Метрология / Том 1. Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы / 2-5-Metodologija_projektirovanija

ственных элементов и узлов без разборки или при незначительной разборке.

Конструкция ГТД должна обеспечивать мак- симально–возможный объем ремонтно–восстано- вительных работ без демонтажа двигателя в условиях электростанции. Мощные энергетические ГТД обязательно выполняются с полным горизонтальным разъемом для возможности выемки и ремонта ротора ГТД в условиях эксплуатации.

К габаритным и массовым характеристикам энергетических ГТД, как правило, не предъявляется жестких требований. В основном эти ограни- чения связаны с необходимостью транспортировки ГТД и его элементов обычными транспортными средствами, а также с использованием для монтажа двигателя на месте эксплуатации обычных грузоподъемных механизмов.

2.5 - Методология проектирования

2.5.1 - Основные этапы проектирования ГТД

Разработка новых изделий в современном авиационном двигателестроении, как правило, выполняется в несколько этапов:

-разработка технического задания (ТЗ);

-разработка технического предложения;

-выполнение эскизного проекта;

-выполнение технического проекта;

-разработка конструкторской документации.

2.5.1.1 - Техническое задание

Техническое задание (ТЗ) – это конструкторский документ, в котором представлена совокупность технических, экономических, экологических требований к вновь создаваемому изделию.

ТЗ состоит из следующих основных разделов:

-наименование и назначение двигателя;

-основные технические характеристики двигателя;

-требования по экологическим показателям (эмиссия, шум);

-технико-экономические требования;

-показатели надежности;

-требования по ресурсам основных деталей;

-состав двигателя, требования к отдельным модулям и узлам;

-требования к системам и комплектующим изделиям;

-требования к сертификации двигателя и его систем;

-требования к материалам (климатическому исполнению двигателя);

-требования по эксплуатационной технологичности, удобству технического обслуживания, ремонта и хранения;

-требования по консервации, сроку хранения

èслужбы;

-требования по транспортировке готовых двигателей.

На базе ТЗ разрабатывается техническое предложение и осуществляются этапы эскизного и технического проекта. Государственная или ведомственная приемка готового изделия проводится с целью проверки соответствия изделия заявленным в ТЗ требованиям.

2.5.1.2 – Техническое предложение

Техническое предложение – это совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации двигателя на основании:

-анализа ТЗ заказчика;

-анализа различных вариантов возможных решений;

-сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих двигателей;

-патентных исследований.

Техническое предложение после согласования

èутверждения в установленном порядке является основанием для разработки эскизного проекта. В общем случае при разработке технического предложения выполняют следующие работы:

-разработку вариантов возможных конструктивных решений, установление особенностей вариантов (принципов действия, размещения функциональных составных частей и т.п.), их конструкторскую проработку. Глубина такой проработки должна быть достаточной для сравнительной оценки вариантов;

-проверку вариантов на патентную чистоту

èконкурентоспособность, оформление заявок на изобретения;

-проверку соответствия вариантов экологи- ческим требованиям;

-сравнительную оценку вариантов. Сравнение проводится по показателям качества изделия, например: надежности, техническим, экономическим, эргономическим параметрам. Сопоставление вариантов может проводиться также по показателям технологичности (ориентировочной удельной трудоемкости изготовления, ориентировочной

удельной материалоемкости и др.), стандартизации и унификации. При этом следует учитывать конструктивные и эксплуатационные особенности разрабатываемого и существующих двигателей, тенденции и перспективы развития отечественного и зарубежного авиадвигателестроения;

-выбор оптимального варианта двигателя, обоснование выбора;

-установление требований к двигателю (технических характеристик, экологических показателей и др.) и к последующей стадии разработки двигателя (определение необходимого объема работ, варианты возможных решений, которые следует рассмотреть на последующей стадии и др.).

2.5.1.3 – Эскизный проект

Эскизный проект – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление о составе и особенностях работы двигателя и его узлов, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия. Эскизный проект после согласования и утверждения в установленном порядке служит основанием для разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации.

В эскизном проекте выполняют:

-разработку и анализ вариантов возможных решений, определение технических характеристик вариантов, их конструкторскую проработку. Глубина проработки должна быть достаточной для сопоставления рассматриваемых вариантов;

-разработку и обоснование технических решений, направленных на обеспечение показателей надежности, установленных техническим заданием и техническим предложением;

-оценку двигателя на технологичность и правильность выбора средств и методов контроля (испытаний, анализа, измерений);

-оценку двигателя в отношении его соответствия требованиям эксплуатационной технологич- ности;

-проверку вариантов технических решений на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформление заявок на изобретения;

-проверку соответствия вариантов экологи- ческим требованиям, требованиям техники безопасности;

-сравнительную оценку рассматриваемых вариантов двигателя. При этом следует учитывать конструктивные и эксплуатационные особенности

разрабатываемого и существующих двигателей, тенденции и перспективы развития отечественного и зарубежного авиадвигателестроения;

-выбор оптимального варианта из предложенных технических решений, обоснование выбора; принятие принципиальных решений;

-подтверждение (или уточнение) предъявляемых к двигателю требований, установленных техническим заданием и техническим предложением,

èопределение технико-экономических характеристик и показателей, не установленных техническим заданием и техническим предложением;

-выявление на основе принятых принципиальных решений новых составных частей, комплектующих изделий и материалов, которые должны быть разработаны другими предприятиями (организациями), составление технических требований к этим изделиям и материалам;

-составление перечня работ, которые следует провести на последующей стадии разработки, в дополнение или уточнение работ, предусмотренных техническим заданием и техническим предложением;

-проработку основных вопросов технологии изготовления для внедрения новых технологических процессов (оборудования);

-предварительное решение вопросов упаковки и транспортирования двигателя.

2.5.1.4 – Технический проект

Технический проект – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого двигателя, и исходные данные для разработки рабочей документации. Технический проект после согласования и утверждения в установленном порядке служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.

Перечень работ, выполняемых на стадии технического проекта:

-разработка конструктивных решений двигателя и его основных составных частей;

-проведение необходимых расчетов, в том числе подтверждающих технико – экономические показатели, установленные техническим заданием;

-выполнение необходимых принципиальных схем, схем соединений и др.;

-оценка двигателя по экологическим характеристикам;

-анализ конструкции деталей, сборочных единиц и двигателя в целом на технологичность

с учетом предложений предприятий-изготовите- лей в части обеспечения технологичности в условиях данного конкретного производства, в том числе по использованию имеющегося на предприятии оборудования, а также учета в данном проекте требований нормативно-технической документации, действующей на предприятии-из- готовителе; выявления необходимого для производства изделий нового оборудования (обоснование разработки или приобретения); разработку метрологического обеспечения (выбор методов

èсредств измерения);

-разработка, изготовление и испытание опытных образцов двигателя и его составных частей;

-оценка изделия в отношении его соответствия экономическим требованиям;

-оценка транспортирования, хранения, а также монтажа двигателя на самолете;

-оценка эксплуатационной технологичности двигателя (взаимозаменяемости, удобства обслуживания, ремонтопригодности, устойчивости против воздействия внешней среды, возможности быстрого устранения отказов, контроля качества работы изделия, обеспеченность средствами контроля технического состояния и др.);

-окончательное оформление договоров на разработку и изготовление новых комплектующих изделий, в том числе средств измерения и материалов, применяемых в разрабатываемом двигателе;

-оценка уровня стандартизации и унификации изделия;

-проверка двигателя на патентную чистоту

èконкурентоспособность, оформление заявок на изобретения;

-выявление номенклатуры покупных изделий, согласование применения покупных изделий;

-согласование габаритных, установочных

èприсоединительных размеров двигателя с заказ- чиком (потребителем);

-частичная разработка чертежей сборочных единиц и деталей, двигателя для ускорения выда- чи задания на разработку специализированного оборудования для их изготовления или выдачи заданий по получению специальных заготовок;

-проверка соответствия принимаемых решений требованиям техники безопасности и производственной санитарии;

-составление перечня работ, которые следует провести на стадии разработки рабочей документации, в дополнение и (или) уточнение работ, предусмотренных техническим заданием, техническим предложением и эскизным проектом.

2.5.1.5 – Разработка конструкторской документации

К конструкторским документам (далее - документы) относят графические и текстовые документы, которые в отдельности или в совокупности определяют состав двигателя и содержат необходимые данные для его изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.

Документы подразделяют на виды, указанные

âòàáë. 2.12.

Ñцелью обеспечения удобства пользования конструкторская документация авиационных двигателей оформляется в единой системе, которая носит название ЕСКД (единая система конструкторской документации). Единые правила выпуска конструкторской документации описаны в ряде нормативных документов ЕСКД – государственных стандартах (ГОСТ), которые обязательны для применения на всей территории Российской Федерации.

2.5.2 - Разработка конструкций ГТД на основе базовых газогенераторов

2.5.2.1 - Газогенератор – базовый узел ГТД

Под газогенератором ГТД сложных схем (ТРДД, ТРДДФ, многовальных ТВД, вертолетных и наземных ГТД) обычно понимают каскад высокого давления, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины. В трехвальном ТРДД в каче- стве газогенераторной части двигателя можно рассматривать двухвальный турбокомпрессор, который объединяет каскады среднего и высокого давления. Понятие газогенератора возникло с появлением авиационных ТРДД, а впоследствии стало широко использоваться и для других типов многовальных многокаскадных ГТД.

Газогенератор является наиболее ответственным агрегатом ГТД, непосредственно определяющим параметры и характеристики двигателя. Газогенератор является также наиболее напряженной частью двигателя в отношении прочности, теплостойкости, эксплуатационной надежности. Он включает узлы и системы, работающие при наибольших температуре и давлении в тракте двигателя и наибольших же окружных скоростях (компрессор, камера сгорания, турбина, трансмиссия). Поэтому в газогенераторе сосредоточены самые передовые и дорогостоящие технологии и матери-

алы, используемые при производстве ГТД. Значи- тельная часть технических проблем, возникающих при создании и доводке новых двигателей, а также финансовых и временных затрат также связана с газогенераторной частью.

В настоящее время при разработке ГТД для сокращения сроков создания и снижения техни- ческого и финансового рисков широко практикуется опережающая разработка и доводка ключе- вых узлов и технологий. В дальнейшем эти узлы

Таблица 2.12

и технологии используются в коммерческих проектах – этим сводятся к минимуму различные риски. Как правило, этот процесс идет при финансовой поддержке государства. Такой подход в полной мере применяется при разработке газогенератора, как наиболее сложного и дорогостоящего агрегата ГТД, определяющего техническое совершенство двигателя в целом.

2.5.2.2 – Основные параметры и конструктивные схемы газогенераторов ГТД

Рассмотрим понятие размерность газогенератора. Размерность газогенератора характеризуется приведенным расходом воздуха на входе в компрессор GÊÎ и на выходе из компрессора GÏÐ ÂÛÕ.

Приведенный расход (кг/с)на выходе определяется по формуле:

В приближенных оценках можно пользоваться упрощенной формулой:

.

Приведенный расход воздуха на входе в компрессор газогенератора GÊÎ характеризует площадь и диаметр на входе в компрессор (при определенной приведенной скорости на входе λ ÂÕ и втулоч- ном отношении dÂÒ).

Приведенный расход воздуха по выходу из компрессора GÏÐ ÂÛÕ характеризует площадь и диаметр (высоту лопатки) на выходе из компрессора. Этим параметром удобно пользоваться при оценке достижимого уровня мощности (тяги) ГТД, создаваемых на базе газогенератора. Более высокая размерность газогенератора (GÏÐ ÂÛÕ) при фиксированной суммарной степени сжатия компрессора позволяет иметь больший физический расход воздуха через двигатель и, соответственно, большую мощность (или тягу).

GÏÐ ÂÛÕ не зависит от «наддува» (наличия компрессора низкого давления (КНД)) на входе, также как и от подстановки ступеней впереди компрессора. Добавление ступеней за компрессором уменьшает GÏÐ ÂÛÕ (размерность газогенератора) и требует более радикального изменения конструкции

газогенератора.

Необходимо иметь в виду, что для ГТД с осевым компрессором может существовать ограниче- ние минимальной размерности газогенератора при GÏÐ ÂÛÕ < 2…2,5 кг/с. Это связано с уменьшением высоты лопаток последних степеней компрессора до η Ë < 16…18 мм, вызывающим значительное падение к.п.д. из-за увеличения относительных зазоров и неблагоприятного влияния числа Рейнольдса. Этот предел может быть несколько уменьшен, если применить понижающуюся форму проточной части компрессора или установить на выходе центробежную ступень. Газогенераторы с осецентробежными и центробежными компрессорами часто применяются в малоразмерных авиационных и наземных ГТД.

Газогенератор характеризуется термодинами- ческими параметрами:

-максимальнойтемпературойгазапередтурбиной;

-степенью сжатия в компрессоре;

-расчетной степенью расширения в турбине;

-к.п.д. компрессора и турбины.

Эти параметры в решающей степени определяют параметры цикла и основные данные ГТД. К.п.д. узлов газогенератора, как основного производителя свободной энергии, имеют повышенное влияние на тягу (мощность) и экономичность двигателя по сравнению с к.п.д. других узлов ГТД (например, турбокомпрессора низкого давления).

Также важны геометрические и аэродинами- ческие параметры узлов газогенератора:

-приведенная окружная скорость компрессора;

-втулочные соотношения компрессора на входе и выходе;

-форма проточной части;

-аэродинамическая нагрузка ступеней компрессора и турбины (коэффициент теоретического

напора компрессора ÍZ и параметр нагруженности турбины Y) определяют количество ступеней компрессора и турбины и влияют на конструктивный облик и выбор силовой схемы газогенератора.

Поиск оптимального сочетания геометрических и аэродинамических параметров, обеспечивающих высокие к.п.д. компрессора и турбины, проч- ность основных деталей и минимальную массу газогенератора для ГТД различных схем и назначе- ния – сложная оптимизационная задача, решаемая на этапе проектирования газогенератора и ГТД.

Газогенераторы ГТД малой размерности выполняются с осецентробежными или центробежными (одно- и двухступенчатыми) компрессорами. Турбины газогенератора даже при малой размерности, как правило, выполняются осевыми. Конструктивные схемы газогенераторов различной

размерности показаны на Рис. 2.10. Параметры газогенераторов некоторых современных ГТД даны в таблице 2.13.

Основные тенденции развития газогенераторов современных ГТД:

-повышение аэродинамической нагруженности ступеней компрессора и турбины для сокращения количества ступеней газогенератора и соответствующего снижения стоимости производства

èремонта;

-повышение максимальной температуры газа перед турбиной;

-уменьшение размерности газогенератора для ГТД фиксированной тяги (мощности) в связи с общей тенденцией повышения температуры газа перед турбиной и степени двухконтурности (для гражданских ТРДД);

-улучшение эмиссионных характеристик камеры сгорания: снижение вредных выбросов NOx, CO, CN, дымности;

-применение передовых технологий: колес типа «blisk» и «bling» в компрессоре, многослойных ТЗП и эффективных систем охлаждения в турбине и др.

Необходимо отметить, что сокращение коли- чества ступеней газогенератора наиболее актуально для авиационных ГТД — в первую очередь для боевых ТРДДФ, поскольку этим повышается компактность и снижается масса. Также это очень важно и для двигателей региональных и ближнемагистральных самолетов. Для них снижение покупной цены, стоимости ремонта и обслуживания имеет большее влияние на снижение прямых эксплуатационных расходов, чем экономичность дви-

гателя.

Для наземных, в особенности для энергети- ческих ГТД, компактность и малый вес имеют второстепенное значение. Решающими являются требования экономичности и надежности. Для этих ГТД обычно используются умеренные окружные скорости и аэродинамические нагрузки, обеспечи- вающие максимально высокие к.п.д. лопаточных машин и экономичность ГТД, а также снижающие эрозионный износ лопаток при работе в более запыленном и загрязненном воздухе по сравнению с авиационными ГТД.

2.5.2.3 – Создание ГТД различного назначения на базе единого газогенератора

Стоимость создания полностью нового ГТД, например, ТРДД класса тяги 100…400 кН, (при проектировании «с осевой линии») достигает 1…3 миллиарда долларов США и приближается к стоимости разработки планера самолета. Поэтому газогенератор вновь созданного двигателя целесообразно использовать для разработки на его базе модификаций бoльшей или мeньшей тяги или создания ГТД другого назначения. Кроме значительной экономии финансовых средств, использование доведенного газогенератора позволяет существенно снизить технический риск и сроки создания новых ГТД, а также обеспечить более высокий уровень начальной надежности двигателей, что повышает их конкурентоспособность.

Конструктивно создание ГТД различных схем на базе единого газогенератора осуществляется

надстройкой газогенератора необходимыми дополнительными узлами и системами (Рис. 2.11). Например, при разработке ТРД газогенератор дополняется входным устройством и соплом. При создании ТРДД газогенератор надстраивается каскадом низкого давления (вентилятором и турбиной низкого давления (ТНД)), наружным контуром

èвыхлопной системой, которая может быть выполнена с раздельными соплами внутреннего

èнаружного контуров или с общим соплом. При создании промышленных ГТД разрабатывается узел СТ, а при необходимости значительного повышения мощности газогенератор может быть надстроен каскадом НД для увеличения расхода воздуха.

При разработке ГТД необходимо учитывать конструктивные и прочностные ограничения газогенератора, которые определяют возможный предел повышения тяги (мощности) двигателя.

При наличии на входе газогенератора КНД, т.е. когда газогенератор работает при повышенных

давлении (Ð*ÂÕ )и температуре (Ò*ÂÕ) на входе, пропорционально Ð*ÂÕ è Ò*ÂÕ повышаются давление

èтемпература по тракту газогенератора, а также увеличиваются физическая частота вращения

èрасход воздуха. Повышение указанных параметров возможно до определенных максимальных зна- чений, на которые рассчитан газогенератор из условия обеспечения нормированных запасов прочности основных деталей и работоспособности трансмиссии.

Важным конструктивным параметром является внутренний диаметр подшипников газогенератора, ограничивающий максимальный диаметр вала каскада НД, который проходит внутри вала газогенератора. Повышение мощности и крутящего момента на валу каскада НД (например, при увеличении степени двухконтурности ТРДД) при фиксированном диаметре вала НД может вызвать трудности с обеспечением прочности вала. Увеличение же диаметра подшипников газогенератора ограничивается величиной произведения диаметра D на частоту вращения n , определяющего долговечность подшипников, а также прочностью дисков турбины газогенератора при увеличении диаметра внутреннего отверстия диска.

Для снятия такого рода прочностных и конструктивных ограничений может потребоваться радикальная модернизация газогенератора: изменение конструкции, использование новых материалов, керамических подшипников или применение редуктора для привода вентилятора.

Использование базового газогенератора широко применяется в практике газотурбостроения. Например, в Советском Союзе в КБ «Труд» (г. Куйбышев, ныне Самара) в 1960…1970 г.г. на базе газогенератора опытного двигателя НК-6 было разработано семейство ТРДД НК-8 (RÂÇË = 93…103 кН) для магистральных самолетов ИЛ-62 и ТУ-154

è ÒÐÄÄ ÍÊ-86 ñ RÂÇË = 127 кН для самолета ИЛ-86, а также ТРДДФ НК-144 для пассажирского сверх-

звукового самолета ТУ-144 с RÔ = 172 кН и ТРДДФ