ЗАНЯТИЕ №2. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ

Цель: Изучить общие сведения о выходных устройствах, конструкцию и основные правила эксплуатации выходного устройства двигателя РД-33-2С

1. Общие сведения о выходных устройствах ГТД.

2. Конструкция выходного устройства двигателя РД-33-2С.

3. Основные правила эксплуатации форсажной камеры и выходного устройства двигателя РД-33-2С.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВАХ ГТД

Выходное устройство /ВУ/ — это часть газотурбинной силовой установки, включающая реактивное сопло /PC/ и средства его регулирования.

PC предназначено для преобразования располагаемого теплоперепада в кинетическую энергию направленного движения газа.

К /ВУ/ современных двигателей предъявляются следующие требования:

1. Обеспечение полного расширения газов /до атмосферного давления/.

2. Малое гидравлическое сопротивление.

3. Малое внешнее сопротивление.

4. Малая масса и габариты.

В настоящее время в /ВУ/ применяют следующие типы сопел:

— сопло с центральным телом и др.

Тип сопла прежде всего определяется располагаемой степенью понижения давления в нем π_с.р= Рф*/Рн,

где Ρ φ*- полное давление газа в сечении перед реактивным соплом,

Ρ н — давление окружающей среды.

При π_с.р > π_с.кр полное расширение газа может быть обеспечено в сопле Лаваля и эжекторном сопле. Область применения сужающихся сопел ограничивается обычно величинами Π с. р. больше или равно 5. 6, что соответствует числам Μ полета, меньшим 0,9. 1,3, т.е сужающиеся сопла, используются в силовых устройствах предназначенных для дозвуковых и относительно небольших сверхзвуковых скоростей полета. Такие сопла требуют регулирования только площади выходного (критического) сечения, что необходимо в первую очередь для обеспечения работы двигателя на форсаже и при регулировании величины форсажной тяги.

Как правило, регулирование выходной площади производится также на бесфорсажных режимах для обеспечения желаемого закона изменения температуры газа перед турбиной и лучшего согласования режимов совместной работы турбины и компрессора с целью получения более благоприятного протекания характеристик двигателя, а также в целях облегчения запуска и улучшения приемистости двигателя.

У силовых установок, предназначенных для больших сверхзвуковых, скоростей полета π_с.р увеличивается до 15. 20 и более. Сужающиеся сопла в этих условиях дают большие потери тяги из-за недорасширения газа. Поэтому возникает необходимость применения сверхзвуковых (сужающе-расширяющихся) сопел, (сопел Лаваля, эжекторных сопел, сопел с центральным телом и др.).

2. КОНСТРУКЦИЯ ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВА ДВИГАТЕЛЯ РД-33-2С.

2.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВА.

Выходное устройство (ВУ) представляет собой сверхзвуковое, регулируемое реактивное сопло (PC) с изменяемыми, в зависимости от режимов работы двигателя, площадями критического и выходного сечений.

ВУ также включает в себя систему синхронизации дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла, механизм перепуска, механизм обратной связи и систему гидроцилиндров, объединенных в два кольцевых браслета, с помощью которых изменяются площади критического и выходного сечений сопла.

2.2 КОНСТРУКЦИЯ ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВА.

Внутренний контур PC образован 24 малыми створками (суживающейся части сопла) и таким же количеством больших створок (расширяющейся части сопла). Малые и большие створки подразделяются на ведущие и ведомые.

Ведущие малые створки своими проушинами крепятся к фланцу корпуса ФК, а с другой стороны соединяются пальцами с ведущими большими створками. Малые ведомые створки крепятся к корпусу ФК посредством пальцев, входящих в проушины корпуса ФК, а с ведомыми большими створками — также пальцами. Во внутренней поверхности малых створок приклепаны пластины теплозащитного экрана.

Малые ведомые створки заходят своими краями в щель, образованную между экраном и ведущей створкой.

Большие ведущие и ведомые створки соединяются между собой при помощи коромысел, размещенных на ведомых больших створках и опирающихся на смежные ведущие большие створки.

Внешний профиль сопла образует двенадцать ведущих и двенадцать ведомых створок. Каждая из ведущих створок тремя винтами крепится к двум коромыслам, которые с помощью проушин и пальцев соединены с балкой. Ведущие и ведомые створки входят телескопически одной стороной под обтекатель, смонтированный на корпусе ФК, а с другой стороны ведомые створки вставлены своими зацепами в прорези коромысел. Выход из зацепления ведомых створок с коромыслами ограничен ведущими створками.

Система синхронизации сужающейся и расширяющейся частей сопла обеспечивает согласованное движение створок при изменении профиля проточной части сопла, а также препятствует деформации поперечного сечения сопла при действии неравномерного давления на внешний контур и от разности усилий от гидроцилиндров.

Система синхронизации дозвуковой части сопла представляет собой замкнутую кинематическую цепь из подвесок шарниров, которая установлена на малых воздушных створках.

Система синхронизации расширяющейся части выполнена аналогично.

Для предотвращения механических ударов между элементами PC при переводе его с одного режима на другой, за счет выравнивая давлений в магистралях подвода и отвода топлива в гидроприводе управления выходным сечением сопла, служит механизм перезапуска.

Механизм перезапуска состоит из клапана перепуска, рычага, кулачка и двух тяг.

2.3 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОПЛОМ.

Система управления соплом предназначена для создания усилий, необходимых для изменения профиля проточной части сопла и удержания его в рабочем положении. Система состоит из гидравлической и механической частей.

Гидропривод критического сечения сопла включает в себя двенадцать гидроцилиндров 6 (рис. 1 а), охватывающих систему малых створок в виде браслета, два клапана постоянного расхода 1, два гидрошарнира 3, два блока гидрошарниров 2. Рабочий коллектор 4 и коллектор слива 5.

Гидропривод выходного сечения сопла имеет аналогичную структуру, за исключением того, что в его систему включен клапан перепуска 1 (рис. 1 б).

Гидрошарнир и блок гидрошарниров предназначены для обеспечения угловых перемещений трубопроводов при изменении проточной части PC.

Клапан постоянного расхода предназначен для поддержания данного расхода топлива для охлаждения системы гидроприводов PC.

Механическая часть системы управления соплом состоит из серег и тяг.

Малые ведущие створки 13 (рис. 2) через серьги 4 соединяются со штоками 3 гидроцилиндров 5. Серьги 4 через тяги 2 соединяются с системой синхронизации сужающейся части сопла.

Большие ведущие створки 12 через серьги 6 соединяются со штоками 9 гидроцилиндров 11 и через балки с наружными створками 1 (рис. 2) серьги 6 через тяги 10 соединяются с подвесками шарниров 7, входящих в систему синхронизации расширяющейся части PC.

Информация о фактическом положении створок сужающейся части сопла выдается в регулятор сопла и форсажа (РСФ) механизмом обратной связи, который состоит из тяги 4 (рис. 3), рычагов 3 и тросиков 2. Система «тяга — рычаг — тросик» соединяет малую ведущую створку 5 с РСФ.

3. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ И ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВА ДВИГАТЕЛЯ РД-33-2-С.

3.1. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФКС.

На ФК допускается:

на узлах и деталях: цвета побежалости и сажевые отложения;

— на экранах диффузора и жаровой трубы: коробление до 2 мм от исходного профиля; обгорание кромок по периметру на длине до 10 мм и площадью до 30 мм в квадрате, не более 2-х на каждом экране; обгорание заклепок в местах развальцовки на длине по периметру не более 3 мм и на глубину не более 1 мм. Число обгаров на каждом экране не более трех.

— на стабилизаторах ФК: коробление полок до 10 мм от исходного профиля; обгорание полок по длине до 100 мм по периметру и площадью до 500 мм 2 в квадрате в количестве не более 25 на всех стабилизаторах;

— прогар карбюраторных трубок со стороны PC диаметром до 5 мм не более 4-х на каждом стабилизаторе.

3.2 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВУ.

На PC допускается:

— на узлах и деталях: цвета побежалости, сажевые отложения;

— на створках PC: коробление внутренней или наружной створки на 5 мм от исходного профиля, до 5-и вмятин на каждой наружной створке (надстворке) размером не более 30 х 30 х 0,8 мм;

— один поперечный или продольный гофр на наружной створке (надстворке) шириной до 6 мм и глубиной до 1,5 мм;

— износ поверхности внутренней створки до толщины 0,5 мм в месте контакта с трущейся деталью;

— обгорание кромок экрана внутренней створки площадью до 10 мм.

— обгар электрода (приемной трубки) датчика ДПИ на длине до 45 мм от конца электрода;

— отгиб электрода от датчика до 5 мм и загрязнение на датчике;

— обрыв нитей канатов обратной связи.

Забоины и задиры на поверхности трубопроводов гидроуправления выходной части PC.

Повреждения, выходящие за пределы допустимых отклонений, выявленные до выработки PC своего ресурса, устраняются силами завода — изготовителя по его документации.

ВЫХОДНЫЕ И РЕВЕВЕРСИВНЫЕ УСТРОЙСТВА

Выходное устройство служит для преобразования потенциальной (тепловой) энергии газа за турбиной в кинетическую, а также для отвода газа от двигателя в атмосферу с наименьшими тепловыми и гидравлическими потерями обеспечивая при этом защиту элементов самолета от нагрева.

В ТВД и турбовальном двигателе (ТВаД) тепловой перепад в основном срабатывается на лопатках турбины компрессора или свободной турбины, и выходное устройство служит только для отвода продукта сгорания за пределы самолета.

Выходные устройства классифицируются:

По типу двигателя:

выходное устройство ТВД;

выходное устройство ТВаД;

выходное устройство ТРД;

выходное устройство ТРФД;

выходное устройство ТРДД;

По скорости полёта (истечения газов):

По изменению площади выходного сечения сопла:

По изменению вектора скорости на выходе из сопла:

с реверсом тяги;

с девиатором тяги;

Условия работы выходных устройств:

температура газов t=1000. 1100 о С;

изменение температурного поля ∆ t=80…150 о С;

скорость газового потока С=500…1000 м/с;

пульсации скорости ∆q=50…100 м/с;

давление газов Р=(0,2…0,5) МПа;

пульсации давления =(0,02…0,5) МПа;

коррозионные и эрозионные продукты сгорания активной среды;

Общие требования к выходным устройствам

2. Минимальная масса и габариты. Масса выходного дозвукового устройства составляет (8…10) % от массы двигателя. Масса сверхзвукового выходного устройства составляет больше 20% от массы двигателя.

3. Удобство эксплуатации.

5. Малая стоимость.

9.1 НЕРЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА

Часть теплоперепада рабочих газов у ТРД срабатывается в тур­бине, а часть в выходном устройстве рис.9.1.

Рис. 9.1. Выходное сопло: 1- выхлопная труба; 2 – насадок сопловой; 3 – стойки радиальные; 4 – конус обтекатель

Выходные устройства служат для выхода из двигателя отра­ботавших в турбине рабочих газов и создания при этом реактив­ной тяги. Выходное устройство ТРД представляет собой выхлопную трубу 1 и сопловой насадок 2 (рис.9.1), которые в сборе называют выходным (реактивным) соплом.

Выхлопную трубу крепят к корпусу турбины. Внутри нее с по­мощью радиальных стоек 3 укрепляют конус-обтекатель 4 диска турбины, который обеспечивает плавный переход газового потока от кольцевого сечения на выходе из турбины к круговому сечению выхлопной трубы. Выхлопную трубу выполняют в виде усечен­ного конуса, образуя для газов канал с постоянными или с не­сколько расширяющимися проходными сечениями.

Для вывода газов за пределы самолета выхлопную трубу ча­сто наращивают за счет установки дополнительной, так называе­мой удлинительной трубы (рис.9.2).

Рис.9.2 . Схема выхлопного устрой­ства: 1 – выхлопная труба; 2 – внутренний конус; 3 – стойка; 4 – удлинительная труба; 5 – реактивное сопло

Подводить газ к сопловому насадку необходимо с минимальными потерями. Возможно две схемы выполнения выхлопной трубы:

Схема 1. Выхлопная труба образована прямолинейными коническими поверхностями 1 и 2 при этом площадь несколько уменьшается, а скорость увеличивается. Однако из-за технологической простоты 4/5 всех двигателей выполняется по этой схеме.

Схема 2. Площадь и скорость постоянны до реактивного насадка что требует специального профилирования внешней поверхности 1 и конуса обтекания 2.

В выходном устройстве двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков включаются также смеситель 7 и камера смешения 9 (рис.9.3), устанавливаемые непосредственно за турбиной

Рис.9.3. ТРДД со смешением потоков: 1 – КНД; 2 – второй контур; 3 – КВД; 4 – камера сгорания; 5 – турбина ВД; 6 – турбина НД; 7 – смеситель; 8 – реверсор; 9 – камера смешения; 10 – выходное сопло

Смесительное устройство обеспечит смешение воздуха второго контура и газов первого контура на небольшой длине и с минимальными потерями. Нерегулируемые выходные устройства с сужающимися сопловыми насадками применяются при дозвуковых и относительно небольших скоростях полёта из-за конструкторской простоты.

При М=1,5…1,7 потери тяги в простом сужающемся сопловом насадке составляют (20…30)%, а при М=3 потери тяги составляют уже 70%, поэтому применение таких выходных устройств ограничено М

Глава 8 входные и выходные устройства авиационных силовых установок

8.1.Типы входных устройств и их классификация

Входные устройства ГТД предназначены для забора воздуха из окружающей атмосферы, подвода его к двигателю с наименьшими потерями и осуществления процесса сжатия этого воздуха от скоростного напора.

Основным элементом входного устройства (ВУ), является воздухозаборник (ВЗ).

В зависимости от типа ЛА входное устройство может включать в себя также защитные устройства от попадания пыли и посторонних предметов, створки перепуска, системы управления пограничным слоем; средства регулирования и пр.

У дозвуковых ЛА сжатие воздуха от скоростного напора является не очень значительным (или может совсем отсутствовать) и ВУ осуществляет в основном только функции забора и подвода воздуха к двигателю в нужном количестве с малыми потерями.

Применяемые на различных ЛА ВУ отличаются большим разнообразием типов и конструктивных форм. Диапазон скоростей полета ЛА и требования к его маневренным свойствам оказывают наибольшее влияние на облик ВУ. Соответственно самолетные ВУ подразделяют на:

— дозвуковые — числа M крейсерского полета, не превышающие 0,8…0,9. Устанавливаются на самолетах гражданской авиации, военно-транспортных самолетах ина вертолетах. В силовых установках этих ЛА сжатие воздуха осуществляется в основном компрессором, а повышение давления от скоростного напора невелико. Простая конструкция. Их выполняют нерегулируемыми.

— трансзвуковые — большие дозвуковые крейсерские и относительно небольшие сверхзвуковые максимальные скорости полета (М_Н

Рис. 8.1.Схема дозвукового

где и– значения осредненного полного давления воздуха на выходе из ВУ (на входе в двигатель) и полного давления в набегающем на ЛА воздушном потоке (рис. 8.1).

При дозвуковых скоростях полета сжатие воздуха от скоростного напора сопровождается лишь небольшими потерями на трение и вихреобразование, и поэтому значение лишь немного меньше единицы. При сверхзвуковых скоростях полета, помимо указанных потерь, возникают дополнительные, связанные с возникновением скачков уплотнения, вследствие чегосущественно снижается.

Потери полного давления воздушного потока в воздухозаборнике ведут к пропорциональному снижению полного давления потока воздуха или газа во всех элементах двигателя, что в конечном свете ведёт к снижению тяги (или мощности) двигателя. Поэтому первым требованием к входным устройствам является обеспечение максимально возможных значений коэффициента восстановления полного давления на основных режимах полёта.

2. Коэффициент внешнего сопротивления с_х.вх, служащий для определения внешнего сопротивления ВУ:

где Х_вх – сила внешнего сопротивления ВУ; F_м‑площадь миделя ВУ; q= – скоростной напор набегающего воздушного потока.

Обеспечение минимальных значений с_х.вх на основных режимах полета ЛА является вторым важнейшим требованием к ВУ.

3. На сверхзвуковых скоростях полета еще одним параметром ВУ являетсякоэффициент расхода , равный отношению действительного расхода воздуха G_в к максимально возможному при данной скорости и высоте полёта и данных размерах воздухозаборника. Следовательно,  = G_в/G_в.max= F_н/F_вх, причем в сверхзвуковом полёте всегда .

Кроме двух указанных выше требований, к входным устройствам предъявляются еще ряд требований, среди которых отметим:

допустимый (по устойчивости работы компрессора) уровень неравномерности и нестационарности потока на выходе из ВУ;

защищенность ВУ, а, следовательно, и двигателя, от попадания пыли и посторонних предметов;

низкая стоимость, надежность работы и простота обслуживания.