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

в опытном СУВВП F-35 фирмы Lockheed Martin, разрабатываемом по программе JSF.

Схемы и параметры различных СУ для СВВП/ СУВВП приведены на рис. 3.26.

Подъемные двигатели предназначены для со­ здания вертикальной тяги на этапах взлета и по­ садки. Поскольку в горизонтальном полете эти двигатели не используются, они должны иметь минимальный вес и объем, чтобы уменьшить от­ рицательное влияние на характеристики само­ лета. В качестве подъемных двигателей обычно применяются ТРД. Для уменьшения эрозионного воздействия на аэродромное покрытие рассматри­ вается использование ТРДЦ, имеющих более низ­ кую скорость истечения и температуру выхлопных газов, но и значительно большие габариты.

Удельная масса подъемных ТРД достигает ве­ личины у = 0,07...0,05. Низкая масса обеспечи­ вается простотой конструкции двигателя и его систем, а также широким использованием лег­ ких конструкционных материалов, в том числе композиционных.

Конструкция подъемного двигателя должна обеспечивать его работоспособность в вертикаль­ ном положении. Поскольку двигатель работает очень короткое время, возможно максимальное упрощение топливной системы или ее объедине­ ние с топливной системой маршевого двигателя. Маслосистема подъемного двигателя может быть расходного типа, когда масло из маслосистемы выбрасывается за борт. Агрегаты маслосистемы могут быть размещены в коке компрессора. Дви­ гатель может быть оснащен поворотным соплом, чтобы обеспечить определенное управление век­ тором тяги. Запуск подъемного двигателя может производиться подачей сжатого воздуха от мар­ шевого двигателя непосредственно на турбину. На рис. 3.21 показана конструктивная схема подъ­ емного ТРД РД-38 разработки НПО «Сатурн».

Подъемно-маршевые двигатели обеспечивают горизонтальную и вертикальную тягу посредс­ твом изменения вектора тяги. Для этого предна­ значена специальная отклоняющая система, со­ стоящая из одного, двух или четырех поворот­ ных сопел. Так, например, подъемно-маршевый ТРДЦ Pegasus для СВВП Harrier (рис. 3.22) име­ ет четыре поворотных сопла - по два в каждом контуре двигателя. Сопла обеспечивают устойчи­ вость самолета при взлете-посадке без использо­ вания дополнительных подъемных двигателей.

Недостатком такого типа СУ, состоящей из од­ ного двигателя, является необходимость значи­ тельного переразмеривания двигателя для обес­ печения потребной тяговооруженности самолета при вертикальном взлете. Как результат - в гори­ зонтальном крейсерском полете подъемно-мар­

3.1. Конструктивные схемы авиационных ГТД

шевый двигатель работает на глубоких дроссель­ ных режимах с повышенным удельным расходом топлива.

Улучшение экономичности подъемно-марше­ вого двигателя на крейсерских режимах может быть достигнуто двумя способами. Первыйустановка перед поворотными соплами ФК, включаемых при вертикальном взлете (при этом уменьшается потребная размерность двигателя и степень дросселирования в крейсерском по­ лете). Второй - применением СУ с подъемными двигателями, создающими часть вертикальной тяги [3.1].

На рис. 3.23 показаны подъемно-маршевые двигатели R-27B-300 с двумя поворотными со­ плами для СВВП Як-38 и R-79B-300 с одним поворотным соплом для первого в мире сверх­ звукового СУВВП Як-141. СУ самолетов Як-38

Рис. 3.21. Подъемный ТРД (РД-38):

1 - агрегаты двигателя в коке компрессора;

2 - нерегулируемый шестиступенчатый компрессор; 3 - короткая камера сгорания со встроенным топливным коллектором;

4 - охлаждаемая турбина с диском из титанового сплава; 5 - двухпозиционное поворотное сопло

ю14,6

Gaв= 1350 кг 1845 кг

ТРДДФ Р-79В-300

/?= 15500 кгс (14000 кгс /77 = 0,8 с отбором)

Тса- 1620 К GBr = 180 кг/с

П‘К1= 22

Gflв= 2750 кг______

Я к-3 8 М

G«a шл.- 11700 кг

G,», ирт = 7500 ... 8400 кг Gполем ж г 3600 кг Vymc.- 1009 км/ч

Як-141

Gen «ше.= 19500 КГ Gnycr =10900 кг А4мж= 1,7

7Гкг= 28...29

Первый попет 18 сект 2000 г

Первый полет Х-35 (опытный образец) 24 октября 2000 г

Первый полет

серийного

схемы - это привод электрогенераторов с пос­ тоянной частотой вращения. Важнейшим пре­ имуществом энергетических ГТД одновальной схемы является высокая точность поддержа­ ния частоты вращения, определяющая высокое качество электроэнергии. Запуск ГТД может осуществляться от приводимого генератора, ра­ ботающего во время запуска в режиме электро­ двигателя.

При работе одновального ГТД в составе ПГУ (парогазовая установка) выполняется регулиро­ вание (прикрытие) ВНА компрессора на дрос­ сельных режимах для поддержания постоянной температуры газов на выхлопе ГТД, что благо­ приятно сказывается на КПД парового контура и энергетической установки в целом.

3.2.2. ГТД со свободной силовой турбиной

Схема ГТД со свободной СТ показана на рис. 3.28. В этой схеме турбина разделена на два каскада. Первый каскад - ТВД - используется для привода компрессора, а второй каскад - свобод­ ная СТ - приводит нагрузку (нагнетатель, элект­ рогенератор, насос и т.д.). ТВД и СТ механичес­ ки не связаны и имеют возможность вращаться с различной частотой. Компрессор, КС и ТВД об­ разуют единый конструктивный модуль - газоге­ нератор (турбокомпрессор ВД), который служит для подачи рабочего газа с заданными парамет­ рами на свободную СТ. Частота вращения газоге­ нератора определяется потребным расходом воз­ духа для обеспечения заданной мощности ГТД. Частота вращения СТ определяется нагрузкой.

Независимость частот вращения газогенера­ тора и СТ обуславливает основные преимущес­ тва данной схемы:

-универсальность применения ГТД для при­ вода различных нагрузок как с постоянной, так

ис переменной частотой вращения;

-стабильность протекания линии рабочих режимов на характеристике компрессора при изменении условий загрузки СТ и атмосфер­ ных условий;

-меньшая потребная мощность пускового

устройства.

Основными недостатками схемы со свобод­ ной СТ являются усложнение и удорожание конс­ трукции по сравнению с одновальной схемой (рис. 3.31). А в случае привода электрогенера­ тора - также и меньшая точность поддержания частоты вращения СТ при резких колебаниях за­ грузки и на переходных режимах.

На рис. 3.28 показан двигатель ГТУ-16П разра­ ботки ОАО «Авиадвигатель» мощностью 16 МВт, выполненный по схеме с СТ с выходом силово­

3.2. Конструктивные схемы наземных иморских ГТД

го вала назад. Двигатель имеет высоконапорный однокаскадный компрессор со степенью сжатия Яктах=23 в четырнадцати ступенях и трехсту­ пенчатую консольную свободную СТ. На этом же рисунке показан аналогичный по схеме двигатель ГТУ-4П мощностью 4 МВт с выходом силового вала вперед в сторону компрессора.

В связи с общей тенденцией развития ГТД в направлении повышения степени сжатия, а так­ же сложностью разработки однокаскадных вы­ соконапорных компрессоров в настоящее время газогенератор (турбокомпрессор) часто выпол­ няют двухвальным, аналогично двухвальному газогенератору ТРДЦ. Для промышленных ГТД со свободной СТ более точным будет использо­ вание термина «двухвальный турбокомпрессор», так как значительное количество наземных ГТД, конвертированных из авиационных ТРДЦ, созда­ ны на базе одновального газогенератора и моди­ фицированного каскада низкого давления (КНД и ТНД) базового двигателя с добавлением вновь спроектированной СТ.

На рис. 3.29 показаны примеры ГТД с двух­ каскадным турбокомпрессором и СТ:

-двигатель ГТУ-25П мощностью 25 МВт разработки ОАО «Авиадвигатель», созданный на базе высоконапорного газогенератора и КНД гражданского ТРДЦ ПС-90А;

-ГТД СоЬегга 6000 в классе мощности 24...32 МВт, созданный на базе двухвального га­ зогенератора трехвального гражданского ТРДЦ RB211-24G фирмы Rolls-Royce;

-ГТД LM1600 мощностью 14 МВт, создан­ ный на базе газогенератора и модифицирован­ ного каскада низкого давления военного ТРДДФ F404 фирмы General Electric.

На базе трехвальных авиационных ТРДД воз­ можно создание наземных ГТД со свободной СТ, имеющих трехвальный турбокомпрессор.

На рис. 3.30 показана принципиальная схема и продольный разрез единственного в мировой практике серийного промышленного ГТД, выпол­ ненного по данной схеме. Это российский двига­ тель НК-36СТ в классе мощности 25...30МВт, разработанный в «СНТК им. Кузнецова» (г. Сама­ ра) на базе трехвального ТРДДФ НК-32.

Отмеченные выше существенные недостат­ ки схемы ГТД со свободной СТ в энергетичес­ ком применении вынуждают разработчиков ГТД создавать для привода электрогенераторов одновальные модификации двигателей путем исключения узла СТ с задней опорой и подста­ новки дополнительной ступени к турбине газо­ генератора. Одновальную и двухвальную моди­ фикации имеют ГТД фирмы Solar (США) в клас­ се мощности 2... 13 МВт (модели Centaur 40,