Конструкция статора и управление радиальными зазорами компрессора ГТД

Статор компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) является одним из ключевых элементов его конструкции. Его архитектоника определяется общегобаритной компоновкой силового агрегата и специфическими функциональными требованиями, предъявляемыми к корпусу как к несущей и газодинамической составной части компрессорного узла.

Конструктивные требования и структура статора компрессора. В качестве одного из важнейших требований, предъявляемых к корпусу компрессора, выдвигается его непробиваемость в случае аварийного обрыва рабочей лопатки. Если лопатки короткие и легкие, то дополнительного усиления корпуса не требуется. Усиление конструкции необходимо над лопатками вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД). Непробиваемость корпуса может быть обеспечена постановкой специального защитного кольца из легкого, но прочного материала с высоким значением ударной вязкости, например, из современное композиционного материала.

Статор состоит из следующих основных конструктивных элементов:
- наружный корпус, в котором устанавливают неподвижные и поворотные направляющие лопатки;
- передний и задний силовые корпусы, внутри которых размещаются подшипниковые опоры ротора;
- коробка агрегатов двигателя, которая может быть размещена снаружи статора.

Важным качеством корпусов компрессора является их жесткость на изгиб и кручение, которая должна обеспечивать постоянство формы и прямоугольность/прямолинейность осей компрессора при эволюционных перегрузках во время маневрирования самолета. Это необходимо как с точки зрения сохранения постоянства радиальных зазоров по лопаткам и лабиринтным уплотнениям, так и для надежной работы подшипниковых узлов.

Системы регулирования и силовые корпусы. При создании однокаскадного компрессора для обеспечения необходимого запаса газодинамической устойчивости (ГДУ) при запуске и на всех режимах работы двигателя используют устройства перепуска воздуха (клапаны или ленты перепуска) или поворотные направляющие (спрямляющие) лопатки.

В двухкаскадных ТРД стараются обходиться без регулирующих устройств, однако в ТРДД с высокой степенью повышения давления обычно одну–две ступеней компрессора высокого давления (КВД) снабжают поворотными лопатками статора. В трехкаскадном компрессоре направляющие поворотные лопатки обычно отсутствуют.

Подшипниковые опоры передают радиальные и осевые нагрузки от ротора на наружный корпус через силовые радиальные связи, в качестве которых могут использоваться:
- специальные обтекаемые силовые стойки;
- профилированные направляющие (спрямляющие) лопатки.

Внутри этих стоек или лопаток могут проходить валики приводов агрегатов, а также коммуникационные трубки подвода и отвода масла для смазки и охлаждения подшипников.

Рис. 2.4.19. Передний корпус КВД с регулируемым ВНА: 1 — передний корпус КВД; 2 — регулируемый ВНА

Как показано на рис. 2.4.19, передний корпус КВД оснащается регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) с лопатками изменяемой кривизны, состоящими из двух частей:
1. Передняя неподвижная часть каждой лопатки входит в общую силовую схему двигателя. Через нее также может проходить трубка подвода или отвода масла для подшипника.

2. Задняя поворотная часть лопатки направляет поток входящего в компрессор воздуха на рабочие лопатки первой ступени под углом, строго соответствующим текущему режиму работы двигателя.

Управление поворотными лопатками статора осуществляется с помощью рычагов на каждой лопатке, объединенных синхронизирующим кольцом, поворачиваемым по запрограммированному закону гидроцилиндром.

Рис. 2.4.20. Задний корпус газогенератора с общей опорой КВД и ТВД: 1 — корпус КВД; 2 — корпус камеры сгорания; 3 — ротор КВД; 4 — задняя опора газогенератора

На рис. 2.4.20 представлен задний корпус, являющийся общим силовым корпусом для КВД, камеры сгорания и турбины высокого давления (ТВД). В нем располагается задняя опора ротора газогенератора. На наружном корпусе компрессора, внутри которого закреплены лопатки статора, снаружи располагают механизмы регулирования компрессора.

Конструктивные варианты корпусов и проблема овализации. Корпус компрессора в соответствии с конструктивной схемой двигателя может иметь горизонтальный разъем в плоскости, проходящей через ось компрессора. При этом передний и задний силовые корпусы обычно изготовляют без разъема.

Важно: Следствием горизонтального разъема является переменная по окружности жесткость корпуса, что приводит к овализации (отклонению формы сечений внутренней поверхности от идеальной окружности), а следовательно, к нежелательному увеличению радиального зазора по концам лопаток ротора.

Кроме того, корпус компрессора может быть выполнен без горизонтального разъема (цельнокольцевым) или с разъемами в плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротора.

Управление радиальным зазором над лопатками компрессора. Величина радиального зазора между лопатками ротора и внутренней поверхностью корпуса существенно влияет на коэффициент полезного действия (КПД) компрессора и запас его ГДУ. Поэтому при проектировании стремятся обеспечить минимальный размер этого зазора на всех режимах работы двигателя и исключить задевание лопаток за корпус при эволюционных перегрузках, запуске и останове двигателя.

Прирабатываемые (истираемые) покрытия. Уменьшить монтажный зазор s_м позволяют прирабатываемые (истираемые) покрытия, наносимые на внутреннюю стенку корпуса над лопатками ротора. Это позволяет допустить некоторую приработку ротора к статору без риска повреждения металлических элементов.

Выбор материала покрытия представляет собой сложную научно-техническую задачу:
- Покрытие должно быть мягким и легко прирабатываться по концам лопаток.
- Покрытие должно быть эрозионностойким и стойким к выветриванию в течение всего ресурса двигателя.

На последних ступенях КВД от нанесения покрытий нередко отказываются из-за высоких температур и плотности воздуха, которые интенсифицируют процесс их износа. На этих ступенях с короткими лопатками относительная величина зазора оказывается наибольшей, поэтому потери в последних ступенях получаются выше, чем в первых.

В среднем радиальный зазор распределяется по ступеням следующим образом:
- На первых ступенях относительный зазор удается выдержать менее 1% от высоты лопатки.
- На последних ступенях он превышает 2%.

Потери в КПД ступени в среднем составляют 2% на каждый 1% зазора, а потери по запасу газодинамической устойчивости превышают эту величину в 2–3 раза.

Рис. 2.4.21. Изменение радиального зазора s над лопатками компрессора на различных режимах работы двигателя (s_м — монтажный зазор): 1 — запуск; 2 — прогрев; 3 — остановка

Рассмотрение динамики изменения зазора по режимам работы помогает найти оптимальную конструкцию корпуса (см. рис. 2.4.21):
1. Запуск и прогрев (1, 2): Изменение радиального зазора, обусловленное различием теплового расширения ротора и статора, существенно больше, чем изменение от силовых нагрузок (центробежного растяжения дисков/лопаток и давления на корпус).

2. Максимальный режим: Минимальный рабочий зазор (порядка 0,3 мм) достигается при выходе на максимальную частоту вращения.

3. Останов (3): При останове двигателя минимальный зазор и даже «цепляние» лопаток за корпус возможны в случае медленного остывания массивного ротора и быстрого охлаждения тонкого корпуса.

Для решения проблемы тепловой и силовой деформации применяют двухслойные стенки наружного корпуса. Внутренняя стенка защищает внешнюю (основную силовую) от интенсивного подогрева и охлаждения потоком воздуха, снижая темп её температурных расширений.

Решение проблемы активного и пассивного управления зазорами требует оптимизации силовой схемы ГТД и относится к области многодисциплинарного математического моделирования (сочетающего сопряженный теплообмен, газодинамику и прочность).