Воздушные двигатели низкого давления - Автомобильный журнал
Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Воздушные двигатели низкого давления

КВД и ТНД

О разработке в России авиационных деталей из алюминида титана

Снизить общую массу летательного аппарата, одновременно сохранив или улучшив его эксплуатационные характеристики, — один из способов усовершенствовать любой современный пассажирский самолет. Это позволило бы, например, уменьшить расход топлива в полете или разместить в самолете дополнительное оборудование. Облегчить конструкцию летательного аппарата можно, в частности, за счет использования новых материалов, поиск которых для нужд авиастроения ведется практически непрерывно. Например, применение деталей из алюминида титана в авиационных турбореактивных двигателях позволяет существенно снизить массу силовой установки. Над разработкой таких деталей ученые из НИТУ «МИСиС», в партнерстве с которым написан этот материал, активно работают с 2010 года в рамках федеральной целевой программы.

О чем речь?

Развитие современной гражданской пассажирской авиации в значительной степени определяется экономическими факторами: самолеты должны быть недорогими, перевозить много пассажиров, расходовать мало топлива и иметь невысокую стоимость обслуживания. Так, добиться уменьшения расхода топлива позволяют турбовентиляторные двухконтурные двигатели, которые сегодня устанавливаются почти на все гражданские реактивные пассажирские и грузовые самолеты. Конечно, гражданские турбовентиляторные двигатели не могут обеспечивать быстрый набор скорости и выход, например, на сверхзвуковую скорость полета, но зато они расходуют меньше топлива и издают меньше шума, чем реактивные двигатели боевых самолетов. Фактически отцом современных двухконтурных авиационных двигателей в апреле 1941 года стал советский конструктор Архип Люлька, запатентовавший новый вид силовой установки.

Турбореактивный двухконтурный двигатель с вентилятором большого диаметра (турбовентиляторный двигатель) состоит из двух частей. Одна из них — внутренний контур. В его состав входят зона компрессоров, камера сгорания, одна или несколько турбин и сопло. В полете воздух затягивается и немного сжимается вентилятором — самым большим и самым первым винтом по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину. Последняя представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина напрямую или через редуктор связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины газовый поток попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя.

Вторая часть двигателя — внешний контур — зачастую представляет собой направляющий аппарат, воздуховод и, в некоторых случаях, собственное кольцевое сопло. Во время полета часть немного сжатого вентилятором воздуха, не попавшая во внутренний контур, попадает в направляющий аппарат, где тормозится. Из-за торможения давление в воздушном потоке повышается. Затем сжатый воздух поступает в воздуховод, а затем — в сопло и формирует остаток тяги. В современных турбовентиляторных двигателях гражданских самолетов основная часть тяги, вопреки мнению далеких от авиации людей, формируется не внутренним контуром, а вентилятором и внешним контуром — на их долю в общей тяге силовой установки может приходиться до 80 и более процентов. В отличие от турбореактивных двигателей боевых самолетов, где бо́льшую часть тяги создает как раз внутренний контур.

Вентилятор, компрессор, турбина в авиационном двигателе представляют собой воздушные винты с лопатками особой формы, которые позволяют сжимать поступающий воздух или преобразовывать линейное движение воздушного потока во вращательное. Часть этих элементов работает в зоне очень высоких температур. Например, температура в зоне турбины может достигать 1,8 тысячи Кельвинов. По этой причине та же турбина должна изготавливаться из жаропрочных, но в то же время легких сплавов. В современных двигателях лопатки компрессора и турбины выполняются из никелевых сплавов, причем существующие технологии литья позволяют создавать такие элементы полыми с сохранением общих показателей прочности и температурной устойчивости. Это позволяет снизить массу деталей из никелевых сплавов. Однако в современных авиационных двигателях все чаще применяется и новый материал — алюминид титана.

Одним из наиболее распространенных сплавов на основе алюминида титана является TNM-B1. В НИТУ «МИСиС» начиная с 2010 года была проведена целая серия научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью повысить качество отливок из интерметаллидного сплава TNM-B1 и получить российский сплав-аналог на основе алюминида титана. Эти работы проводились совместно с Уфимским государственным авиационным техническим университетом. Исследования велись группой ученых под руководством директора Инжинирингового центра «Литейные технологии и материалы» НИТУ «МИСиС» профессора Владимира Белова. Работы по изготовлению литых деталей из интерметаллида Ti-Al, проведенные на базе предприятия «ОДК УМПО», предусматривали использование импортного сплава TNM-B1 на основе титана с массовой долей Al 28,6 ± 0,7 процента, Nb — 9,2 ± 0,5, Mo — 2,3 ± 0,5 и B — 0,026 ± 0,05 процента и с содержанием примесей: H

Турбина всему голова

В эволюционном развитии гражданской авиации настал момент для нового перелома

Читать еще:  Характеристики шаговых двигателей таблицы

Michael E. Iacovella / Edelman

Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.

Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.

Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.

Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло.

K. Aainsqatsi / wikipedia.org

Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.

Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.

В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.

Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.

Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.

Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300

Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором

Hamilton Sundstrand Corporation

Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.

Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.

Читать еще:  Двигатель s6d на каких машинах

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором

Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.

Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.

В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.

Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.

Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.

Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.

Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.

Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.

С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.

Воздушные двигатели низкого давления

Первый отечественный турбореактивный двухконтурный авиационный двигатель

К концу 40-х гг. прошлого столетия возможности поршневых моторов оказались полностью исчерпаны. После Второй Мировой войны практически все конструкторские двигателестроительные фирмы активно занимались разработкой авиационных газотурбинных двигателей. Пермские конструкторы вплотную приступили к их разработке в 1953 году, когда ОКБ-19 возглавил Павел Александрович Соловьев.

В пермском КБ был проведен большой объем работ по исследованию различных схем воздушно-реактивных дви­гателей, в результате чего была выбрана перспективная схема двухконтурного турбореактивного двигателя, обеспе­чивающая топливную экономичность на всех режимах работы двигателя и, особенно, на высоких дозвуковых скоростях полета. Идею двухконтурного турбореактивного двигателя в свое время предложил замечательный советский авиаконструктор А.М. Люлька

В 1956 году было начато проектирование двухкаскадного турбореактивного двухконтурного двигателя Д-20 с форсажной камерой (ТРДДФ), который предполагалось использовать на бомбардировщике А.Н. Туполева. Было изготовлено пять опытных двигателей, однако, проект самолета был закрыт

В 1960 году под руководством Павла Соловьева на базе ТРДДФ Д-20 соз­дается первый серийный двухконтурный турбореактивный двухвальный двигатель Д-20П (П – пассажирский). Его успешные государствен­ные испытания утвердили двухконтурную схему как основ­ную в отечественном авиадвигателестроении.

Читать еще:  Хорошая диагностика двигателя в хабаровске

Непросто шло освоение Д-20П на серийном заводе имени Я. М. Свердлова (ныне «ОДК-ПМ»). Даже квалифи­цированные сборщики не сразу смогли уловить все техни­ческие особенности нового двигателя. Было необходимо быстро решать возникающие вопросы по изготовлению и испытанию изделий. Для этой цели в 1961 году была создана первая ведущая бригада по серийному сопровождению двигателя Д-20П. С ее помощью были устранены такие дефекты, как вибрация двигателя, искрение при задевании лабиринтов сопловых аппаратов о диски турбины, резонансные колеба­ния рабочих лопаток первой ступени компрессора низкого давления и др.

Двигатель Д-20П стал первым отечественным серийным двухконтурным двухвальным двигателем. Всего было изготовлено 1795 двигателей Д-20П

Двигатель Д-20П тягой 5 400 кгс широко использовался в составе силовой установки первого отечественного ближ­немагистрального реактивного пассажирского самолета Ту-124 разработки конструкторского бюро Андрея Туполева.

В 1961 году на базе Д-20П разработан турборе­активный одновальный двухконтурный двигатель Д-21 с форсажной каме­рой для всепогодного стратегического разведчика – первого в мире самолета, способного вести авиаразведку на сверхзвуке на удалении более 1 700 км от аэродрома базирования. Несмотря на то, что самолет был создан в ОКБ-256 под руководством П.В. Цыбина, он, как и двигатель, серийно не выпускался.

Услуги

Прайс листы

Ремонт авиационных двигателей

Двигатели семейства CFM56 – одни из самых распространенных в гражданской авиации. Каждый день они доказывают свою надежность на тысячах воздушных судов по всему миру. Двигатель – это настоящее сердце самолета, которое требует регулярного квалифицированного обслуживания.

Специалисты компании S7 Technics прошли подготовку на базе швейцарского партнера – компании SR Technics и уже сегодня на участках цеха по ремонту авиационных двигателей, расположенных в аэропорту «Домодедово» и «Минеральные Воды» успешно обслуживается более 23 силовых установок в год. Оба участка оснащены всем необходимым оборудованием и готовы принять двигатели в ремонт в кратчайшие сроки.

Внедренная программа LEAN and Continuous Improvement позволяет сотрудникам цеха постоянно улучшать и оптимизировать свою работу, повышая качество выполняемых работ с одновременным сокращением времени выполнения ремонта двигателя.

Специалисты цеха готовы выполнять техническое обслуживание, инспекцию и ремонт двигателей CFM56-3/-5B/-7B как на крыле, так и на снятом компоненте, в том числе с командированием сотрудников и транспортировкой оборудования. В ходе работы проверяются ключевые узлы силовых установок, заменяются компоненты, продлевая период эффективной эксплуатации двигателей. На выполненные работы выписывается сертификат EASA form 1.

Единственный в России цех по ремонту авиационных двигателей CFM56 – это отличная возможность для авиакомпаний из России и ближнего зарубежья решить проблему временных и финансовых издержек при обслуживании силовых установок ВС.

S7 Technics обладает широким рейтингом на ремонты двигателей CFM56-3/-5B/-7B, который включает следующие стандартные виды работ:

  • Внешнюю инспекцию двигателя (Engine general visual inspection)
  • Бороскопическую инспекцию двигателя (Engine borescope inspection)
  • Инспекцию и сертификацию двигателя перед возвратом лизингодателю (Engine redelivery inspection)
  • Замену диска вентилятора (Fan Disc replacement)
  • Замену корпуса вентилятора (Fan Containment Case replacement)
  • Замену лопаток компрессора высокого давления (HPС Top Case repair)
  • Ремонт статорного корпуса компрессора высокого давления с заменой сегментов направляющего аппарата, втулок, уплотнений и т.д. (HPC stator case repair with vanes, bushings and seals replacement, etc.)
  • Замену сегментов первой ступени соплового аппарата турбины низкого давления (LPT stage 1 NGV segments replacement)
  • Замену лопаток турбины высокого давления (HPT rotor blades replacement)
  • Замену сегментов соплового аппарата турбины высокого давления (HPT NGV segments replacement)
  • Замену модулей двигателя: компрессор низкого давления (LPC booster), турбина низкого давления (LPT major module), коробка приводов и самолётных агрегатов (AGB and TGB major modules)
  • Замену подшипника №4 (Bearing №4 replacement)
  • Консервацию снятого двигателя на стенде на срок от 30 до 365 дней, а также продление консервации
  • Выполнение SB 72-0045 по модификации системы VBV на двигателях CFM56-5B (VBV system modification per SB 75-0045 on CFM56-5B engines)
  • Снятие инспекцию и установку внешней обвязки двигателя и агрегатов (QEC, LRU and accessories removal, inspection and installation)

Наши возможности не ограничиваются стандартным перечнем работ. При выполнении ремонтов двигателей CFM56 специалисты S7 Technics используют индивидуальный подход к каждому проекту и готовы разработать и предложить решение под каждый конкретный запрос. Основными приоритетами для цеха по ремонту авиационных двигателей являются высокое качество и короткие сроки выполнения ремонтов. По запросу специалисты S7 Technics готовы предоставить консультационные услуги и услуги по подготовке двигателя к хранению и транспортировке в том числе упаковку двигателя в термоусадочную плёнку.

Более подробную информацию вы можете найти в презентации по ремонту двигателей и ВСУ.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector