книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы

Газотурбинные двигатели (ГТД) за шестьдесят лет своего развития стали основным типом дви­ гателей в современной авиации. На основе авиа­ ционных ГТД созданы двигатели для наземной

иморской техники: мобильных электростанций, га­ зокомпрессорных станций, наземных и мор­ ских транспортных средств. Газотурбинные дви­ гатели - классический пример сложнейшего ус­ тройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур

инагрузок. Вместе с тем, эти двигатели - образец высочайшей надежности, которая обеспечивает­ ся эффективными конструкторскими решения­ ми, сложными газодинамическими, тепловыми

ипрочностными расчетами. В этой связи изу­ чение газотурбинных двигателей, как одного из наиболее совершенных достижений инженерной мысли, выходит за рамки утилитарной задачи подготовки инженеров-двигателистов.

Настоящая серия книг, объединённых об­ щим названием «Газотурбинные двигатели», посвящена начальному этапу процесса их созда­ ния - проектированию и основной составляю­ щей этого процесса - разработке конструкции. Серия включает в себя три учебника для сту­ дентов вузов, обучающихся по специальнос­ ти «Авиационные двигатели и энергетические установки»: «Основы конструирования авиаци­ онных двигателей и энергетических установок», «Динамика и прочность авиационных двигателей

иэнергетических установок», «Автоматика и ре­ гулирование авиационных двигателей и энерге­ тических установок». Ставилась цель дать комп­ лекс знаний для самостоятельной творческой работы в области проектирования ГТД с учетом

того, что студенты изучили дисциплины общеин­ женерного цикла, знакомы с газовой динамикой и теорией авиационных двигателей.

Объем серии получился большим. Стремление наиболее полно и подробно изложить материал связано с тем, что книги предназначены не толь­ ко для изучения соответствующих дисциплин, но и для использования в курсовом и дипломном проектировании.

При изложении материала авторы в известной степени опираются на богатую практику одной из ведущих мировых школ авиационного двигателестроения - Пермского ОАО «Авиадвигатель». Многие из приведенных выполненных конструк­ ций - элементы двигателей, разработанных этим коллективом.

В подготовке издания принимали участие специалисты опытного конструкторского бюро ОАО «Авиадвигатель». Работа такого большого коллектива специалистов была бы невозможна без организационной поддержки Н.Л. Кокша­ рова. Общее оформление книг выполнено И.М .Соколовой с участием В.К.Ощепкова, Л.М. Кислухиной, О.Е.Пековой, Ю.А.Никулина, И.Ю. Вагановой. Особая благодарность Alexia Attali из Communication Division Snecma Moteurs, приславшей материалы по двигателю М88; Cynthia Durnal из Honeywell product informa­ tion за иллюстрации двигателей Honeywell и M argaret Fletcher Jet Engine A dm inistrator Rolls-Royce pic за любезное разреш ение использовать иллюстрации из книги Rolls-Royce pic «The Jet Engine», а также коллегам из ГУНПП «Завод им. В.Я.Климова» за иллюстрации двига­ телей ТВЗ-117 и 2500.

For sixty years of its development gas turbine engine (GTE) has become the main type of engines in modem aviation. On GTE basis engines for ground and marine equipment have been developed, for example for mobile power plants, gas-compressor stations, ground and marine transport vehicles. Gas turbine engines are the classical example of a sophisticated system with components operating at extremely high temperatures and limit loads during a long period of time. At the same time these engines are the example of the highest reliability, which is assured by efficient design solutions and complicated gas dynamics, temperature and durability calculations. Therefore studying of gas turbine engines as one of the most accomplished achievements of engineering is beyond the scope of utilitarian aim of teaching and preparing engineers and engine designers.

This series of publications under the common title «Gas Turbine Engines» is dedicated to the primaiy stage of their development - engineering and designing in particular as it is the main part of this process. The series consists of three textbooks for students of higher educational establishments study­ ing at faculty of «Aero-engines and Power Genera­ tion Gas Turbines». The textbooks are the following: «Principles of Aero-engines and Power Generation Gas Turbines Designing», «Dynamics and Durability ofAero-engines and Power Generation Gas Turbines », «Automatics and Control of Aero-engines and Power Generation Gas Turbines. Systems». The aim was to give a complex of knowledge for independent creative work in GTE designing. The readers are supposed to have learned general engineering disciplines and to know gas dynamics and theory of aero-engines.

The attempt to cover immense amount of information resulted in a large volume of the series.

The authors justify it by inevitable redundancy of such publications. The desire to present information in a full and detailed way is explained by the fact that these books are intended not only for studying of related disciplines by students but also for designing during writing of course and diploma works. The authors hope that the publication will be also helpful for post-graduate students and specialists working at development, manufacturing and operation of gas turbine engines.

In their work the authors based upon rich practi­ ce of one of the leading world aero-engine building school of Perm Aviadvigatel OJSC. Many of the presented designs are the components of engines, developed by the Company.

During preparation of this publication huge amount of Aviadvigatel design bureau specialists took part. Their names are listed at Prefaces to all of these books. The work of so many specialists is impossible without organization support of N.L. Koksharov. The total design of the book was executed by I.M. Sokolova with the help ofV.K. Oschepkov, L.M. Kisluhina, O.E. Pekova, Yu.A. Nikulin, I.Yu. Vaganova. Special gratitude is to Alexia Attali from Communication Divisions Snecma Moteurs, who sent information about M88 engine; Cynthia Dumal from Honeywell product information for illustrations of Honeywell engines and to Margaret Fletcher who is Jet Engine Administrator of Rolls-Royce pic for her kind permission to use illustrations from the perfect book of Rolls-Royce pic «The Jet Engine». The authors also thank the colleagues from the State Unitary Scientific & Production Enterprise «Plant named in honour of V.Ya. Klimov» for illustrations of TV3-117 and 2500 engines.

Учебник «Основы конструирования авиаци­ онных двигателей и энергетических устано­ в о к » - первая книга из серии «Газотурбинные двигатели».

Содержание учебника определяется его на­ значением. В нем рассмотрены общие вопросы и принципы разработки газотурбинных двигате­ лей, их узлов и отдельных элементов. Изложение этого материала невозможно без анализа разра­ ботанных конструкций, опыта их доводки и экс­ плуатации. При этом авторы не ставили зада­ чу подробно описывать конкретные двигатели. Изложение материала в основном идет по следу­ ющей схеме: рассмотрение требований, предъяв­ ляемых к тому или иному узлу, проблем, которые приходится решать при выборе конструктивных решений, анализ достоинств и недостатков ос­ новных путей решения этих проблем на приме­ рах известных конструкций.

Научную базу курса «Основы конструиро­ вания авиационных двигателей и энергетичес­ ких установок» составляют методы и научные положения таких общеинженерных дисциплин, как теоретическая механика, сопротивление ма­ териалов, газовая динамика, материаловедение, а также специальных дисциплин: теории турбо­ машин, теории воздушно-реактивных двигате­ лей, технологии их производства.

Классические отечественные учебники по конструкции авиационных двигателей, написан­ ные в свое время авторскими коллективами под редакцией Г.С. Скубачевского и Д.В. Хронина,

с1989 г. не переиздавались. В авиационном двигателестроении с тех пор появились новые конс­ трукторские решения, новые методы расчетов - все то, что диктуется постоянным повышением требований к конкурентоспособности двигате­ лей. Авторы попытались наряду с классически­ ми представлениями отразить в настоящем учеб­ нике современное состояние проблем, связанных

сконструированием газотурбинных двигателей. Приведено множество примеров разработанных отечественных и зарубежных конструкций, ана­ лиз которых, по мнению авторов, является важ­ нейшим элементом учебного процесса.

Книга «Основы конструирования авиа­ ционных двигателей и энергетических уста­

новок» для удобства пользования выполнена в 3 томах.

Том 1 содержит 4 главы.

Вглаве 1 приведены общие сведения о газо­ турбинных двигателях. Рассмотрены одна из воз­ можных классификаций, основные типы авиаци­ онных ГТД, области их применения, история раз­ вития, деление на «поколения». Значительное внимание уделено наземным ГТД объектам их применения.

Глава 2 посвящена основным параметрам

итребованиям к ГТД, содержит некоторые необ­ ходимые для лучшего понимания сведения из тео­ рии ГТД и термодинамики. Подробно рассмо­ трены методологические вопросы обеспечения ресурса, надежности, технологичности, эконо­ мических и экологических требований, методо­ логия проектирования в целом, а также сертифи­ кация ГТД.

Вглаве 3 приведены конструктивные схемы авиационных ГТД и ГТД наземного применения. Все три главы подготовлены под общим руково­ дством А.А. Пожаринского, а разделы 1.2.3 и 2.3.1 им непосредственно. Разделы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.6.2.1.2.2, 2.3.2,2.3.4,2.3.6,2.4.2, 2.5.2,2.8, 3.1,

3.2, 3.4 подготовлены С.В. Торопчиным с учас тием В.А. Кузнецова (разделы 1.1, 1.2, 3.1, 3.2). Разделы 1.5,2.7,3.3 подготовлены М.Г. Зубковой, 2.3.5 - А.В. Кимом, 2.3.7 - Б.В. Трегубовым, 2.3.8 - А.Л. Мурыгиным, 2.3.9 и 2.5.1 - Ю.Н. Со­ рокиным, 2.3.12 -В.И. Черемных, 2.4.1 -В.М . Роговым, 2.6 -В .И . Баландиным и |Ю.А. Паньковым].

В оформлении материалов глав 1,2, 3 участвова­ ли К.Э. Терентьева и Н.В. Кобанова.

Глава 4 посвящена силовым схемам ГТД. Рассмотрены усилия, действующие в двигателе

иего элементах. Подробно представлены схе­

мы, конструкции опор, вопросы их проектиро­ вания, а также схемы и конструкции подвески. Глава подготовлена Ю.Н. Сорокиным с участи­ ем М.Д. Галямова, А.А. Целищева, В.Е. Ани­ симова, К.В. Ульяновского, В.О. Рубинова, Н.Е. Брагиной, Ю.А. Берендорфа, Л.В. Шайхут­ диновой. В оформлении главы 4 принимал учас­ тие А.В. Живилов.

Том 2 содержит главы с 5-й по 9-ю и посвя­ щен основным узлам ГТД.

В главе 5 рассмотрены различные типы ком­ прессоров, вопросы их аэродинамического про­ ектирования, теплового состояния, конструктив­ ные и силовые схемы. Представлены конструк­ ции роторов и статоров. Отдельно рассмотрены вопросы регулирования компрессоров, противо-

Глава 12 посвящена трубопроводным и элек­ трическим коммуникациям. В газотурбинном двигателестроении эти коммуникации называ­ ются «обвязкой». Рассмотрены составляющие элементы обвязки: трубы, провода, элементы их соединения, компенсирующие устройства, узлы крепления. В обвязку могут входить, и приведе­ ны, элементы крепления агрегатов и датчиков. Большое внимание уделено проектированию обвязки, натурному и электронному макетиро­ ванию. Отдельный раздел посвящен особеннос­ тям обвязки наземных ГТД. Глава подготовлена к.т.н. В.М. Полушкиным с участием в оформ­ лении разделов по трубопроводным коммуни­ кациям Н.В. Боговаровой, С.Д. Владимировой, С.З. Миняшева,А.А. Шишкина, Е.В. Костаревой. Раздел по электрическим коммуникациям подго­ товлен В.С. Наговицыным с участием в предвари­ тельном редактировании В.И. Лешгкина и в офор­ млении С.В. Белявского и А.Е. Малаховой.

Глава 13 посвящена уплотнениям и в какойто степени дублирует материалы, приведенные по данной теме в других разделах. Сделано это для удобства пользования. В этой главе поме­ щены данные по уплотнениям неподвижных соединений. Подробно описаны уплотнения подвижных соединений: лабиринтные, щеточ­ ные, газостатические, газодинамические. Даны сравнительные данные по их эффективности. При ведены примеры уплотнений газового трак­ та. Рассмотрены также уплотнения масляных полостей опор роторов, редукторов. Материалы главы подготовлены к.т.н. Ю.А. Пыхтиным. Оформление - И.М. Соколовой с участием Г.А. Ельцовой и Н.Е. Брагиной.

Глава 14 посвящена ГТД наземного приме­ нения, используемым в первую очередь в качес­

Предисловие

тве силового привода для газоперекачивающих агрегатов и электростанций. Рассматриваются особенности их конструкции, отличия от ави­ ационных. Отдельные разделы посвящены ГТД, используемым в качестве силовых (энергети­ ческих) установок кораблей и судов, а также танков. Рассмотрены примеры компоновок ГТД наразных объектах применения. Глава под­ готовлена А.В. Черненко (разделы 14.1 и 14.4) и В.О. Рубиновым (разделы 14.2, 14.3, 14.5, 14.6) с участием в оформлении Ю.А. Пашкова, С.С. Малыгина, Ю.В. Шилова и В.Е. Симонова.

Глава 15 посвящена проблеме обеспечения одного из экологических требований к ГТД - уровня шума. Рассмотрены источники шума, влияние параметров процесса и конструктивной схемы на его уровень, методы оценки акустичес­ ких характеристик. Представлены методы сни­ жения шума и их конструктивная реализация. Глава подготовлена В.А. Чурсиным (разделы 15.1-15.4,15.5) с участием А.Г. Григорьева (разде­ лы 15.4, 15.5), А.П. Ведерникова (раздел 15.4.3), В.Ю. Смирнова (раздел 15.4.5) и М.М. Якуниной (оформление).

Глава 16 посвящена автоматизации проек­ тирования и поддержки жизненного цикла ГТД. Проблема автоматизации уже давно не рассмат­ ривается отдельно для какой-либо части жизнен­ ного цикла (в том числе и для проектирования), поскольку только комплексный подход может дать необходимый эффект в повышении качества и со­ кращения сроков создания двигателя. Глава под­ готовлена В.Е. Абрамчуком (разделы 16.1... 16.12) и А.В. Дурягиным (раздел 16.13). Оформлена глава А.В. Дурягиным и Т.С. Чудиновой. Учтены ценные советы и замечания Д.В. Леванова, Н.А. Пичужкина и И.А. Паздникова.

The book describes the first step of gas turbine engine makinggas turbine engine design, and contains the information on engine and its modules configurations and structure; systems, maintaining its operation; gas dynamics, thermal and durability analysis as a part of the design process and its automation as well.

First of all the book is intended to be used by students as an educational supply for the course «Gas Turbine Engines», though it would be also useful for young specialists of experimental design bureaus.

The book was prepared with the assistance of many «Aviadvigatel» OJSC experimental design bureau specialists. Due to the practical support of

N.L. Koksharov the co-work of such a huge team became possible. Special thanks to: Alexia Attali (Communication Divisions Snecma Moteurs) for the MSB-engine documents; Cynthia Dumal (Honey­ well Product Information) for the Honeywell engines illustrations; Margaret Fletcher (Jet Engine Administrator, Rolls-Royce pic) for being so kind to permit the authors to use the illustrations from the brilliant Rolls-Royce pic book «The Jet Engine»; our colleagues from the «Plant named after V. J. Klimov» Federal Unitary Scientific Production Enterprise for the TV3-117 and 2500 engines illustrations. The overall design of the book is performed by I.M. Sokolova.