плавную проточную часть,
заполняя пространство между внутренними полками СА и разделительным
корпусом. На кожухе 7 расположены звукопоглощающие панели.
Корпус вентилятора 2 - сварной конструкции, изготовлен из титанового
сплава ВТ6. Наружная поверхность его обмотана органитом 6НТ, назначение
которой - Удержание лопаток, в случае их обрыва. Корпус вентилятора своим
задним фланцем крепится к корпусу спрямляющего аппарата 5. К переднему
фланцу корпуса вентилятора 2 крепится переходник 1. Центрирование этих
фланцев обеспечивается цилиндрическими поясками. Обтекатель 4
(см.рис.2.1) обогревается горячим воздухом из-за 7-й ступени КВД. Воздух
поступает по трубопроводам 14 и 15 и далее через отверстие "А" в вале
вентилятора и трубу 11 в полость "Б" обтекателя и выходит через отверстия
"В" в проточную часть.
20
2.2. Подпорные ступени
Напорность вентилятора зависит от квадрата окружной скорости,
которая изменяется по радиусу. Поэтому в корневой части лопаток степень
повышения давления воздуха значительно ниже средней в вентиляторе.
Подпорные ступени (ПС) предназначены для повышения давления воздуха на
входе в КВД. Степень сжатия воздуха в компрессоре низкого давления
составляет около 2,5, температура воздуха за подпорными ступенями около
100°С.
Для обеспечения устойчивой работы подпорных ступеней на
нерасчетных режимах осуществляется перепуск воздуха за спрямляющим
аппаратом ПС при помощи заслонок перепуска, расположенных в
разделительном корпусе.
Подпорные ступени (см.рис. 2.2) состоят из следующих узлов: ротора,
входного направляющего аппарата (ВНА) подпорных ступеней 1, корпусов 1-й
и 2-й подпорной ступеней (поз.З и 5) с направляющими аппаратами,
спрямляющего аппарата (СА) подпорных ступеней 7.
Ротор подпорных ступеней является частью ротора вентилятора и
включает рабочие колеса 1-й и 2-й ступеней (поз. 14 и 10 рис.2.2) и диск
привода подпорных ступеней 12. Диски рабочих колес обеих ступеней
крепятся к фланцу диска привода ПС призонными болтами. Центрирование
этих деталей производится по цилиндрическим поверхностям. Передним
фланцем диск привода ПС крепится вместе с рабочим колесом вентилятора к
валу также призонными болтами (рис.2.3).
Рабочие лопатки обеих ступеней соединяются с дисками замком типа
"ласточкин хвост". От перемещения вдоль паза лопатки 1-й ступени
удерживаются пластинчатым замком. Крестообразный пластинчатый замок
вкладывается в крестообразную выемку, выфрезерованную в подошве
хвостовика лопатки и загибаются вниз на торцах дисков с двух сторон.
Лопатки 2-й ступени фиксируются штифтами.
Обод рабочего колеса 1-й ступени 14 имеет в передней и задней части
кольцевые выступы с гребешками лабиринтного уплотнения.
Диски подпорных ступеней и вал привода ПС выполнены из титанового
сплава ВТ8, рабочие лопатки - из сплава ВТ8М, а вал вентилятора - из стали
ЭП517.
21
22
Входной направляющий аппарат подпорных ступеней 1 (рис.2.2) состоит
из 77 лопаток, внутреннего кольца 15 и разделительного носка 2. Лопатки
ВНА выполнены из титанового сплава ВТ8М. Лопатки вставлены в
разделительный носок и закреплены в нем болтами. Внутреннее кольцо ВНА с
помощью заклепок соединяется с передним кольцом, образующим проточную
часть. Цилиндрическая поверхность кольца 15 с гребешками диска 1-й
подпорной ступени 14 образует лабиринтное уплотнение. С целью
уменьшения радиального зазора в этом уплотнении цилиндрическая
поверхность имеет срабатываемое покрытие. ВНА в собранном виде крепится
винтами к корпусу 1-й подпорной ступени 3.
Корпус 1-й подпорной ступени 3 с направляющим аппаратом 4 состоит
из наружного корпуса, кольца с направляющими лопатками и двух фланцев
лабиринтов 11 и 13. Корпус изготовлен из титанового сплава ВТ6, на его
внутренней поверхности имеется срабатываемое покрытие. Лопатки
выполнены из титанового сплава ВТ8М. С наружным кольцом они
соединяются замком типа "ласточкин хвост". Внутренние полки лопаток
образуют проточную часть. К буртикам внутренних полок приклепаны
фланцы лабиринтов со срабатываемым покрытием на цилиндрической
поверхности.
К заднему фланцу корпуса 3 крепится своим фланцем корпус 2-й
подпорной ступени 5. Корпус 2-й подпорной ступени и спрямляющий аппарат
8 образуют проточную часть за ротором подпорных ступеней. Спрямляющий
аппарат спрямляет поток воздуха до осевого направления. Корпус 2-й ступени
выполнен из титанового сплава ВТ6.
Спрямляющий аппарат 8 состоит из наружного и внутреннего колец и
лопаток. Лопатки СА выполнены из титанового сплава ВТ8М и имеют
наружные и внутренние полки. Наклонное положение продольной оси лопаток
СА соответствует криволинейное™ канала проточной части. Внутренние
полки лопаток приклепаны к кольцу 9, образующему проточную часть за СА,
Наружными полками лопатки соединяются с фланцами корпуса 5 2-й ступени
СА и наружного корпуса СА 7 с помощью болтов, а задние концы полок
входят в проточку наружного корпуса.
2.3. Опоры ротора вентилятора и подпорных ступеней
Передняя опора вентилятора (см.рис.2.3) является консольной и своим
задним фланцем крепится к разделительному корпусу. Она выполнена из
титанового сплава ВТ6. В передней опоре ротор вентилятора зафиксирован от
продольных перемещений. Опора воспринимает осевые усилия, которые
представляют собой разность осевых усилий, действующих на ротор
вентилятора с подпорными ступенями и на ротор турбины низкого давления, а
также радиальные усилия, представляющие собой реакцию от действия
инерционных сил и гироскопического момента ротора при полете по криволинейной траектории.
23
24
В полости опоры расположены (см. рис. 2.3): вал вентилятора 1,
шарикоподшипник 4, втулка подшипника 7 и детали лабиринтного уплотнения
5 и 6, обойма подшипника 8, трубы подвода воздуха на обогрев обтекателя, на
наддув лабиринтных уплотнений, трубка и коллектор подвода масла к
шарикоподшипнику с двумя жиклерами. На цапфе вала вентилятора 1
посажена втулка 7, которая своими внутренними шлицами соединяется со
шлицами на буртике вала. На втулке расположены два лабиринта 5,
регулировочное кольцо 12, внутренняя обойма шарикоподшипника. Все эти
детали вместе с контрящим кольцом 11 стянуты гайкой 10. Гайка является
одновременно индуктором для трех датчиков частоты вращения ротора
вентилятора.
Регулировочное кольцо 12 позволяет изменять осевое положение ротора
за счет подбора толщины и, таким образом, регулировать осевой и радиальный
зазоры между рабочими лопатками вентилятора и его корпусом. Наружная
обойма подшипника помещена в обойме 8 и прижата фланцем 9, который
крепится к опоре вместе с фланцем обоймы и кольцом при помощи винтов (на
рис. 2.3 не показаны). Меняя толщину кольца, можно регулировать прижатие
наружной обоймы подшипника к обойме 8 и обеспечивать возможность
провертывания наружного кольца в процессе работы двигателя. Это
уменьшает износ беговых дорожек подшипника.
Масло к внутреннему кольцу подшипника подается из жиклера 13 через
внутреннюю полость гайки крепления подшипника 10. Слив масла и
суфлирование полости передней опоры вентилятора осуществляются через
отверстия в разделительном корпусе.
Задняя опора вентилятора (рис.2.4) расположена в разделительном
корпусе 1. Корпус задней опоры 2 имеет два цилиндрических пояска,
которыми он центрируется в передней и задней стенках разделительного
корпуса, а своим передним фланцем он крепится к корпусу винтами (см. рис.
1.1).
На задней цапфе вала вентилятора 3 расположены втулка 17, роликовый
подшипник 36, гайка крепления внутреннего кольца подшипника 13 и
лабиринтная втулка 14. Осевое положение ротора ТНД относительно статора
регулируется толщиной заднего регулировочного кольца 25, которое является
упором для вала ротора ТНД. Гайка 13 фиксируется пластинчатым замком.
Задняя опора - упруго-демпферная. Назначение упруго-демпферных
опор (УДО) состоит в снижении критической частоты вращения ротора (ниже
оборотов малого газа), а также в демпфировании (поглощении энергии)
колебаний ротора вентилятора. Благодаря этому снижается коэффициент
виброперегрузки двигателя. Конструктивно УДО включает следующие детали:
втулку 22, наружный 19 и внутренний 18 упругие элементы (рессоры),
уплотнительные кольца 23, роликовый подшипник 16, гайку крепления
подшипника 15. Гайка закрепляет наружное кольцо подшипника во
внутренней рессоре и контрится пластинчатым замком.
25
26
Наружная и внутренняя рессоры соединяются между собой винтами, а
наружная рессора 19 крепится своим фланцем вместе со стаканом 22 к корпусу
2 опоры. Упругими элементами рессор являются их передние цилиндрические
участки с выфрезерованнными в них окнами (так называемые беличьи колеса).
Между внутренней рессорой 18 и стаканом 22 с помощью
маслоуплотнительных колец 23 образована полость, заполненная маслом.
Маслоуплотнительные кольца разрезные, что позволяет установить их в
канавки внутренней рессоры. Образованная таким образом масляная
прослойка является демпфирующей (поэтому полость называют демпферной).
При вибрации возникает так называемый насосный эффект: масло то
выталкивается из полости, то засасывается в нее. Работа демпфирования
уменьшает амплитуду колебаний. Толщина масляной прослойки невелика (0,10,2мм). Поэтому УДО является также ограничителем прогибов вала при
колебаниях. Наружная рессора выполнена из легированной стали
13Х14НВФРА, а внутренняя - из стали 12Х2Н4А (трущаяся поверхность
цементируется). Масло на смазку подшипника поступает по каналам в
разделительном корпусе и корпусе опоры и через жиклер форсунки 20 (см.
рис.2.4) впрыскивается на беговую дорожку. Из этого же канала через
отверстия в стакане 22 масло поступает в демпферную полость УДО.
2.4. Компрессор высокого давления
Компрессор высокого давления тринадцатиступенчатый со степенью
повышения давления п*квд=13,6 приводится во вращение турбиной высокого
давления. Высокая степень повышения давления обусловила необходимость
увеличения количества ступеней КВД до тринадцати. Значительная разница в
высоте лопаток первой и последней ступеней в основном и определила
своеобразный профиль его проточной части.
Тепловое состояние деталей КВД определяется в основном
температурой воздуха, которая на взлетном режиме изменяется от 100°С на
входе в КВД до 570°С на выходе приблизительно линейно по длине проточной
части, т.е. изменение температуры от ступени к ступени составляет около 35°.
Конструктивно КВД состоит из следующих основных узлов (рис.2.5);
ротора, входного направляющего аппарата 1, корпуса с направляющими
аппаратами 1- 3,-й ступеней 2. переднею корпуса 3, заднего корпуса 4, корпуса
перепуска и отборов воздуха 5, корпуса обдува 6. спрямляющего аппарата 13й ступени 7, ротора 8, задней опоры ротора 9, кольца подвески 10. КВД входит
в главный модуль двигателя (см.рис. 1.2).
Для расширения диапазона устойчивой работы двигателя КВД снабжен
специальными устройствами ("механизацией
компрессора"). К ним
относятся поворотные лопатки входного направляющего аппарата и
направляющих аппаратов 1-й и 2-й ступеней, а также клапаны перепуска
воздуха.
27
28
2.4.1. Корпус КВД и направляющие аппараты
Корпус КВД состоит (рис.2.5) из входного направляющего аппарата 1,
корпуса 2 с направляющими аппаратами 1- 3-й ступеней, переднего 3 и
заднего 4 корпусов, корпуса перепуска и отбора воздуха 5, корпуса обдува 6 и
кольца подвески 10.
Входной направляющий аппарат (ВНА) 1 установлен на входе в КВД и
служит для направления потока воздуха на лопатки первого рабочего колеса
под требуемым углом, который регулируется по заданной программе. Такое
регулирование является одним из элементов механизации компрессора с
целью предотвращения помпажа, который мог бы возникнуть при срывном
обтекании рабочих лопаток 1-й ступени.
На рис.2.6 представлены ВНА, направляющие аппараты 1- 3-й ступеней
и передняя часть ротора КВД. ВНА состоит из наружного 1 и внутреннего 2
колец, направляющих лопаток 3 с закрепленными на них рычагами 4. Лопатки
ВНА закреплены своими цапфами в наружном и внутреннем кольцах в
сферических опорах 5 и поворачиваются вокруг своей продольной оси с
помощью подвижного кольца 6 привода ВНА, соединенного шарнирно с
рычагами 4 на лопатках. Сферические опоры предотвращают защемление
цапф при небольшой деформации лопаток или при сборке их с наружным и
внутренним кольцами.
Для обеспечения сборки ВНА внутреннее кольцо имеет разъем в
плоскости, перпендикулярной оси двигателя. Наружным и внутренним
кольцами входной направляющий аппарат крепится при помощи шпилек к
разделительному корпусу. Между внутренним кольцом ВНА и
разделительным корпусом зажаты фланцы лабиринтов 7 и 8, уплотняющих
масляную полость передней опоры ротора КВД.
Корпус с направляющими аппаратами 1- 3-й ступеней (см.рис.2.6)
компрессора высокого давления состоит из наружного корпуса 16, имеющего
горизонтальный разъем (рис.2.7); внутренних колец 10 1-й и 2-й ступеней,
имеющих разъемы в плоскости, перпендикулярной оси КВД; направляющих
лопаток 11 1-й и 2-й ступеней с закрепленными на них рычагами 12;
направляющих лопаток 3-й ступени 13, которые крепятся консольно с
помощью замка типа "ласточкин хвост" в полукольцах 14, которые, в свою
очередь, крепятся при помощи шпилек к наружному корпусу 16.
Лопатки НА 1-й и 2-й ступеней имеют высокие цапфы 16, с помощью которых
они устанавливаются в наружном корпусе 16. На эти цапфы напрессованы
стальные втулки 17. Крепление этих лопаток во внутренних кольцах
аналогично креплению лопаток ВНА: цапфы лопаток с напрессованными на
них стальными втулками входят в сферические опоры, расположенные во
внутреннем разъемном кольце 10.
29
30
Наружный корпус, внутренние кольца и лопатки НА 1- 3-й ступеней
изготовлены из титанового сплава ВТ8М.
Лопатки НА 1-й и 2-й ступеней - поворотные; поворот их относительно
продольной оси осуществляется с помощью подвижных колец-скоб 18
привода НА 1-й и 2-й ступеней. Эти кольца соединены шарнирно с рычагами
12 на лопатках. Привод поворотных лопаток ВНА и НА 1-й и 2-й ступеней
осуществляется двумя гидроцилиндрами, штоки которых поворачивают два
ведущих вала. Рычаги ведущих валов посредством тяг соединены с кольцами
привода ВНА и НА 1-й и 2-й ступени. При повороте рычагов приводных валов
кольца привода ВНА и НА 1-й и 2-й ступеней 18 (см. рис.2.6) поворачиваются
относительно корпуса в окружном направлений и поворачивают лопатки на
заданный угол.
На наружном корпусе над НА 1-й ступени имеется лючок (на рис. 2.6 не
показан) для осмотра рабочих лопаток 1-й и 2-й ступеней.
Передний 1 и задний 5 корпусы КВД (см. рис.2.7) не имеют разъемов; оба
корпуса сварные. Такая конструкция усложняет сборку, но обеспечивает
большую жесткость, исключает овализацию корпуса при нагреве, что
позволяет уменьшить радиальные зазоры и повысить КПД компрессора.
Передний корпус выполнен из титанового сплава ВТ20. В обечайке имеются
отверстия для крепления колец направляющих аппаратов 4 -7-й ступеней
(поз.4), а также два ряда отверстий О для перепуска воздуха из-за 6-й и 7-й
ступеней (эти отверстия расположены в плоскости направляющих аппаратов
6-й и 7-й ступеней).
Задний корпус КВД - сварной, из стали ЭП-718. Выбор такого материала
объясняется более высокой температурой воздуха в последних ступенях. В
заднем корпусе также имеются отверстия для крепления направляющих
аппаратов 8- 12-й ступеней и рабочих колец 9 - 13-ступеней.
Между передним и задним корпусами КВД образован кольцевой канал
К, через который отбирается воздух для охлаждения лопаток турбины и для
кондиционирования
пассажирского
салона,
а
также
для
противообледенительной системы самолета и других самолетных нужд.
Направляющие лопатки 4-й и 5-й ступеней изготовлены из титанового
сплава ВТ8М, а 6- 12-й ступеней - из железоникелевого сплава ЭИ787ВД.
Лопатки крепятся на кольцах направляющего аппарата консольно замком типа
"ласточкин хвост". Такое кропление конструктивно наиболее просто и широко
применяется для коротких лопаток, недостатком его является невозможность
уплотнения зазора между концами лопаток НА и ротором. Кроме того,
вследствие низкой изгибной жесткости консольных лопаток, могут возникнуть
их низкочастотные колебания.
Кольца НА крепятся к переднему и заднему корпусам винтами. Рабочие
кольца 4-й и 3-и ступеней имеют истираемое покрытие. Для осуществления
сборки узла КВД кольца НА 4- 13-й ступеней имеют разъемы. На торцевых
31
32
поверхностях этих колец имеются кольцевые выступы, которые входят в
проточки на торцах рабочих колец. Этим достигается взаимное центрирование
указанных элементов конструкции. От смещения в окружном направлении
кольца фиксируются штифтами. При сборке ротор вместе с направляющими
аппаратами и рабочими кольцами вставляется в корпус, после чего направляющие аппараты крепятся винтами к корпусу.
На переднем и заднем корпусах КВД имеются лючки для осмотра
рабочих лопаток всех ступеней при эксплуатационном контроле.
Корпус перепуска и отборов воздуха сварной конструкции изготовлен из
титанового сплава. Он установлен на переднем корпусе КВД и образует
вместе с ним изолированные кольцевые полости. Через две из них
осуществляется перепуск воздуха из внутреннего контура (из-за 6-й и 7-й
ступеней) в наружный через клапаны перепуска, расположенные на фланцах
корпуса перепуска {на рис.2.7 клапаны не показаны). Клапаны перепуска
воздуха являются вторым элементом механизации компрессора (кроме
поворотных лопаток ВНА и НА 1-й и 2-й ступеней). Кроме расширения
диапазона устойчивой работы перепуск воздуха улучшает пусковые
характеристики двигателя (облегчает раскрутку ротора высокого давления при
запуске), а также снижает вибронапряжения в лопатках, которые могли бы
возникнуть от вибрации на предпомпажных и помпажных режимах. В КВД
имеется шесть клапанов перепуска. Через три передних клапана происходит
перепуск воздуха из-за 6-й ступени, а через три задних - из-за 7-й ступени.
В задней части корпуса перепуска имеются фланцы 11 (см. рис. 2.7) для
крепления труб отбора воздуха за 7-й ступенью на охлаждение турбины, в
систему кондиционирования самолета, на обогрев воздухозаборника и др.
Корпус обдува 13 - стальной сварной конструкции, имеет продольный разъем.
В этом корпусе образован коллектор (кольцевая полость II) с большим
количеством отверстий, через которые осуществляется обдув заднего корпуса
КВД относительно холодным воздухом, отбираемым за подпорными
ступенями. Такой обдув приводит к уменьшению радиальных зазоров между
рабочими лопатками 9-13-й ступеней и корпусом. Для выпуска воздуха обдува
на корпусе обдува возле фланцев имеется два ряда отверстий. Управление
обдувом выполняет система управления радиальными зазорами, которая
открывает и закрывает заслонки обдува, расположенные за подпорными
ступенями. Система активного управления радиальными зазорами описана в
п.5.5.
Спрямляющий аппарат (СА) 13-й ступени 8 (см.рис.2.7) устанавливается
за ротором КВД. Он спрямляет закрученный в рабочем колесе воздух до
осевого направления перед поступлением его в камеру сгорания. СА 13-й
ступени состоит из наружного кольца 14 и лопаток. Лопатки закреплены в
наружном кольце при помощи замка типа "ласточкин хвост". Внутренние
полки лопаток имеют ребра, образующие кольцевой фланец, при помощи
которого СА крепится к фланцу корпуса опоры 10 совместно с внутренним
кольцом диффузора камеры сгорания. Фланец наружного кольца 14 соединен с
фланцами заднего корпуса КВД 13 и корпуса камеры сгорания, кольца
подвески 6 болтами. Таким образом, лопатки СА 13-й ступени входят в
33
силовую схему двигателя, передавая радиальные усилия, возникающие в
задней опоре КВД, на кольцо подвески.
Лопатки СА 13-й ступени изготовлены из жаропрочного сплава ВЖЛ-14,
наружное кольцо СА - стальное.
Кольцо подвески б входит в средний силовой пояс (см.рис. 1.3, поз. 15),
являясь частью силовой схемы двигателя. Это кольцо повышает жесткость
корпуса КВД и газогенератора двигателя в целом, уменьшая прогибы
корпусов вместе с опорами, а следовательно, и валов ротора. Кольцо подвески
точеное из железоникелевого сплава ЭИ787ВД.
2.4.2. Ротор компрессора высокого давления
Ротор КВД состоит из вала (см.рис.2.5), тринадцати рабочих колес,
промежуточных колец, передних и задних лабиринтов, деталей крепления.
Ротор КВД - дискового типа, крутящий момент от вала непосредственно
передается рабочим колесам при помощи шлиц.
Диски рабочих колес и задний двойной лабиринт 9 (см.рис.2.7)
насажены на общий вал и центрируются на нем прямоугольными (а не
эвольвентными) шлицами. Такое центрирование не нарушается при
деформации дисков под действием нагрузок и при изменении их температуры.
Двойной лабиринт крепится к диску 13-й ступени замком "пушечного типа".
От перемещения в осевом направлении рабочие колеса закреплены на валу
гайками 20 (рис.2.8) и 18 (см.рис.2.6); гайки законтрены пластинчатыми
замками. Между ступицами дисков 1-й и 2-й ступеней на валу расположено
регулировочное кольцо 20 (см.рис.2.6). Подбором его толщины обеспечивают
необходимый натяг между ободами дисков и промежуточными кольцами,
который необходим для предотвращения расхождения стыков и наклепа их
поверхностей при действии на ротор изгибающего момента.
Каждое из рабочих колес состоит из диска и рабочих лопаток,
закрепленных на дисках замком типа "ласточкин хвост". Для образования
плавной проточной части и фиксирования лопаток 3 -12-й ступеней в осевом
направлении, а также для повышения изгибной прочности и жесткости ротора
между ободами дисков установлены промежуточные кольца 19 (см.рис.2.6.).
Кольца центрируются своими выступами в ободах дисков. Лопатки 1-5-й
ступеней фиксируются цилиндрическими штифтами, а лопатки 13-й ступени пластинчатыми замками.
Для предотвращения резонансных колебаний по первой изгибной форме
наиболее длинные лопатки 1-й и 2-й ступеней имеют антивибрационные полки
(см.рис.2.6). К ребру обода диска 1-й ступени, а также ребру двойного
лабиринта (на диске 13-й ступени) при помощи заклепок крепят грузики
(поз.25 на рис.2.6 и поз. 12 на рис.2.7), которые используют для динамической
балансировки ротора КВД,
34
35
Рабочие лопатки 1-8-й ступеней выполнены из титанового сплава ВТ8М,
а 9-Г3-й ступеней - из стали ЭИ787ВД; диски рабочих колес 1-6-й ступеней -из титанового сплава ВТ18У, а диск 13-й ступени - из сплава ЭИ787ВД.
Различие в материалах объясняется изменением рабочей температуры деталей
от ступени к ступени. Промежуточные кольца первых 10 ступеней выполнены
из титанового сплава, а 11-й и 12-й ступеней - стальные. Вал ротора
изготовлен из стали ЭП517.
На передней цапфе вала КВД ( поз. 1 на рис.2.8) за гайкой 15
монтируются два лабиринта 8 и 9, регулировочное кольцо 12, внутреннее
кольцо роликового подшипника 3. Все эти детали стянуты на валу гайкой 6,
законтренной пластинчатым замком. Внутри вала нарезаны эвольвентные
шлицы, при помощи которых он соединяется с хвостовиком ведущего
цилиндрического зубчатого колеса центрального привода 2. От осевого перемещения зубчатое колесо удерживается штифтами.
На задней цапфе вала (рис.2.9) монтируются детали трехступенчатого
лабиринтного уплотнения 17, 18, 19, регулировочное кольцо 21, шариковый
подшипник 16 и ват привода КВД 4. Все эти детали стянуты гайкой 3,
навернутой на вал ротора КВД 8. Регулировочное кольцо 21 служит для
корректировки осевого расположения ротора КВД относительно статора, т.е.
для регулирования осевых зазоров при сборке.
Соединение валов роторов КВД и ТВД осуществляется через вал
привода КВД (рис.2.10). Это соединение передает крутящий момент с ротора
ТВД на ротор КВД, обеспечивает осевую фиксацию ротора ТВД и
уравновешивание осевых усилий, действующих на роторы ТВД и КВД.
Важными требованиями к этому соединению являются технологичность
сборки двигателя и высокая надежность соединения. Разрушение этого
соединения может привести к нелокализованному разрушению турбины,
частота вращения которой при отсутствии уравновешивающего крутящего
момента со стороны КВД резко возрастет.
Вал привода 4 компрессора высокого давления своими внутренними
шлицами соединяется с наружными шлицами вала ротора КВД 8 и закреплен
на нем гайкой 3. На заднем конце вала привода имеются внутренние шлицы,
которыми он соединяется с шлицевой втулкой 6, а та, в свою очередь, своими
внутренними шлицами соединяется с валом 13 ротора ТВД.
Все детали, размещенные внутри вала привода 4, стянуты гайкой 7, которая
жестко связывает их в осевом направлении. Вал привода в свою очередь
жёстко стянут с валом ротора КВД гайкой 3. Следовательно, если связать вал
ротора ТВД с валом привода КВД, то через него окажутся связанными валы
ТВД и КВД. Эту задачу выполняет стяжная втулка 11. которая вворачивается в
резьбу на внутренней поверхности переднего 'конца вала ТВД. Своим фланцем
она стягивает сферическое кольцо 12, центрирующее кольцо 5 и шлицевую
втулку 6, которая упирается в гайку 7.
36
37
38
39
Втулка 6 зафиксирована в осевом направлении гайкой 7, которая своими
выступами на внутренней стороне входит во впадины между шлицами на валу
ротора ТВД, и таким образом исключается возможность ее раскручивания.
Кольцо 12 фиксирует в осевом направлении кольцо 27, которое своими
выступами через обоймы 9 упирается в гайку 3, предотвращая ее
раскручивание. Стяжная втулка 11 контрится с помощью контровочной втулки
14, которая своими выступами входит в зацепление с выступами на заднем
конце втулки 11 . Сама копировочная втулка 14 зафиксирована от
прокручивания шлицевым соединением с валом ротора ТВД 13 , а в осевом
направлении - разрезным кольцом.
Втулка 10, находящаяся в обоймах 9, выполняет роль ограничителя
прогибов длинного вала ротора ТНД 15.
Сферическое соединение (кольца 5 и 12) компенсирует небольшой (в пределах
допуска) перекос осей валов ТВД и КВД, не устраняемый до конца
регулировкой соосности опор.
Осевые усилия с ротора ТВД, направленные в сторону сопла (на рисунке
2.9 - влево), передаются через резьбу на втулке 11 на кольцо 12 и втулку 6.
Далее через гайку 7 они передаются на вал привода 4 и через выступ на его
внутренней поверхности - на гайку 3 и через резьбовое соединение - на вал 8
ротора КВД. Далее неуравновешенное осевое усилие через резьбу на гайке 20
и детали лабиринтного уплотнения 17, 18, 19 и кольцо 21 передаются на
шариковый подшипник 16.
Для того чтобы разъединить роторы КВД и ТВД необходимо снять
контровочную втулку 14 (см.рис.2.9), вращая втулку 11 за выступы на ее
правом конце вывести из зацепления и затем снять вал 13 ротора ТВД, После
этого освобождается гайка 7 и становится возможной дальнейшая разборка:
удаление шлицевой втулки 6, кольца 12, втулки 11, кольца 27 и деталей
ограничителя прогибов 9 и 10. Далее отворачивается гайка 3 и снимается вал
привода КВД. Сборка соединения производится в обратном порядке.
2.4.3. Опоры ротора КВД
Передняя опора ротора КВД (см.рис. 2.8) - упруго-демпферная (УДО).
Конструкция ее аналогична рассмотренной в п.2.3 задней опоре ротора
вентилятора. Наружное кольцо роликового подшипника 3 монтируется в
стакане внутренней рессоры 5 и затянуто гайкой 7, законтренной
пластинчатым замком 14. На внешней поверхности внутренней рессоры
проточены две канавки, в которые устанавливаются по два
маслоуплотнительных кольца 13. Наружная рессора 4 своим задним фланцем
крепится к корпусу приводов, а передним фланцем соединяется с фланцем
внутренней рессоры. Между маслоуплотнительными кольцами в зазорах
между наружной и внутренней рессорами образована демпферная полость, в
которую подводится масло по каналам в корпусе. Отсюда же по сверлениям во
внутренней рессоре масло поступает на смазку подшипника.
40
Радиальные усилия, возникающие в передней опоре ротора КВД,
передаются через УДО. корпус опоры и разделительный корпус на узлы
крепления двигателя. Уплотнение масляной полости роликового подшипника
лабиринтное, двухступенчатое. Фланцы 10и 11 лабиринтов, сопрягаемые с
лабиринтами 8 и 9, установленными на передней цапфе вала ротора КВД,
крепятся к корпусу приводов. Внутренняя поверхность фланцев лабиринтов с
целью уменьшения радиального зазора имеет истираемое покрытие.
Задней опорой ротора КВД (см.рис.2.9) является шариковый подшипник,
который воспринимает радиальные усилия, а также разность осевых усилий,
действующих на роторы КВД и ТВД. Наружное кольцо шарикового
подшипника 16 монтируется в стальном стакане 26, запресованном в корпус
опоры, которая конструктивно входит в сварной узел внутреннего корпуса
камеры сгорания.
Усилия с шарикового подшипника через опору передаются на
спрямляющий аппарат 2 13-й ступени и далее через кольцо подвески и тяги
силовой схемы к узлу крепления двигателя.
Уплотнение масляной полости шарикового подшипника - лабиринтное,
трехступенчатое. Фланцы лабиринтов 23, 24, 25 крепятся к корпусу опоры.
Сопрягаемые с лабиринтами 17. 18, 19 поверхности имеют истираемое
уплотнительное покрытие. Для уменьшения теплоотдачи в масло стенка
переднего фланца лабиринта 25 имеет слой теплоизоляции, удерживаемый
кожухом. Между стенками фланцев лабиринтов 25 и 24 образована полость,
которая обдувается воздухом. Воздух для наддува лабиринтов отбирается изза подпорных ступеней. Масло для смазки и охлаждения подшипника подводится по внешнему трубопроводу к масляным форсункам 22 и впрыскивается
на беговую дорожку подшипника через жиклер.
Контрольные вопросы
1 .Назовите и найдите на чертеже основные элементы статора и ротора
вентилятора.
2.Назовите и найдите на чертеже основные элементы статора и ротора
подпорных ступеней.
3.Какие элементы образуют силовую схему КНД?
4.Как соединяются и центрируются элементы корпуса вентилятора и
подпорных ступеней?
5.Какие усилия действуют на лопатки спрямляющего аппарата вентилятора?
Как крепятся лопатки?
6.Чем обьясняется криволинейная форма проточной части подпорных
ступеней?
7.Как расположены и как кренятся лопатки статора ПС? Какие усилия они
воспринимаю!?
8.Найдите на чертеже основные элементы ротора вентилятора и подпорных
ступеней. К какому типу роторов можно отнести ротор КПД?
41
9.Как осуществляется центрирование рабочего колеса вентилятора и передача
на него крутящего момента с турбины?
10.Как крепятся рабочие лопатки вентилятора? Как они зафиксированы от
перемещений в осевом направлении?
11.Для чего предназначен обтекатель, как он крепится и центрируется?
12.Каким образом можно заменить рабочую лопатку вентилятора без разборки
вентилятора?
13,Каким образом можно заменить рабочее колесо вентилятора без разборки
всего вентилятора?
14.Каким образом уплотняется газовоздушный тракт между вентилятором и
подпорными ступенями?
15 .Для чего предназначены полки на рабочих лопатках вентилятора?
Преимущества и недостатки такой конструкции?
16,Как осуществляется центрирование деталей ротора подпорных ступеней и
передача на них крутящего момента с турбины?
17.Каким образом уплотняется газовоздушный тракт в подпорных ступенях?
18.Как крепятся рабочие лопатки подпорных ступеней? Как они фиксируются
от осевых перемещений?
19.Какие меры предусмотрены для уменьшения радиальных зазоров между
ротором и статором в подпорных ступенях?
20.Каким образом обеспечивается динамическая балансировка ротора
вентилятора и подпорных ступеней?
21.Найдите на чертеже опоры ротора вентилятора и подпорных ступеней.
Какие типы подшипников использованы в опорах и почему? Какие усилия они
воспринимают?
22.Назначение и принцип работы упруго-демпферной задней опоры ротора
вентилятора и подпорных ступеней.
23.Поясните схему передачи осевого усилия от рабочих лопаток вентилятора к
корпусу. Какие детали при этом нагружены и как направлены действующие на
них силы?
24.Какими деталями воспринимаются радиальные усилия в опорах ротора
вентилятора и подпорных ступеней?
25.Для чего и как связаны между собой в осевом направлении роторы
вентилятора и турбины низкого давления? Поясните конструкцию этого
соединения, способы передачи крутящего момента и осевых усилий.
26.Каким образом регулируются осевые зазоры между деталями ротора и
статора в вентиляторе и подпорных ступенях?
27.Поясните схему смазки подшипников ротора вентилятора и подпорных
ступеней. Каким образом уплотняются масляные полости?
28.Принципиальный порядок сборки узла вентилятора и подпорных ступеней.
29.Как предотвращается образование льда на деталях вентилятора?
30.Какие материалы применяются для изготовления деталей вентилятора и
подпорных ступеней.
31 .Найдите на чертеже основные элементы статора и ротора КВД.
32.Какие элементы образуют силовую схему КВД?
42
33.Как соединяются и центрируются элементы корпуса КВД?
34.Поясните устройство входного направляющего аппарата КВД.
35.'Каким образом крепятся лопатки ВНА? Какие усилия на них действуют и
какими деталями они воспринимаются?
36. Зачем и как осуществляется регулирование положения лопаток ВНА?
37.Чем объясняется различие в длине наружных цапф лопаток ВНА и
поворотных направляющих аппаратов КВД? Для чего необходимы
сферические кольца в креплении лопаток ВНА?
38.Поясните устройство направляющих аппаратов 3-12 ступеней КВД. Как
крепятся лопатки? Преимущества и недостатки такой конструкции?
39.Отличия конструкции СА 13-й ступени от конструкции напавляющих
аппаратов 3 - 12-й ступеней. С чем связаны эти отличия?
40.Найдите на чертеже основные элементы ротора КВД. К какому типу
роторов можно отнести ротор КВД?
41.Как осуществляется центрирование рабочих колес КВД и передача на них
крутящего момента с турбины?
42.Как крепятся рабочие лопатки КВД? Как они зафиксированы от
перемещений в осевом направлении?
43.Каким образом уплотняется газовоздушный тракт КВД?
44.Почему рабочие лопатки 1 - 3-й ступеней КВД имеют антивибрационные
полки, а лопатки остальных ступеней - не имеют?
45.Какие меры предусмотрены для уменьшения радиальных зазоров между
ротором и статором в КВД?
46.Каким образом обеспечивается динамическая балансировка ротора КВД?
47.Найдите на чертеже опоры ротора КВД. Какие типы подшипников
использованы в опорах и почему? Какие усилия они воспринимают?
48.Поясните схему передачи осевого усилия от рабочих лопаток КВД к
корпусу. Какие детали при этом нагружены и как направлены действующие на
них силы?
49. Какими деталями воспринимаются радиальные усилия в опорах ротора
КВД?
50. Поясните конструкцию соединения роторов КВД и ТВД, способы
передачи крутящего момента и осевых усилий.
51.Каким образом регулируются осевые зазоры между деталями ротора и
статора в КВД?
52.Поясните схему смазки подшипников ротора вентилятора и подпорных
ступеней. Каким образом уплотняются масляные полости?
53.Порядок сборки узла КВД.
54.Какие материалы применяются для изготовления деталей КВД (валов,
дисков, лопаток, корпусов) и чем объясняется выбор материалов в каждом
случае?
55.Как обеспечивается устойчивая работа компрессора? Перечислите
противопомпажные мероприятия.
56.Как соединить и разъединить роторы КВД и ТВД?
57.Как соединить и разъединить роторы КПД и ТНД?
43
3. РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ КОРПУС И КОРОБКА
ПРИВОДОВ
Разделительный корпус расположен за спрямляющими лопатками
вентилятора, а во внутреннем контуре - между подпорными ступенями и
компрессором высокого давления (рис. 1.1).
Разделительный корпус (рис.3.1) является одним из основных элементов
силовой схемы двигателя. На нем расположены узлы и детали передней
подвески двигателя к самолету и транспортировочные приспособления.
Внутри разделительного корпуса размещены детали центрального привода и
передачи мощности на привод агрегатов. Коробка приводов к агрегатам
крепится к нижней части разделительного корпуса (рис.3.2). В разделительном
корпусе размещаются узлы перепуска воздуха из-за подпорных ступеней.
Кроме того, к нему крепятся трубопроводы отбора воздуха из-за подпорных
ступеней компрессора на наддув уплотнений задней опоры ротора двигателя и
для системы активного управления радиальными зазорами компрессора
высокого давления и турбины.
Разделительный корпус литой, из легкого магниевого сплава МЛ-5ПЧ.
Конструктивно он состоит из внутренней 2 и наружной 1 частей, соединенных
между собой шпильками (см.рис.3.1). Наружная часть разделительного
корпуса является частью наружного контура двигателя. В ней имеется 12
стоек; четыре (верхняя, нижняя и две горизонтальные) - радиальные и четыре
пары наклонных. Такая схема обеспечивает достаточную жесткость
конструкции.
Во внутренней части 2 разделительного корпуса находится канал
проточной части внутреннего контура двигателя. В нем расположены 6
радиальных стоек. Через нижнюю полую радиальную стойку проходит вал
отбора мощности для коробки приводов (см.рис.3.2). Он состоит из двух
частей 9 и 12, соединенных между собой шлицами. В полости разделительного
кольца расположена дополнительная опора 10 этого вала. Верхний вал своими
шлицами сопрягается с ведомой конической шестерней центрального привода,
а нижний вал - с ведущим зубчатым колесом коробки приводов.
Через верхнюю стойку разделительного корпуса (см.рисЗ.1) проходит труба 5,
через которую суфлируется (сообщается с атмосферой) его внутренняя
полость, коробка приводов, кожух вала турбины, полость задней опоры
турбины и маслобак.
На наружном ободе разделительного корпуса имеется ряд фланцев для
крепления коробки приводов, трубы суфлирования, транспортировочных и
такелажных кронштейнов, агрегата зажигания, датчиков давления и
температуры, маслобака, теплообменника.
44
45
46
В полости между внутренним 2 и наружным 1 корпусами расположены
12 окон для перепуска воздуха из наружного контура в КВД. Это необходимо
для облегчения запуска двигателя. Дело в том, что при запуске вначале
раскручивается ротор высокого давления, а ротор низкого давления в это
время еще не раскручен. При этом подпорные ступени создают
дополнительное сопротивление на входе в КВД, в результате чего снижение
расхода воздуха может привести к помпажу КВД. При открытых окнах перепуска это явление предотвращается. После запуска эти окна закрываются с
помощью гидроцилиндров.
Центральный
привод
расположен
во
внутренней
полости
разделительного корпуса (см.рис. 1.1 и 3.2). Он служит для отбора мощности
от ротора КВД на коробку приводов агрегатов. Кинематическая схема
(рис.3.3) центрального привода представляет собой две пары шестерен:
цилиндрическую и коническую. Ведущая цилиндрическая шестерня
расположена на валу ротора КВД. Ведомая цилиндрическая шестерня и пара
конических смонтированы в одном блоке в корпусе приводов, который
установлен в полости внутреннего корпуса. Благодаря тому, что ведущая
шестерня выполнена цилиндрической с прямыми зубьями, она не
препятствует перемещению конца вала ротора КВД в осевом направлении при
нагреве и охлаждении.
Шестерни и подшипники центрального привода смазываются маслом,
которое поступает по сверлениям и расточкам к жиклерам центрального
привода. Слив масла осуществляется через трубку слива 13 и кожух 11 вала
(см.рис.3.2), расположенные в нижней стойке разделительного корпуса.
Спереди на внутренней части разделительного корпуса крепится корпус
задней опоры с роликовым подшипником вала вентилятора. В задней стенке
расположен роликовый подшипник, являющийся передней опорой ротора
КВД (см.рис.3.1).
Коробка приводов служит для размещения на ней агрегатов двигателя,
а также агрегатов самолета, приводимых во вращение двигателем. Детали
приводов размещены внутри коробки. Коробка приводов крепится к
разделительному корпусу при помощи проушин четырьмя призонными
болтами. Таким образом обеспечивается фиксация коробки относительно
разделительного корпуса в определенном положении. Перечень агрегатов,
размещенных на коробке приводов, приведен в п. 1.2. Следует отметить, что
на двигателе ПС-90А все агрегаты и их приводы скомпонованы в одной
коробке, в отличие от двигателей более ранних конструкций, где обычно
имелось по две и более коробок приводов (верхняя, нижняя, боковые).
Корпус и крышка коробки, как и разделительный корпус, отлиты из
магниевого сплава МЛ-5. Соединяются они между собой шпильками,
ввернутыми в корпус, и самоконтрящимися гайками. Разъем между крышкой и
корпусом уплотняется резиновым уплотнительным кольцом. В корпусе и
крышке имеются бобышки, в расточки которых запрессованы стальные
обоймы под подшипники. На фланцах устанавливаются переходники
агрегатов, к которым при помощи быстросъемных хомутов крепятся сами
агрегаты.
47
48
Кинематическая схема приводов изображена на рис.3.3. Привод от
ротора КВД включает в себя конические зубчатые колеса с круговым зубом.
Зубчатые колеса выполнены заодно с валиками, шейки которых опираются на
подшипники. Центральное цилиндрическое колесо имеет хвостовик, который
одним концом опирается на роликовый подшипник, а другим концом входит в
шлицы конического колеса. Валики от конических колес двухопорные.
Отсутствие консольного крепления уменьшает изгибные нагрузки и,
следовательно, габариты передачи.
На центральном фланце корпуса коробки имеются четыре фланца для
установки датчиков частоты вращения. Каждый из датчиков выдает сигнал на
свою систему контроля и управления. На этом же фланце крепится переходник
привода прокрутки (прокрутка ротора производится при техническом
обслуживании двигателя). В рабочем положении этот привод закрывается
резьбовой заглушкой.
Цилиндрические зубчатые колеса приводов агрегатов по своей
конструкции однотипны. Зубья этих шестерен нитроцементированы и
обработаны с высокой степенью точности. Смазка и охлаждение наиболее
нагруженных колес (это конические шестерни на входе) осуществляются через
жиклеры, к которым масло подводится по стальным трубкам, залитым в
стенки корпуса и крышки коробки. Смазка остальных зубчатых колес и
подшипников происходит за счет барботажа. Коробка приводов суфлируется
через разделительный корпус. Отработанное масло из разделительного
корпуса и коробки приводов откачивается блоком маслонасосов с фильтром.
Стыки корпусов и переходников уплотняются резиновыми уплотнительными
кольцами.
Приводные валики гидронасосов, подкачивающего центробежного
топливного насоса, гидропривода и автономного генератора уплотняются
торцевыми контактными уплотнениями с графитовым элементом. Эти
уплотнения выполнены в виде самостоятельных узлов, что позволяет заменять
их в процессе эксплуатации.
Контрольные вопросы
1 .Какие функции выполняет разделительный корпус?
2.Как передается крутящий момент на привод агрегатов? Поясните
кинематическую схему центрального привода.
З.Как обеспечивается свобода теплового расширения валов центрального
привода?
4.Из каких элементов состоит разделительный корпус? Как они соединяются
между собой? Как обеспечивается центрирование?
7.Для чего предназначены расположенные в разделительном корпусе окна
перепуска воздуха?
8.Из какого материала изготовлен разделительный корпус? 9.Поясните
кинематическую схему коробки приводов двигателя. 10.Как организована
смазка подшипников и зубчатых колес, расположенных в коробке приводов?
11 .Как организовано суфлирование коробки приводов?
12.Как уплотняется соединение коробки приводов и разделительного корпуса?
49
4. КАМЕРА СГОРАНИЯ
Камера сгорания (КС) двигателя ПС-90А комбинированного тана с 12-ю
жаровыми трубами и кольцевым газосборником расположена между
компрессором высокого давления и турбиной. Таким образом, передняя часть
КС соответствует трубчато-кольцевой схеме, а задняя - кольцевой. Наличие
кольцевого
гозосборника
является
принципмальной
особенностью,
отличающей ее от конструкций КС предшествующих двигателей фирмы
"Авиадвигатель". При той же длине КС кольцевой газосборник позволяет
получать на выходе более равномерное поле температур, давлений и
скоростей газа. Это, в свою очередь, благоприятно сказывается как на
газодинамических условиях работы турбины, так и на повышении их
вибропрочности.
КС состоит из следующих основных узлов (рис 4.1): корпуса I,
внутреннего кожуха 2,
двенадцати жаровых труб 5, газосборника 12,
наружного 6 и внутреннего 7 колец диффузора, двенадцати топливных
форсунок 3, свечей зажигания 4, топливных и воздушных трубопроводов.
Корпус камеры сгорания 1 и внутренний кожух 2 образуют кольцевой
канал, в котором расположены жаровые трубы и газосборник. Корпус и
внутренний кожух КС вместе со скрепляющими их двенадцатью силовыми
стойками 22 (см. рис. 4,2), НА 13-йступени КВД и кольцом подвески 9
(см,рис.41) входят в силовую схему двигателя. Корпус КС нагружен
крутящими моментами и осевыми силами со стороны компрессора и турбины,
а также внутренним давлением, Внутренний кожух КС нагружен кроме того
реакциями, возникающими в задней опоре ТВД (роликовом подшипнике) и
внешним избыточным давлением. Силовые стойки 22 частично разгружают
внутренний кожух, подкрепляют его от потери устойчивости и повышают
жесткость всей системы, уменьшая вероятность опасных резонансных
вибрационных режимов, Силовые стойки проходят между жаровыми трубами
в потоке воздуха из-за компрессора и благодаря этому не подвержены
высокотемпературному воздействию газов в камере сгорания.
4.1. Корпус камеры сгорания и диффузор
Корпус КС сварной конструкции выполнен из никелевого сплава ЭП718. В
передней части корпуса расположен диффузор, представляющий собой
кольцевой канал, образованный наружным 6 и внутренним 7 кольцами (см.
рис. 4.1) В диффузоре происходит снижение скорости потока воздуха перед
входом его в жаровые трубы. Наружное кольцо диффузора крепится своим
фланцем к кольцу подвески 9 (вместе с фланцем корпуса СА 13-й ступени
КВД), внутреннее кольцо 7 - к переднему фланцу внутреннего кожуха2
(вместе с полками спрямляющих лопаток 13-й ступени КВД). Кольца
диффузора выполнены из сплава ЭП718.
50
51
52
Конструктивная схема диффузора описываемой КС существенно
отличается от аналогичных элементов конструкции предшествующих
двигателей. Короткий кольцевой канал со сравнительно небольшой
диффузорностью обеспечивает плавное безотрывное течение воздуха в
диффузоре, а на выходе из него, благодаря резкому увеличению площади
сечения, происходит внезапное (ступенчатое) расширение потока. Такие
диффузоры имеют меньшую длину по сравнению с безотрывными. Главным
же их преимуществом является малая чувствительность к изменениям
скорости потока на выходе вследствие изменения режима работы двигателя, а
это, в свою очередь, положительно сказывается на устойчивости работы
камеры сгорания в целом.
На корпусе имеются 12 фланцев, а на внутреннем кожухе - 12 втулок,
которые предназначены для установки переходных и перепускных труб,
расположенных между жаровыми трубами. Через перепускные трубы
проходят трубопроводы воздушной, масляной и суфлирующей систем.
Переходные трубы служат для подвода охлаждающего воздуха из-за
компрессора на охлаждение рабочих лопаток и дисков 1-й и 2-й ступеней ТВД.
Одна из этих труб показана на рис. 4.1 (поз. 17).
На корпусе КС расположены шесть кронштейнов 11 (см.рис.4.1),
поддерживающих топливные коллекторы. Отверстия в корпусе КС, к которым
крепятся эти кронштейны, используются для осмотра жаровых труб,
газосборника и соплового аппарата 1 -и ступени турбины при
эксплуатационном контроле. Для этой же цели используются шесть дополнительных лючков, закрытых крышками.
Температура корпуса КС составляет около 560°С, внутреннего кожуха и
диффузора -около 600 °С.
Давление воздуха внутри КС достигает 30 атм. Корпус КС нагружен
изнутри этим давлением, кроме того, он воспринимает растягивающие усилия
и крутящие моменты со стороны корпусов компрессора и турбины.
Внутренний кожух 2 нагружен внешним давлением; чтобы исключить потерю
устойчивости на нем предусмотрены кольцевые ребра жесткости.
4.2. Жаровые трубы
Каждая жаровая труба состоит из головки, шести секций, семи
гофрированных колец и заднего рамочного фланца, сваренных между собой
(рис.4.1). Эти элементы изготавливаются штамповкой из листового
жаростойкого сплава ЭГ1648.
К головке жаровой трубы приклепано фронтовое устройство (ФУ). Оно
состоит из осевого завихрителя 18 (см.рис.4.1), расположенного вокруг
отверстия под форсунку, и тангенциального завихрителя 19. Завихрители
обеспечивают турбулизацию воздуха, лучшее испарение топлива,
перемешивание топливовоздушной смеси и подготовку ее к сгоранию.
53
Головка жаровой трубы представляет собой штампованную деталь; в ее
стенках выполнены дна ряда отверстий для подачи охлаждающего воздуха.
Для организации течения пою воздуха предназначен дефлектор 20, который
направляет движение воздуха вдоль стенки головки.
К головке жаровой трубы приварена втулка подвески. В десяти жаровых
трубах в эти втулки вставляются подвески, а в двух - кожухи свечей зажигания
4 (см.рис.4.1). Таким образом, от перемещения в радиальном направлении
жаровые трубы 5 фиксируются е помощью форсунок, а в осевом направлении подвесками или кожухами свечей. Конструкция втулок подвески благодаря
сферическому соединению не препятствует тепловому расширению жаровых
труб как в радиальном, так и в осевом направлении.
Секции и гофрированные кольца образуют стенки жаровой трубы, в
которых выполнены два ряда отверстий большого диаметра для подвода
воздуха в зоны горения и смешения.
Температура факела в зоне горения составляет около 2000-2200°С,
поэтому охлаждение жаровой трубы имеет решающее значение для
обеспечения ее работоспособности. Охлаждающий воздух через щели
гофрированных колец выходит на внутреннюю поверхность жаровых труб,
обеспечивая пленочное охлаждение. Температура стенок жаровой трубы
достигает 900-950°С, Внутренние поверхности жаровых труб покрыты жаростойкой эмалью.
Свечи зажигания 4 (см.рис.4.1) расположены в 3-й и 10-й жаровых
трубах. Они находятся в кожухах, которые изолируют их от контакта с
горячими газами. Свечи охлаждаются воздухом из наружного контура.
Воспламенение топлива в остальных жаровых трубах происходит через
пламяперебрасывающие патрубки, соединенные между собой муфтами.
Жаровые трубы заканчиваются фланцами рамочного типа. Эти фланцы имеют
трапецевидную форму, образованную двумя плоскими и двумя
цилиндрическими поверхностями. По боковым поверхностям фланцев
жаровые трубы стыкуются между собой, а цилиндрическими поверхностями
образуют телескопическое соединение с кольцами газосборника, обеспечивая
возможность их теплового расширения. Жаровые трубы представляют собой
модуль, который можно заменить в процессе эксплуатации, однако для этого
требуется хорошо оснащенная ремонтная база.
4.3. Газосборник
Кольцевой канал газосборника 12 (см.рис.4.1) образован наружным и
внутренним кольцами. В кольцевом канале газосборника формируется газовый
поток на входе в ТВД. Конструкция газосборника обеспечивает на входе в
ТВД минимальную неравномерность полей температуры, давления и скорости
в окружном направлении и заданную эпюру температур в радиальном
направлении (т.е. по высоте лопаток соплового аппарата).
54
Кольца газосборника точеные из жаростойкого сплава ЭП648 (того же,
из которого выполнены жаровые трубы). В них выполнены по 7 рядов
отверстий. Первые 6 служат для подвода воздуха, образующего пленочное
охлаждение внутренней поверхности, а последний - для подвода воздуха,
охлаждающего полки сопловых лопаток 1-й ступени ТВД. Козырьки напротив
отверстий повышают эффективность охлаждения, препятствуя быстрому
"размыванию" струек воздуха, поступающего через отверстия.
Задняя часть наружного кольца газосборника 12 служит корпусом
соплового аппарата 13 1-й ступени ТВД, в который монтируются лопатки.
Внутреннее кольцо газосборника заканчивается фланцем, которым оно
крепится к фланцу опоры 14 соплового аппарата 1-й ступени. Свобода
теплового расширения колец газосборника обеспечивается телескопическим
соединением их с жаровыми трубами. Как и жаровые трубы, внутренние
поверхности колец газосборника покрыты жаростойкой эмалью.
4.4. Внутренний кожух камеры сгорания и кожух вала
Внутренний кожух камеры сгорания 2 (см.рис.4.1) сварной, изготовлен
из сплава ЭП718. Он выполнен заодно с корпусом задней опоры ротора КВД.
К заднему фланцу внутреннего кожуха крепятся опора соплового аппарата
ТВД 14 и корпус опоры 16 роликового подшипника ТВД.
Кожух вала образует полость, которая объединена с масляными
полостями шарикоподшипника КВД и роликового подшипника ТВД. В
передней и задней частях кожуха вала оборудованы маслосборники (рис.4.2), в
которые стекает и откуда откачивается масло после смазки и охлаждения
шарикового подшипника ротора КВД, роликового подшипника ротора ТВД и
межвального роликового подшипника ротора ТНД. С целью предотвращения
перегрева масла со стороны внутреннего кожуха КС кожух вала имеет
теплоизоляцию, защищенную снаружи стальным кожухом.
Своими фланцами кожух вала крепится спереди к корпусу
шарикоподшипника ротора КВД, а сзади - к корпусу роликового подшипника
ротора ТВД. Корпусы опор жестко связаны между собой внутренним кожухом
КС. Температура этого кожуха значительно выше температуры кожуха вала и
если бы последний был выполнен цельным, в нем возникли бы температурные
напряжения растяжения, которые могли бы привести к разрушению. Во
избежание этого кожух вала выполнен из двух частей - передней и задней,
которые связаны между собой гофрированным компенсатором (см, рис.4.1).
Обе части соединены между собой телескопически, что позволяет им
перемещаться друг относительно друга, а гофрированный компенсатор
обеспечивает герметичность полости кожуха вала, предотвращая утечку масла
и обеспечивая возможность его суфлирования.
55
В передней и задней частях кожуха вала, у его фланцев, образованы
кольцевые полости, через которые осуществляется наддув лабиринтных
уплотнений масляных полостей опор (см. рис.4.2).
Кожух вала сварной конструкции выполнен из листовой нержавеющей стали
12Х18НЮТ.
4.5. Топливная форсунка
Топливо в камеру сгорания двигателя подается через форсунки, которые
выполняют функции как рабочих, так и пусковых. Форсунка двигателя
(рис.4.3)
традиционной
схемы
центробежная,
двухступенчатая
(двухканальная), двухсопловая. Она состоит из корпуса 3, двух штуцеров 9 и
10, двух сетчатых фильтров '1 и 2, стакана 4 и пакета распыливания 7 и 8.
Корпус форсунки 3 сварен из нескольких предварительно обработанных
элементов из жаростойкого сплава ЭП648 и имеет фланец, которым она
крепится к корпусу КС. Для предотвращения коксообразования и отложения
кокса в каналах корпус форсунки снаружи покрыт теплоизоляцией из
кремнеземной ленты, защищенной снаружи кожухом. Фильтры 1 и 2
расположены в подводящих каналах, предотвращая каналы форсунки от
засорения.
Штуцеры 9 и 10 ввернуты в корпус форсунки и от отворачивания
зафиксированы шлицевыми замками 11, которые удерживаются пружинными
кольцами. Резьбовые соединения уплотняются медными уплотнительными
кольцами 12.
Пакет распыливания собирается в стакане 4, который навертывается на
корпус форсунки и приваривается к нему для обеспечения высоконадежной
герметичности. Пакет распыливания включает распылитель 1-го (внутреннего)
контура 8 и распылитель II-го контура 7. Каждый распылитель имеет
завихрительную камеру с тангенциальными пазами и сопло. Топливо,
поступающее к форсунке, проходит через фильтры и каналы в корпусе,
попадает в тангенциальные пазы завихрителей, приводится во вращение в
завихрительных камерах и выбрасывается через сопло. При выходе из сопла
частицы топлива разлетаются по прямолинейным траекториям, образуя
топливный конус.
В 1-й контур топливо поступает на всех режимах, в том числе и при
запуске. Во II-й контур оно поступает лишь после того, как давление топлива в
1 контуре достигает 28 атм. Такое давление достаточно для обеспечения
хорошего распыливания топлива при совместной работе обоих контуров.
Двенадцать топливных форсунок образуют модуль, который может быть
заменен в эксплуатации.
56
57
Контрольные вопросы
I .Найдите на чертеже основные конструктивные элементы камеры сгорания.
2.Найдите на чертеже элементы, образующие силовую схему КС. Поясните
какими усилиями они нагружены.
3.Поясните профиль входного устройства КС и принцип его работы.
4.Какой тип фронтового устройства используется в КС? Поясните принцип его
действия.
5.Как осуществляется ввод первичного воздуха в жаровую трубу?
6. Как осуществляется ввод вторичного воздуха?
7.Как охлаждаются жаровые трубы?
8.Как крепятся жаровые трубы?
9. Как обеспечена свобода теплового расширения жаровых труб?
10.Как соединяются жаровые трубы между собой?
I1 .Какие конструктивные мероприятия увеличивают жесткость элементов
конструкции КС?
12.Поясните, как происходит воспламенение топливовоздушной смеси.
13.Какие материалы применяются для изготовления жаровых труб, кожухов,
корпусов КС? Почему?
14.Назначение кожуха вала.
15.Назначение гофрированного компенсатора на кожухе вала.
12.Какие конструктивные решения предупреждают растрескивание на краях
отверстий?
16.Найдите на чертеже основные элементы топливной форсунки. Поясните их
назначение.
17.Поясните работу топливной форсунки.
18.В чем преимущества комбинированной камеры сгорания с кольцевым
газосборником перед КС трубчато-кольцевого типа?
19.Каким образом осуществляется эксплуатационный контроль технического
состояния элементов КС.
58
5. ТУРБИНА
Турбина двигателя осевая шестиступенчатая двухвальная состоит из
двух каскадов. Турбина высокого давления (ТВД) двухступенчатая, приводит
во вращение ротор КВД, а турбина низкого давления (ТНД),
четырехступенчатая, приводит во вращение вентилятор и подпорные ступени.
Кроме того, от ТВД отбирается мощность (через вал КВД) на привод
агрегатов. Направление вращения обеих турбин левое (против часовой
стрелки, если смотреть со стороны реактивного сопла).
Для уменьшения критической частоты вращения и снижения
виброперегрузок корпуса двигателя опоры роликового подшипника ТВД и
заднего роликового подшипника ТНД выполнены упруго-демпферными
(УДО). В целях улучшения технологичности деталей турбины внутренний
диаметр ее проточной части выполнен постоянным у ТВД, а также 4- 6-й
ступеней ТНД (внутренний диаметр проточной части ТНД больше, чем у
ТВД). Турбина снабжена системой активного регулирования радиальных
зазоров.
Для обеспечения технологичности в условиях эксплуатации турбина
имеет модульную (блочную) конструкцию, которая включает в себя модули
соплового аппарата 1-й ступени, ТВД, ТНД, опоры роликового подшипника
ТВД, опоры роликового подшипника ТНД.
5.1. Турбина высокого давления
Турбина высокого давления состоит из следующих узлов: сопловых
аппаратов 1-й и 2-й ступеней, ротора и опоры роликового подшипника.
5.1.1. Сопловые аппараты турбины высокого давления
Сопловой аппарат (СА) первой ступени (рис.5.1) расположен между
наружным и внутренним кольцами газосборника 1, который является
элементом камеры сгорания. Он состоит из тридцати семи охлаждаемых
лопаток 2, опоры СА 3, промежуточного кольца 4, разрезного кольца 5 и
перфорированного кольца 24.
Наружные полки лопаток с помощью Г-образных выступов крепятся к
наружному кольцу газосборника и фиксируются с помощью штифтов.
Внутренние полки лопаток своими задними буртиками входят в кольцевую
проточку опоры СА, а передними - в канавку, образованную опорой СА и
фланцем
внутреннего
кольца
газосборника.
Таким
образом
обеспечивается возможность удлинения лопаток в радиальном направлении
при их нагреве. В окружном направлении они могут расширятся за счет
зазоров между их полками.
59
60
Фланец внутреннего кольца газосборника крепится к фланцу опоры СА.
Фланец наружного кольца газосборника 1 крепится болтами к заднему фланцу
корпуса 12 камеры сгорания совместно с фланцем промежуточного кольца 4,
собранного вместе с разрезным кольцом 5. Кольцо 5 сделано разрезным,
состоящим из отдельных сегментов, что обеспечивает возможность их
свободного (за счет зазоров между сегментами) теплового расширения в
окружном направлении. Промежуточное и разрезное кольца изготовлены из
жаропрочного сплава на никелевой основе ЭИ437БУ-ВД.
Цилиндрическая часть опоры 3 соплового аппарата 1-й ступени имеет
уступ, увеличивающий ее податливость в осевом направлении, что
обеспечивает свободу теплового расширения полок лопаток и предотвращает
возникновение температурных напряжений. Коническая часть опоры СА
своим передним фланцем совместно с фланцем корпуса опоры роликового
подшипника крепится к внутреннему кожуху 7 камеры сгорания. К заднему
фланцу цилиндрической части опоры СА крепится крышка 8, которая своим
внутренним фланцем вместе с фланцами лабиринтов 9, 10, 11 крепится винтами к корпусу опоры роликового подшипника. На фланцах лабиринтов
выполнено сотовое уплотнение. Лопатки СА изготовлены из жаропрочного
сплава на никелевой основе ЖС6У методом точного литья по выплавляемым
моделям.
Осевое усилие, действующее на СА 1 -и ступени и направленное в
сторону сопла, передается от наружных полок лопаток через газосборник 1 на
корпус 12 камеры сгорания, а от внутренних полок - через опору 3 СА на
внутренний кожух 7 камеры сгорания. Радиальных усилий сопловой аппарат
не передает.
Осмотр сопловых и рабочих лопаток 1-й ступени при контроле их
технического состояния производится через лючки в корпусе камеры
сгорания.
Сопловой аппарат 2-й ступени (рис.5.2) состоит из наружного кольца 1,
сорока семи охлаждаемых лопаток 3, разрезного кольца 2, состоящего из 36
секторов, проставок 4, нижней и верхней проставок 5 и 6. Лопатки
изготовлены из сплава ЖС6У методом точного литья.
На наружных полках лопаток имеются Г-образные выступы, которыми они
входят в соответствующие проточки на наружном кольце и фиксируются в
нем цилиндрическими штифтами. На подошвах лопаток (на внутренней
цилиндрической поверхности) выполнены соты, образующие вместе с
гребешками лабиринтов сотовое уплотнение между первой и второй
ступенями, препятствующее перетеканию газа из области более высокого
давления в область более низкого.
Окружное и осевое усилия, действующие на лопатки СА, передаются
через передний фланец наружного кольца 1 на промежуточное кольцо корпуса
1 -и ступени и далее через газосборник на корпус камеры сгорания.
61
62
Проставки 5 и 6 служат для уплотнения пространства между лопатками
и секторами разрезного кольца. Между полками соседних лопаток имеется
зазор, обеспечивающий возможность теплового расширения их в окружном
направлении.
Консольное крепление лопаток обеспечивает возможность их теплового
расширения в радиальном направлении. Разрезное кольцо 2, как и в 1-й
ступени, состоит из отдельных сегментов, которые крепятся к наружному
кольцу штифтами. Между сегментами имеются зазоры, обеспечивающие
возможность их теплового расширения в окружном направлении. Наружное
кольцо и разрезное кольцо изготовлены из жаропрочного никелевого сплава
ЭИ437БУ-ВД.
В наружном кольце СА 2-й ступени имеются лючки для осмотра
сопловых и рабочих лопаток и лючки для контроля натяга по контактным
поверхностям бандажных полок рабочих лопаток 2-й ступени.
5.1.2. Ротор турбины высокого давления
Ротор турбины высокого давления (см.рис.5.1) состоит из вала 13, диска
1-й ступени 14 с дефлектором 15 и рабочими лопатками 6, диска 2-й ступени
16 с дефлектором 17 и рабочими лопатками, промежуточных дисков 18,
роликового подшипника 22, деталей лабиринтного уплотнения и крепления.
Диски изготовлены из сплава на никелевой основе ЭП741-ИП. На ободах
дисков имеются пазы "елочного" типа для крепления рабочих лопаток. К
переднему фланцу диска 1-й ступени 7 (см. рис. 5.2) крепится винтами
дефлектор 8 и двойной лабиринт 14. Дефлектор, кроме того, соединяется с
выступами на ободе диска замками "пушечного" типа. На передней стенке
дефлектора выполнен кольцевой выступ с гребешками, который вместе с
фланцем лабиринта образует уплотнение полости опоры. Дефлектор также
удерживает рабочие лопатки 9 от осевого перемещения вперед.
Диск 1-и ступени 7 крепится к 2-образному фланцу вала 17 при помощи
призонных болтов. На запрессованные в этот фланец призонные штифты
крепится своим передним фланцем диск 2-й ступени 10. Через призонные
болты и штифты передается крутящий момент с дисков на вал ТВД. Фланец
диска 2-й ступени прижат к фланцу вала стяжной гайкой 20. К заднему фланцу
стяжной гайки 20 крепится винтами фасонная втулка 21, которая спереди
соединяется с валом ротора штифтами. Эта втулка контрит стяжную гайку
относительно вала. На ее ободе проточена канавка, в которую вставлены два
разрезных кольца, образующие вместе с дефлектором 13 уплотнение воздушной полости. Кроме того, ее кольцевой выступ вместе с лабиринтом на
валу ТНД образует лабиринтное уплотнение полости охлаждающего воздуха
(см.рис.5.1).
63
Осевое усилие, действующее на рабочие лопатки, передается через диск
1-й ступени 14 на фланец вала, а через диск 2-й ступени 16 - на стяжную гайку
21 и через ее резьбу -на вал 17 (см. рис. 5.2).
К заднему фланцу диска 2-й ступени 10 крепится винтами дефлектор,
который центрируется по цилиндрической поверхности фланца диска и
соединяется с выступами на ободе диска замками "пушечного" типа. На
наружной поверхности дефлектора нарезаны гребешки для образования
сотового лабиринтного уплотнения с сопловым аппаратом 3-й ступени ТНД.
Дефлекторы 1-й и 2-й ступеней служат для организации воздушного
охлаждения дисков и рабочих лопаток. Поэтому в них и во фланцах дисков
имеются пазы и отверстия для прохода охлаждающего воздуха. Дефлектор
диска 2-й ступени одновременно удерживает рабочие лопатки от перемещения
назад.
Для образования уплотнения проточной части ТВД между 1-й и 2-й
ступенями и для организации охлаждения задней поверхности диска 1-й
ступени и передней поверхности диска 2-й ступени, а также рабочих лопаток
2-й ступени, между этими дисками расположены промежуточные диски 13
(рис.5.2). Промежуточные диски одновременно удерживают рабочие лопатки
1-й ступени от осевого перемещения назад, а 2-й ступени - вперед.
Промежуточные диски центрируются по расточкам в ободах дисков 8 и 10.
При помощи переднего 15 и заднего 16 фланцев они крепятся к фланцу вала.
Своими выступами эти фланцы удерживают промежуточные диски от
проворачивания. На ободе промежуточных дисков имеются гребешки,
которые совместно с сотами на лопатках соплового аппарата 2-й ступени 3
образуют лабиринтное уплотнение между ступенями. Дефлекторы выполнены
из сплава ЭП742-ИД, а промежуточные диски - из сплава ЭП741-ИП.
Рабочие лопатки обеих ступеней турбины высокого давления
охлаждаются воздухом из-за компрессора. Во внутренней полости для
повышения эффективности охлаждения они имеют интенсификаторы
теплообмена штырькового типа, представляющие собой цилиндрические
перемычки между внутренними поверхностями пера. Лопатки 1-й ступени не
имеют бандажных полок, лопатки 2-й ступени - с бандажными полками. Полки имеют зигзагообразные боковые поверхности, по которым при постановке
лопаток в диск обеспечивается необходимый для снижения вибронапряжений
натяг. Он создается за счет упругой закрутки пера лопатки при сборке и
должен сохраняться в процессе эксплуатации двигателя. В эксплуатации натяг
контролируется через лючки в наружном кольце СА 2-й ступени. На наружной
поверхности полок лопаток образованы три гребешка, которые вместе с
разрезным кольцом образуют уплотнение, уменьшающее перетекание газа
через радиальный зазор во 2-й ступени. Рабочие лопатки ротора ТВД отлиты
из жаропрочного сплава на никелевой основе с направленной кристаллизацией
ЖС26-ВСНК . В 1-й ступени 73 рабочие лопатки, а во 2-й -80.
Вал ротора ТВД полый, выполнен из стали ЭП517-Ш. В средней части вала
(см.рис. 5.1) на его цапфе расположены двойной лабиринт 19, лабиринт 20,
64
регулировочное кольцо 21, внутреннее кольцо роликового подшипника. Все
его детали стянуты на валу гайкой 23, законтренной пластинчатым замком.
Передняя часть вала имеет наружные эвольвентные шлицы,
предназначенные для передачи крутящего момента с ротора ТВД на ротор
КВД, внутри вала имеется резьба, с помощью которой эти роторы стягиваются
и обеспечивается передача осевых усилий.
5.1.3. Опоры ротора ТВД
Диски на валу ротора ТВД расположены консольно, т.е. обе опоры
находятся впереди них. Передней опорой ротора ТВД служит шариковый
подшипник ротора КВД, соединенного с ротором ТВД через шлицевой
переходный вал. Он воспринимает как радиальные, так и осевые усилия от
обоих роторов. Задней и основной опорой ротора ТВД является роликовый
подшипник 22 (см.рис.5.1).
Роликовый подшипник 1 задней опоры ротора ТВД (рис.5.3)
воспринимает только радиальные усилия и через конструкцию опоры передает
их на внутренний кожух камеры сгорания. Опора упруго-демпферная с
упругим элементом "беличье колесо". Назначение и принцип действия упругодемпферной опоры описаны в п.2.3.
Корпус опоры 2 имеет три фланца - передний, задний и внутренний.
Передним фланцем опора совместно с кожухом 3, эксцентриковым кольцом 4
и опорой СА 1-й ступени 5 крепится винтами к фланцу внутреннего кожуха
КС. При сборке двигателя поворотом эксцентрикового кольца регулируют
соосность опор роторов ТВД и КВД.
К заднему фланцу корпуса опоры 2 крепятся фланцы лабиринтов 6,
образующих вместе с гребешками лабиринтов полости охлаждающего
воздуха. Фланцы лабиринтов имеют соты на цилиндрической поверхности для
повышения эффективности уплотнения. Вторым задним фланцем корпус
опоры 2 (см.рис.5.3) вместе с фасонными фланцами 7 и 8 крепится винтами к
кожуху вала. Между фасонными фланцами 7 и 8 имеется пространство, по
которому из полости кожуха вала проходит охлаждающий воздух,
теплоизолируя полость опоры и подшипник и проходя далее в систему
охлаждения турбины. Уплотнение воздушных полостей осуществляется с
помощью упругих колец 14, установленных в канавках стакана 9, и лабиринта
10. Они же служат для уплотнения масляной полости опоры.
В расточку средней части корпуса опоры 2 устанавливается наружная
рессора 12 и крепится к ней своим фланцем. Внутренняя рессора 11 и
наружная рессора 12 соединяются своими фланцами при помощи винтов. В
расточке внутренней рессоры установлено наружное кольцо роликового
подшипника, которое вместе с фланцем стакана 9 зажато гайкой 15.
65
66
Масло для смазки подшипника подводится по внешнему трубопроводу к
жиклерам 13 и впрыскивается на беговую дорожку подшипника. По
сверлениям в корпусе опоры и наружной рессоре масло поступает в
демпферную полость (зазор между наружной 12 и внутренней 11 рессорами
ограничен маслоуплотнительными кольцами). Отработанное масло сливается
в полость кожуха вала.
5.2. Турбина низкого давления
В турбину низкого давления входят сопловые аппараты 3 - 6-й ступеней,
ротор и опора роликового подшипника.
5.2.1.Сопловые аппараты турбины низкого давления
Конструкция соплового аппарата 3 - 5-й ступеней (рис. 5.4) аналогична
описанной выше конструкции СА 2-й ступени ТВД (см.рис.5.1). Число
лопаток 3-й ступени - 67, а 4-6-й - по 79.
Несколько отличается своей конструкцией СА 6-й ступени 4, который не
имеет разрезного кольца. Его роль выполняет задняя часть наружного кольца
8. Температура газа здесь уже значительно ниже и нет необходимости
усложнять конструкцию.
Сопловые лопатки ТНД неохлаждаемые, изготовлены из жаропрочного
сплава ЖС6У методом точного литья по выплавленным моделям. Наружные и
разрезные кольца выполнены из жаропрочного сплава ЭИ437БУ-ВД. Осевые и
окружные усилия, действующие на сопловой аппарат ТНД, передаются через
фланцы наружных колец на задний фланец СА 2-й ступени ТВД и далее на
корпус КС.
5.2.2. Ротор турбины низкого давления
Ротор турбины низкого давления (рис.5.5) состоит из вала 1, диска 3-й
ступени 2 с дефлектором 3 и рабочими лопатками, дисков четвертой 4, пятой 5
и шестой 6 ступеней с рабочими лопатками, роликового подшипника, деталей
лабиринтного уплотнения и крепления. Диски изготовлены из жаропрочного
сплава ЭИ698ВД, они значительно тоньше и легче, чем в турбине высокого
давления так как нагружены меньшими центробежными силами (ниже частота
вращения) и имеют более низкую температуру.
Спереди к диску 3-й ступени крепится дефлектор и фиксирующее
кольцо 11, удерживающее рабочие лопатки, а сзади - лабиринтное кольцо
(см.рис. 5.4), Все эти детали стянуты болтами. Кроме того, дефлектор крепится
болтами к лабиринту 7, расположенному на валу 1 (см.рис, 5.5).
67
68
69
К дискам 4-й и 5-й ступеней спереди и сзади, а к диску 6-й ступени только
спереди крепятся лабиринтные кольца, своими свободными торцами они
плотно стыкуются между собой. К диску 6-й ступени сзади крепится фиксирующее кольцо 12 (см.рис.5.4). Диски 3-й и 4-й ступеней 2 и 4 (см.рис.5.5)
насаживаются своими фланцами на призонные штифты, запрессованные во
фланцы вала 1. Фланцы дисков притягиваются к фланцу вала гайками 8 и 9.
Диски 5-й и 6-й ступеней крепятся аналогичным образом, но на переходный
вал 12, который соединяется эвольвентными шлицами с основным валом 1
ротора ТНД. В осевом направлении переходный вал удерживается гайкой 15
(см.рис. 5.4), крепящей все детали, расположенные на заднем конце вала.
Стяжные гайки 8, 9 и 10 сжаты своими торцами, а гайка 11 контрится
шлицевым замком 13. Таким образом обеспечивается возможность собирать
отдельно весь узел 5-й и 6-й ступеней вместе с СА 6-й ступени.
Крутящий момент передается на вал с дисков 3-й и 4-й ступеней
штифтами, а с дисков 5-й и 6-й ступеней - штифтами на переходной вал, а с
него через шлицы на вал ротора ТНД. Осевое усилие с рабочих лопаток
передается на диски и далее либо через фланцы вала, либо через резьбу
стяжных гаек на вал ТНД. Во фланцах вала, кроме отверстий под штифты,
имеются отверстия для прохода охлаждающего воздуха. Вал и лабиринты
изготовлены из стали ЭП-517Ш.
Рабочие лопатки ТНД неохлаждаемые, с бандажными полками, отлиты
из жаропрочного сплава на никелевой основе ЖС6У-ВИ. Для уменьшения
перетекания газа через радиальный зазор бандажные полки с внешней стороны
имеют гребешки, которые совместно с разрезными кольцами СА образуют
лабиринтное уплотнение. Число рабочих лопаток 3-й ступени - 91, 4 - 6-й - по
101. Лопатки крепятся к дискам пятизубым замком "елочного" типа. От
перемещения в осевом направлении лопатки фиксируются лабиринтными и
фиксирующими кольцами 11 и 12.
Динамическая балансировка ротора осуществляется за счет крепления
дополнительных грузиков на дисках 3-й и 6-й ступеней.
В соответствии с требованиями Норм летной годности самолетов (НЛГС)
двигатель имеет систему защиты от раскрутки ротора низкого давления.
Раскрутка, т.е. существенное повышение частоты вращения ротора по
сравнению с рабочими режимами, может произойти при нарушении
кинематической связи роторов ТНД и КНД, например вследствие разрушения
вала. При раскрутке ротора может произойти разрушение дисков с последующим пробоем осколками корпуса двигателя (нелокализованное
разрушение). Система защиты от раскрутки ротора предотвращает такую
аварийную ситуацию следующим образом. Частота вращения измеряется
датчиком, расположенным возле индуктора в узле задней опоры; если частота
вращения превышает значение, соответствующее максимальному режиму на
1000 об/мин, система топливопитания автоматически в течение 0,2 секунды
отсекает подачу топлива. Ротор при этом под действием газодинамических сил
смещается назад, и его вращение прекращается благодаря тому, что лопатки
ротора попадают в промежутки между лопатками статора.
70
71
5.2.3. Опоры ротора турбины низкого давления
Ротор ТНД двухопорный: передней его опорой является роликовый
подшипник задней опоры вентилятора, а задней - роликовый подшипник,
расположенный за турбиной низкого давления (см. рис. 1.1). Обе опоры
воспринимают только радиальные усилия, осевые усилия передаются на вал
вентилятора. Вал вентилятора зафиксирован относительно статора шариковым
подшипником передней опоры. Таким образом, этот подшипник в осевом
направлении нагружен разностью осевых усилий, действующих на роторы
ТНД и вентилятора с подпорными ступенями. Соединение роторов и
уравновешивание осевых сил описано в п.2.1.
Задней опорой ротора ТНД служит роликовый подшипник 1 (рис. 5.6).
На заднем торце вала расположены лабиринт, регулировочное кольцо 12,
внутреннее кольцо роликового подшипника и стягивающий все эти детали
индуктор. Индуктор законтрен пластинчатым замком 10. Регулировочное
кольцо 12 определяет взаимное расположение наружного и внутреннего колец
подшипника в осевом направлении. При сборке задается некоторое смещение
этих колец ("свисание"), с учетом разного теплового расширения ротора и
статора ТНД.
Задняя опора ротора ТНД упруго-демпферная, в ее конструкцию
(см.рис.5.6) входят опора роликового подшипника 2, внутренняя рессора,
крышка 5, труба суфлирования, трубы подвода и откачки масла. Наружное
кольцо роликового подшипника установлено во внутренней рессоре и
затянуто гайкой 11 с пластинчатым замком. Внутренняя рессора монтируется с
небольшим зазором в опоре и соединена с ней своим фланцем. С помощью
маслоуплотнительных колец между ними образована демпферная полость.
Обойма и опора имеют односторонние упругие элементы типа "беличье
колесо". Эксцентриковое регулировочное кольцо 4 используется при сборке
для обеспечения соосности роликового подшипника ТНД с ротором ТВД;
соосности добиваются поворотом кольца вокруг оси двигателя.
К фланцам крышки 5 крепятся вверху труба суфлирования и труба
подвода масла, а внизу труба откачки масла из полости опоры (на рис. 5.6 не
показаны). Фланцы лабиринтов 3 и 7 вместе с гребешками лабиринтов
образуют уплотнения масляной полости опоры. Масло для смазки роликового
подшипника подводится через жиклеры и впрыскивается на беговую дорожку.
По сверлению в корпусе опоры оно поступает в демпферную полость.
Узел задней опоры входит в силовую схему двигателя и включает узлы
задней подвески двигателя, одновременно он образует воздушный и газовый
тракты на участке от турбины до камеры смешения (см. рис.1.1).
72
73
5.3. Охлаждение турбины
Система охлаждения турбины двигателя ПС-90А значительно сложнее,
чем у двигателей ДЗО и ДЗОКУ. Это объясняется более высокими
параметрами рабочего процесса - степенью повышения давления компрессора
и температурой газа перед турбиной, достигающей на взлетном режиме 1560К.
Система охлаждения турбины покачана на рис.5.7.
С точки зрения экономичности охлаждающий воздух должен иметь как
можно более низкое давление, но достаточное для преодоления
гидравлических сопротивлений на пути между входом и выходом;
температура охлаждающего воздуха также должна быть как можно более
низкой. Эти предварительные замечания помогут понять описываемую ниже
схему охлаждения ТВД и ТГД.
Для охлаждения сопловых лопаток 1-й ступени турбины высокого
давления используется воздух из-за КВД, т.е. с наиболее высоким давлением
(полость Б). Это необходимо потому, что в этом месте проточной части ТВД
давление газа еще высокое. Температура охлаждающего воздуха из-за КВД
составляет 570˚С , т.е. на 720˚С ниже, чем температура газа на входе в
турбину. Для охлаждения лопаток СА 2-й ступени оказалось возможным
использовать воздух более низкого давления и температуры, отбираемый из-за
7-й ступени КВД и подаваемый по трубопроводу в полость В. Здесь давление
газа в проточной части уже значительно снизилось по сравнению с сопловым
аппаратом 1-й ступени. Температура охлаждающего воздуха из-за 7-й ступени
КВД составляет около 350˚С {на 220˚С ниже, чем после КВД) поэтому его
использование для охлаждения более эффективно.
Для обеспечения эффективного охлаждения лопаток СА 1-й ступени в
их внутренние полости вставлены по два дефлектора: передний и задний.
Между внутренней поверхностью лопатки и дефлектором образуется щелевое
пространство. Охлаждающий воздух поступает в полость В, расположенную
между корпусом КС и наружным кольцом газосборника. Далее, через
отверстия в наружном кольце газосборника он попадает во внутренние
полости переднегоо и заднего дефлекторов лопаток СА и, вытекая через щелевые отверстия в их кромках, попадает в пространство между дефлекторами и
внутренней поверхностью лопаток. Во входной кромке лопаток выполнены
несколько рядов отверстий малого диаметра. Вытекая через эти отверстия,
охлаждающий воздух создает пленочное охлаждение наружной поверхности
передней части сопловых лопаток. Воздух, вытекающий через отверстия в
заднем дефлекторе, охлаждает внутреннюю поверхность задней полости
лопатки и, далее вытекая через щель на корыте лопатки у выходной ее кромки,
охлаждает ее. В этой щели образованы иитенсификаторы теплообмена
штырькового типа (цилиндрические штырьки образуются при литье).
Температура лопаток СА черной ступени достигает 1100°С (на 200°С ниже
температуры газа).
74
75
Лопатки соплового аппарата 2-й ступени также выполнены полыми с
дефлектором внутри. Воздух на их охлаждение из полости В (см.рис.5.7)
поступает внутрь дефлекторов, омывает внутреннюю поверхность лопаток и
через щель в выходной кромке вытекает в проточную часть. Температура
лопаток СА 2-й ступени достигает 1000"С.
Воздух высокого давления для охлаждения диска и рабочих лопаток 1-й
ступени ГИД отбирается из-за КВД и по трубопроводам попадает в полость А
(см.рис. 5.7). Из полости А воздух попадает в полость Г, проходит между
стенками дефлектора и диска и далее поступает в рабочие лопатки 1-й
ступени. По трем каналам в хвостовике лопатки воздух поступает в ее
внутреннюю полость, охлаждает ее и через два ряда отверстий во входной
кромке и щель в выходной кромке выходит в проточную часть. Температура
рабочих лопаток 1-й ступени достигает 1100°С (средняя температура 970°С).
Температура диска 1-й ступени составляет 720°С на ободе и 520°С в ступице.
Для охлаждения рабочих лопаток и диска 2-й ступени воздух отбирается
из-за 7-й ступени КВД и по трубопроводам, через отверстия в опоре, кожухе и
фланце лабиринта поступает в полость Д (см.рис. 5.7). Из полости Д через
отверстия в лабиринте, омывая ступицу диска 1-й ступени, через отверстия во
фланце диска, воздух поступает в полость Е и охлаждает заднюю стенку
диска. Из полости Е через отверстия в промежуточных дисках воздух
поступает в полость К и через отверстия в заднем промежуточном диске часть
воздуха поступает к рабочим лопаткам 2-й ступени. Другая часть воздуха
омывает и охлаждает переднюю сторону и ступицу диска 2-й ступени,
поступает в полость Л и охлаждает заднюю сторону диска и дефлектор. Из
полости Л воздух также поступает к лопаткам. По трем каналам в хвостовике
воздух поступает во внутреннюю полость лопатки, в которой имеются
интенсификаторы штырькового типа (аналогично лопаткам 1-й ступени).
Охладивший лопатку воздух выбрасывается в радиальный зазор, создавая
дополнительное уплотнение против перетекания газа через этот зазор.
Температура рабочих лопаток 2-й ступени в среднем составляет 860°С
(средняя температура 970°С). Температура диска 2-й ступени составляет
700°С на ободе и 500°С в ступице.
Для предотвращения попадания газа в межвальное пространство часть
воздуха из полости К через отверстия в гайке и лабиринте поступает в полость
Л, где давление больше, чем в полости М за третьим сопловым аппаратом. Из
полости Л через отверстия в межвальном лабиринте и в валу ТНД воздух
выходит но трубке в реактивное сопло. Температура валов - до 300"С.
Опора ротора ТВД наддуваетея воздухом из-за подпорных ступеней,
который подается по трубам через стойки в камере сгорания в полость А
(см.рис.5.3). Часть его наддувает лабиринт масляной полости и поступает
через кожух вала на суфлирование, часть идет на охлаждение межвального
пространства через отверстие в валу ТВД и сбрасывается через отверстие в
валу ТНД на срез сопла.
Часть воздуха, прорвавшегося из полости Д через лабиринтное
уплотнение, попадает в полость Ж и сбрасывается через отверстия в опоре
роликового подшипника и перепускные трубы КС в наружный контур.
76
Наружное "душевое" охлаждение и управление радиальными зазорами
рассмотрены ниже.
Детали ротора ТНД охлаждаются воздухом из-за подпорных ступеней,
который подается по двум трубопроводам к стойкам задней опоры. Через
стойки задней опоры, трубопроводы задней опоры, отверстия к корпусе задней
опоры и фланце лабиринта воздух поступает в полость О. Часть воздука из
этой полости через лабиринтное уплотнение идет на охлаждение задней
стороны диска 6-й ступени. Большая же часть воздуха из этой полости по
каналу, образованному трубой и валом, попадает в полость Н между
дефлектором и диском 3-й ступени, охлаждая переднюю сторону диска.
Поверхность остальных дисков охлаждается воздухом, который перетекает из
одной междисковой полости в другую: из полости Н в полость П и далее из П
в Р. Из полости Р воздух через отверстия во фланце диска 6-й ступени
вытекает в газовый тракт турбины.
Наружные кольца сопловых аппаратов 3 - 5-й ступеней, также как 1-й и
2-й ступеней ТВД, имеют "душевое" охлаждение воздухом, отбираемым из-за
подпорных ступеней и поступающим через 14 коллекторов системы активного
управления радиальными зазорами. Наружное кольцо СА 6-й ступени
охлаждается воздухом наружного контура.
Сопловые и рабочие лопатки ТНД неохлаждаемые. Их температура
примерно такая же, как температура газа в соответствующем месте проточной
части (см.рис. 1.2). Температура диска 3-й ступени 320-450°С, а диска 6-й
ступени 280-380°С.
5.4. Система активного управления радиальными зазорами в
компрессоре и турбине
От величины радиальных зазоров между торцами рабочих лопаток и
корпусами компрессора и турбины зависят потери, связанные с перетеканием
газа (воздуха) из области более высокого давления в область более низкого
давления, а следовательно, и величина КПД узла и, в конечном счете,
удельный расход топлива. На различных режимах работы двигателя
радиальные зазоры изменяются, особенно в наиболее нагретых частях
турбокомпрессора - последних ступенях КВД и в турбине. В основном эти
изменения связаны с различным тепловым расширением деталей ротора и
статора вследствие разницы в температуре их нагрева и коэффициенте
линейного расширения. Для поддержания этих зазоров близкими к
минимальным и нужна система их регулирования.
Следует заметить, изменение радиальных зазоров может происходить
также вследствие неодинакового теплового расширения ротора и статора в
осевом направлении; так изменяются радиальные зазоры в турбине, имеющей
коническую форму проточной части.
На двигателе ПС-90А предусмотрено активное управление радиальными
зазорами в 9-13-й ступенях КВД, а также ТВД и ТНД.
77
Активное управление радиальными зазорами предполагает обдув
корпуса узла воздухом более низкой температуры. При этом изменяется
диаметр корпуса, а так как диаметр ротора с лопатками определяется в
основном температурой деталей ротора, то изменяется радиальный зазор
между торцами рабочих лопаток и корпусом. Для охлаждения корпусов
используется воздух из-за подпорных ступеней. Управление осуществляется с
помощью заслонок, которые имеют два положения: открытое и закрытое,
В КВД охлаждающий воздух через трубопровод подается в корпус
обдува 6 (см. рис. 2.5) и через несколько рядов отверстий в его внутреннем
кожухе направляется на задний корпус КВД, а затем выводится через
специальные отверстия возле фланцев корпуса обдува в наружный контур. В
турбине охлаждающий воздух через трубопроводы (см. рис. 5.1 и 5.4) подается
в коллекторы, охватывающие наружные кольца корпусов 1- 5-й ступеней, и
через несколько рядов радиальных отверстий в коллекторах поступает на
кольца (преимущественно на их наиболее жесткие участки - фланцы), а затем
отводится в наружный контур.
В системе управления радиальными зазорами компрессора и турбины
задействованы
электронный
регулятор
двигателя,
насос-регулятор,
гидроцилиндры управления с заслонками отбора воздуха. При пуске и при
работе двигателя на режимах до 0,7 номинального отбор воздуха на обдув не
производится (заслонки закрыты). При дальнейшем увеличении частоты
вращения ротора двигателя насос-регулятор по командным сигналам от
электронного регулятора, формируемым в соответствии с заданной
программой, подает управляющее давление топлива в гидроцилиндры
управления заслонками, заслонки открываются. Для контроля положения
заслонок отбора воздуха в штоковые полости гидроцилиндров управления
заслонками устанавливаются сигнализаторы давления, которые выдают сигнал
в бортовую систему контроля двигателя о перекладке заслонок.
Контрольные вопросы
1 .Найдите на чертеже основные элементы конструкции роторов ТВД и ТНД.
2. Найдите на чертеже основные элементы конструкции статора ТВД и ТНД.
3.Способ соединения дисков ТВД с валом (обеспечение центрирования и
передачи крутящего момента).
4. Способ соединения дисков ТНД с валом (обеспечение центрирования и
передачи крутящего момента).
5. Как уравновешиваются осевые усилия в турбине высокого давления? 6.Как
уравновешиваются осевые усилия в турбине низкого давления? 7. Способ
крепления и осевой фиксации рабочих лопаток ТВД и ТНД, З.Для чего
предназначены промежуточные диски ротора ТВД?
9. Как уплотняется проточная часть между отдельными ступенями турбины?
78
10.Найдите на чертежах опоры роторов ТВД и ТНД. Какие усилия они
воспринимают?
11.Через какие детали передаются и какими деталями воспринимаются осевые
усилия, действующие на рабочие лопатки ТВД и ТНД?
12. Способы балансировки роторов ТВД и ТНД.
13.Каким образом уплотняются масляные полости в опорах роторов ТВД и
ТНД?
14.Найдите на чертежах, поясните назначение, конструкцию и принцип
работы упруго-демпферных опор в турбине.
15.К какому типу относятся роторы ТВД и ТНД?
16.Какие элементы конструкции образуют силовую схему корпуса турбины?
17. Способы соединения и центрирования деталей статора ТВД и ТНД.
18. Крепление сопловых лопаток ТВД и ТНД.
19.Как обеспечивается свобода температурных деформаций сопловых
аппаратов?
20.Какие усилия действуют на сопловые аппараты и какими элементами
конструкции они воспринимаются?
21 .Как обеспечивается свобода теплового расширения рабочих колец?
22.Как регулируется осевой зазор между ротором и статором в ТВД и ТНД?
23 Как охлаждаются лопатки сопловых аппаратов ТВД? Откуда поступает
охлаждающий воздух? Почему?
24.Как охлаждаются диски и рабочие лопатки ТВД?
25.Схема охлаждения деталей ротора и статора ТНД.
26.Способы регулирования соосности опор роторов.
27.Порядок сборки и разборки узла турбины.
28.Какие материалы применяются для изготовления рабочих и сопловых
лопаток турбины? Чем обусловлен такой выбор?
29.Из каких материалов изготавливают диски, дефлекторы, валы турбины?
ЗО. Для чего предназначена система активного управления радиальными
зазорами в КВД и турбине?
31. Покажите на чертеже основные элементы системы управления
радиальными зазорами. Поясните их взаимодействие.
32.На каких режимах производится обдув корпусов КВД и турбины?
33.Для чего предназначена и как работает система защиты от раскрутки ротора
низкого давления?
79
6. РЕВЕРСИВНОЕ УСТРОЙСТВО
Реверсивное устройство (РУ) служит для создания обратной тяги
двигателя с целью улучшения посадочных характеристик транспортных
самолетов (уменьшения длины пробега до остановки при посадке). На
двигателе ПС-90А обратная тяга создается путем направления воздуха
наружного контура вперед (в направлении полета самолета), Реверсивное
устройство решетчатого типа расположено в наружном контуре двигателя
(см.рис. 1.1). На режиме прямой тяги створки убраны заподлицо с
поверхностью наружного контура и перекрывают решетки. На режиме
обратной тяги створки повернуты так, что перекрывают канал наружного
контура и при этом открывается выход воздуха наружу через направляющие
решетки, расположенные по окружности.
Такая схема имеет ряд преимуществ по сравнению с реверсивным
устройством "решетчатого" типа, расположенным между камерой смешения и
реактивным соплом (применявшимся, например, на двигателе Д-30) и РУ
"ковшевого" типа, расположенным на режиме обратной тяги за реактивным
соплом-(такая схема применялась на двигателе Д-ЗОКУ).
Важнейшее преимущество такой схемы в том, что элементы
конструкции РУ и его систем не подвержены воздействию горячих газов; они
обдуваются воздухом наружного контура сравнительно низкой температуры,
это особенно важно для улучшения условий работы шарнирных соединений.
Другое преимущество схемы в том, что переход с режима прямой тяги
на обратную и наоборот значительно меньше влияет на режим работы
двигателя, так как намного меньше изменяется давление за турбиной и,
соответственно, перепад давлений на турбине. Облегчается решение проблемы
прочности элементов конструкции, уменьшается их масса благодаря тому, что
на режиме обратной тяги перепад давления на створках РУ значительно
меньше, чем в случае расположения РУ за турбиной или соплом.
Кроме того, при расположении РУ в наружном контуре не увеличивается
ни длина, ни диаметр двигателя, как это имеет место в упомянутых выше
двигателях.
Следует, однако, заметить, что описанная схема РУ могла быть
применена лишь благодаря большой степени двухконтурности двигателя и,
соответственно, большому расходу воздуха через наружный контур. При этом
обеспечивается потребная величина обратной тяги. Коэффициент
реверсирования составляет 0,27.
Реверсивное устройство представляет собой отдельный модуль двигателя
(см.рис. 1.3). В его конструкцию входят неподвижная и подвижная части РУ,
механическая система управления и блокировки, гидросистема, электрическая
система сигнализации работы РУ. Элементы неподвижной и подвижной
частей образуют силовой каркас, воспринимающий усилия, действующие на
режиме обратной тяги. В конструкцию РУ входят также элементы (панели)
шумоглушения. Реверсивное устройство крепится своим передним фланцем к
заднему фланцу кожуха наружного контура (см.рис. 1.1). К задней части РУ,
образованный кожухом наружной подвески двигателя, крепится реактивное
сопло.
80
6.1. Неподвижная часть реверсивного устройства
Основными элементами конструкции неподвижной части РУ являются
(рис.6.1) силовое кольцо 12, силовой корпус 21, диафрагма 17, наружный
кожух задней подвески 22, шесть решеток 3, силовая панель (на рис.6.1 не
показана, она расположена между решетками), а также двенадцать
направляющих (рис.6.3), корпусы замков, кронштейны крепления механизма
управления и блокировки. Силовое кольцо 12 (см.рис.6.1), силовой корпус 21
и наружный кожух задней подвески 22, соединенные между собой решетками
3. направляющими и диафрагмой 17, образуют неподвижный силовой корпус
РУ. Через отверстие в диафрагме 17 проходит тяга системы подвески
двигателя.
В конструкцию неподвижной части РУ входит также противопожарная
перегородка 2, предотвращающая попадание реверсивной струи в
межгондольное пространство. Наружная поверхность перегородки является
продолжением мотогондолы самолета.
На силовом кольце 12 и наружном кожухе задней подвески 22
расположены трубчатые резиновые уплотнения, которые в положении прямой
тяги предотвращают перетекание воздуха из наружного контура в атмосферу.
Температура воздуха в наружном контуре в пределах 100°С. Это позволяет
использовать в конструкции РУ композиционные материалы. Силовой корпус
21 и наружный кожух задней подвески 22 изготовлены из стеклопластика,
диафрагма 17 - из углепластика. Силовое кольцо 12, решетки 3 и
направляющие изготавливаются из титанового сплава ОТ-4.
6.2. Подвижная часть реверсивного устройства
Основными элементами подвижной части РУ являются (см.рис.6.1):
корпус створок 13, кольцо 23, восемнадцать больших и столько же малых
створок 7 и 6, семнадцать проставок, тяги 4 с качалками 5, подвижный
наружный обтекатель 8 и нижний обтекатель 27 (рис.6.2). Корпус створок
вместе с кольцом образует подвижный корпус РУ.
К силовому кольцу 12 с помощью кронштейнов шарнирно крепятся звенья
створок и проставок. Каждое звено створок состоит из большой 7 и малой 6
створок, соединенных между собой шарнирно. На каждые две соседние
створки с внутренней стороны опираются проставки, которые на режиме
обратной тяги с помощью коромысел (на рис.6.1 не показаны) прижимаются к
створкам и закрывают неприкрытый створками просвет в проточной части
наружного контура (см.рис.6.3). Каждое звено проставок подобно створкам
состоит из большой и малой проставок, соединенных шарнирно.
81
82
83
84
С каждой большой створкой 7 шарнирно соединена качалка 5 с тягой 4.
Другой конец тяги крепится с помощью кронштейна к силовому кольцу 12
неподвижного корпуса РУ.
Подвижный корпус при помощи кареток опирается на направляющие
неподвижной части (см.рис.6.3). Каретки крепятся снаружи к переднему
фланцу корпуса створок и к кольцу, соединенному с задним его фланцем. При
переходе из положения прямой тяги на обратную и наоборот каретки скользят
по направляющим, перемещая весь подвижный корпус. К кольцу крепятся
кронштейны 31 (см.рис.6.2), к которым присоединяются штоки силовых
гидроцилиндров 23.
Вся подвижная часть РУ закрыта подвижным наружным обтекателем 8
(см.рис.6.1) и нижним обтекателем 27 (см.рис.6.2), которые являются
продолжением мотогондолы двигателя и в положении прямой тяги
перекрывают снаружи направляющие решетки 3, образуя плавную, хорошо
обтекаемую поверхность РУ.
Подвижный наружный обтекатель и нижний обтекатель представляют
собой двухслойную сотовую конструкцию из стеклопластика. Корпус створок
- углепластиковая однослойная обечайка. Створки и проставки отливаются из
сплава ВЖЛ-23, тяги и качалки изготавливаются из титанового сплава ОТ-4.
Элементы конструкции РУ испытывают наибольшие нагрузки на
режиме обратной тяги. Именно в этом положении они рассчитываются на
прочность. Наиболее нагруженными являются большие створки, качалки, тяги,
корпус створок, направляющие решетки и неподвижный силовой корпус,
наружный корпус задней подвески двигателя. Последние два элемента входят
в силовой корпус двигателя.
6.3. Механизмы и системы управления реверсивным
устройством
Система управления РУ обеспечивает перекладку РУ в положение
обратной тяги и возвращение в положение прямой тяги, блокирует
самопроизвольную перекладку РУ, переводит двигатель на режим малого газа
на период перекладки РУ, выдает информацию о положении РУ в виде
электрического сигнала для бортового компьютера и системы контроля
параметров двигателя.
Управление реверсивным устройством осуществляется с помощью
гидросистемы РУ. Она входит составной частью в гидросистему самолета. Это
означает, что магистрали высокого и низкого давления этих систем
объединены и циркулирует в них одна и та же рабочая жидкость - специальная
жидкость НГЖ-5 на основе кремнийорганических соединений. Она токсична,
однако в отличие от масел и воды имеет рабочий диапазон температур от 60°С до +200°С и не горит даже в присутствии открытого пламени.
Гидросистема обеспечивает перевод РУ в положение прямой и обратной
тяги. Управление осуществляется рычагом управления реверсом (РУР) из
кабины экипажа.
85
Основными элементами гидросистемы являются (рис.6.4) силовые
гидроцилиндры, штоки которых связаны с подвижным корпусом РУ;
гидроцилиндр замка, кран управления РУ (КР-90), кран подачи давления на
РУ (КЭ-72), кран перепускной (КП), кран системы поддавливания (КЭ-74),
гидроаккумулятор, предназначенный для поддержания давления в
гидросистеме при изменении объема жидкости в гидроцилиндрах, фильтры и
трубопроводы.
Механизмы управления и блокировки представляют собой систему, в
которой с помощью рычагов и тяг осуществляется связь крана управления
реверсом (КР) гидросистемы РУ с рычагом управления реверсом (РУР),
сблокированным с рычагом управления двигателем (РУД), находящимся в
кабине экипажа, а также рычагом дроссельного крана топливного насосарегулятора (НР). Система включает также блокирующее устройство.
Механизм управления обеспечивает переключение КР, а механизм блокировки
решает следующие задачи:
- предотвращает возможность переключения РУ, минуя площадку "малого
газа" на насосе-регуляторе НР;
- снижает режим работы двигателя до
"малого газа"
в случае
самопроизвольного перехода РУ из заданного системой управления
положения;
- блокирует двигатель на режиме "малого газа" в случае неполного перехода
РУ в положение прямой или обратной тяги.
Процесс перекладки РУ осуществляется только на режиме малого газа.
Это связано с тем, что нагрузки, действующие на элементы конструкции РУ и
двигателя в целом в момент перехода с режима прямой тяги на обратную и
наоборот, на режиме малого газа минимальны. Кроме того, на режиме малого
газа перекладка РУ оказывает наименьшее влияние на работу
турбокомпрессора двигателя. Система управления обеспечивает автоматический перевод режима работы двигателя на малый газ на период
перекладки РУ.
В положении прямой тяги подвижная часть РУ удерживаются силовыми
гидроцилиндрами, в которых системой поддавливания поддерживается
необходимое давлений. Очень важно с точки зрения надежности удержать
подвижный корпус от самопроизвольного перемещения и перекладки РУ
(например, в случае падения давления в гидросистеме). Эту задачу решает
замок РУ, управление которым осуществляется с помощью специального
гидроцилиндра.
Электрическая система сигнализации положения элементов РУ включает в
себя сигнализаторы положения створок (их также называют сигнализаторами
об ратной тяги), сигнализаторы замков, сигнализатор давления жидкости в
гидросистеме. Сигналы с них подаются в бортовую систему контроля
двигателя (БСКД).
86
87
6.4.Работа реверсивного устройства
На режиме прямой тяги створки и проставки образуют внешнюю
поверхность проточной части канала наружного контура (см.рис. 1.1). Решетки
закрыты со стороны наружного контура корпусом створок, а с внешней
стороны - подвижным наружным обтекателем РУ. Подвижный корпус с
помощью переднего и заднего резиновых уплотнений трубчатого сечения
(см.рис.6.3) герметизирует канал наружного контура. В этом положении упор
замка препятствует самопроизвольному перемещению подвижного корпуса и
перекладке РУ.
Перевод РУ в положение обратной тяги осуществляется переключением
КР. Рабочая жидкость под давлением подается в гидроцилиндр замка и после
его открытия поступает одновременно в поршневую и штоковую полости
силовых гидроцилиндров. Штоки гидроцилиндров выдвигаются и
перемещают по направляющим подвижный корпус с каретками и связанный с
ними наружный подвижный обтекатель. По мере перемещения подвижного
корпуса РУ открываются решетки, а створки с проставками, поворачиваясь с
помощью тяг и качалок на шарнирах крепления их к фланцу неподвижного
силового корпуса, перекрывают канал наружного контура двигателя и
направляют поток воздуха из наружного контура в отклоняющие решетки, где
он
дополнительно
разворачивается
в
требуемом
направлении,
обеспечивающем создание необходимой обратной тяги (см.рис. 6.1). При этом
реверсивный поток воздуха не должен попадать на вход двигателя, как не
должны попадать вместе с ним посторонние предметы с взлетно-посадочной
полосы. Замок в этом положении устанавливается на механические
подпружиненные защелки. Срабатывает система сигнализации.
При переводе РУ в положение прямой тяги рабочая жидкость под
давлением поступает в штоковые полости гидроцилиндров замков. Штоки
силовых гидроцилиндров втягиваются и перемещают по направляющим
подвижный корпус с каретками и связанный с ними наружный подвижный
обтекатель. Решетки закрываются, створки и проставки устанавливаются в
положение прямой тяги, замок ставится в закрытое положение.
Контрольные вопросы
1.Найдите на чертежах подвижные и неподвижные элементы РУ.
2.Какие элементы образуют силовую схему РУ?
3.Поясните кинематическую схему РУ, Изобразите ее в положении прямой
обратной тяги и ° одном из промежуточных положений.
4.Каким образом уплотняется прогонная часть наружного контура
положениях прямой и обратной тяги?
5.В чем преимущества и недостатки принятой схемы РУ по сравнению
"ковшевым" и "решетчатым" реверсивными устройствами?
6.Какие нагрузки действуют на створки РУ в положении обратной тяги
какими элементами конструкции они воспринимаются?
88
и
в
с
и
7.Как обеспечивается синхронность движения створок?
8.Как обеспечивается фиксация РУ в положении прямой и обратной тяги?
9.Как и для чего блокируется выход двигателя с режима малого газа на
повышенные режимы при перекладке РУ?
10.Из каких материалов изготавливаются створки, решетки, кожухи и силовые
элементы РУ?
11.Какие функции выполняет гидросистема РУ? Из каких элементов она
состоит?
12.Какие функции выполняет механизм блокировки?
13.Какие функции выполняет электрическая система сигнализации?
14.Порядок работы систем при переводе РУ в положение обратной тяги.
89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Двигатель ПС-90А: Руководство по технической эксплуатации/ АО
"Авиадвигатель"; Пермь, 1987. 413 с.
2.Двигатель ПС-90А: Руководство по технической эксплуатации/ АО
"Авиадвигатель'; Пермь, 1992. 3200 с.
90
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ПРЕДИСЛОВИЕ................................................................................................ 2
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................... 3
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДВИГАТЕЛЕ...........................................................4
1.1. Конструктивные особенности двигателя...................................................4
1.2. Принцип работы и кинематическая схема двигателя...............................8
1.3. Краткие сведения об основных технических данных
двигателя............,.................................................................................................11
1.4. Эксплуатационная технологичность двигателя........................................12
1.5. Силовая схема и узлы крепления двигателя на самолете.........................14
Контрольные вопросы.........................................................................................16
2. КОМПРЕССОР.................................................................................................17
2.1. Вентилятор.....................................................................................................18
2.2. Подпорные ступени.......................................................................................21
2.3. Опоры ротора вентилятора и подпорных ступеней...................................23
2.4. Компрессор высокого давления...................................................................27
Контрольные вопросы.........................................................................................40
3. РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ КОРПУС И КОРОБКА ПРИВОДОВ.......................45
4. КАМЕРА СГОРАНИЯ..................................................................................... 51
4.1. Корпус камеры сгорания и диффузор.........................................................51
4.2. Жаровые трубы....................................................................,........................54
4.3. Газосборник...................................................................................................55
4.4. Внутренний кожух камеры сгорания и кожух вала..................................56
4.5. Топливная форсунка......................................................................................57
Контрольные вопросы.........................................................................................60
5.ТУРБИНА..........................................................................................................60
5.1.Турбина высокого давления..........................................................................61
5.2. Турбина низкого давления............................................................................68
5.3. Охлаждение турбины.....................................................................................74
5.4. Система активного регулирования радиальных зазоров
в компрессоре и турбине....................................................................................77
Контрольные вопросы.........................................................................................78
6.РЕВЕРСИВНОЕ УСТРОЙСТВО.....................................................................80
6.1. Неподвижная часть реверсивного устройства...........................................81
6.2. Подвижная часть реверсивного устройства................................................81
6.3. Механизмы и системы управления реверсивным
устройством..........................................................................................................85
6.4. Работа часть реверсивного устройства........................................................88
Контрольные вопросы.........................................................................................88
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................89
91
