Развитие системы управления радиальным зазором газотурбинного двигателя по направлениям повышения динамичности технических систем

М.А. Щербаков

 

Введение

В 40-е годы прошлого века началось применение газотурбинных двигателей (ГТД) в авиации. С этого момента не прекращается их развитие. Можно выделить несколько поколений ГТД как по годам их создания, так и по основным параметрам. На данный момент создаются и уже находятся в эксплуатации двигатели пятого поколения.

Рисунок 1 – Потребительский параметр (MPV) и технические параметры ГТД по годам создания

Согласно Законам развития технических систем (ЗРТС) система развивается с целью улучшения своих основных потребительских параметров (MPV) [1] и современные ГТД по этому признаку находятся на третьем этапе развития технической системы. На рисунке 1 показано изменение по годам одного из MPV – удельного расхода топлива, влияющего на экономичность ГТД. Теоретический уровень удельного расхода топлива для ГТД равен, примерно, 0,03 кг/Н*ч.

На удельный расход топлива влияют развитие параметров подсистем двигателя, которые часто не являются потребительскими параметрами. Например, такими параметрами (PV) могут быть температура газов перед турбиной, КПД и степень сжатия компрессора (рисунок 1) и так далее.

В данной статье рассматривается одна из подсистем двигателя – система управления радиальным зазором (СУРЗ), параметры которой также влияют на MPV.

Радиальный зазор (РЗ) измеряется между торцем лопатки ротора и ближайшим элементом статора газотурбинного двигателя. Величина радиального зазора работающего двигателя влияет прежде всего на экономичность, также влияет и на экологические параметры и ресурс. Воздух или газ, проходящий через радиальный зазор не совершает полезную работу в двигателе. Поэтому величину радиального зазора стремятся сделать минимально возможной. На величину радиального зазора влияет множество факторов: точность изготовления, величина и скорость температурной деформации узлов и деталей двигателя, обороты двигателя, движение самолёта, износ двигателя. Отрицательная величина радиального зазора недопустима ни при каких условиях. Это приводит к износу контактируемых деталей и увеличению радиального зазора, либо может привести к поломке роторных лопаток.

В процессе проектирования двигателя часто используют понятие удельного радиального зазора – отношения величины радиального зазора к высоте лопатки (рисунок 2). Из опыта создания и эксплуатации газотурбинных двигателей известно, что 1% удельного радиального зазора приводит потерям КПД компрессора или турбины на 1-2 и более процентов [2, 3]. Особенно это актуально для малоразмерных ГТД – абсолютное значение радиального зазора почти не меняется, а высота лопатки уменьшается с уменьшением размера двигателя.

Рисунок 2 – Радиальный зазор и его влияние на КПД турбины

Данная статья посвящена анализу развития системы управления радиальным зазором в ГТД и обзору типов СУРЗ с точки зрения конструирования ГТД и с точки зрения закономерностей развития технических систем, используемых в ТРИЗ.

 

Общепринятая классификация систем управления РЗ

На рисунке 3 показана обобщённая классификация типов СУРЗ, основанная на распространённых среди инженеров-двигателестроителей классификациях этой системы [4, 5]. Выделенные типы систем – это существующие работоспособные СУРЗ.

Рисунок 3 – Типы систем управления радиальным зазором

Пассивный метод СУРЗ подразумевает обеспечение величины РЗ самой конструкцией двигателя, при этом отсутствует какая-либо настройка величины РЗ в течение работы двигателя. Различают тепловой и газовый пассивные методы. Пассивное тепловое регулирование осуществляется за счёт подбора материалов с необходимыми коэффициентами термического расширения. Пассивное газовое регулирование обеспечивается использованием лабиринтных уплотнений на бандажных полках рабочих лопаток, тем самым повышается гидравлическое сопротивление в РЗ, препятствующее перетеканию воздуха или газа. Оба метода работают наилучшим образом только на одном режиме и с увеличением срока эксплуатации двигателя эффективность снижается за счёт износа прежде всего концов лопаток.

Активный метод регулирования РЗ обеспечивает дополнительную настройку величины РЗ и осуществляется различными методами.

Наиболее распространенной активной СУРЗ является система, использующая тепловое регулирование деталей СУРЗ. Регулировка размеров деталей СУРЗ осуществляется за счёт охлаждения их воздухом. Чаще встречаются программируемые системы: количество охлаждаемого воздуха зависит от режима работы двигателя. Последнее время стали появляться системы обратной связью по величине РЗ и автоматической регуляцией. Этот способ достаточно прост в своей реализации, но существенным недостатком подобных систем является низкая скорость реакции на изменение режима охлаждения – РЗ около одного миллиметра может «закрываться» несколько минут. В тоже время, потребные скорости изменения радиального зазора находятся на уровне 0,25 мм/с [5] и более. Другие типы активной СУРЗ предполагают более высокие скорости срабатывания и диапазоны регулирования, но эти системы не получили широкого распространения. Их существование в основном отмечено только в патентах.

В системах с механическим приводом используется механическое воздействие, из-за которого детали, влияющие на РЗ, деформируются или перемещаются друг относительно друга.

Активное газовое регулирование РЗ использует сжатый воздух с избыточным давлением, подаваемый в систему. Сжатый воздух воздействует либо на поршни, либо на гибкие оболочки, которые, в свою очередь, действуют на статорные детали СУРЗ изменяя величину РЗ.

Система восстановления зазора использует регулирующие элементы, позволяющие на остановленном двигателе компенсировать увеличение РЗ из-за износа. Выполняется на остановленном двигателе.

Существующие системы управления РЗ, относящиеся к тому или иному типу, могут содержать элементы и других типов систем.

Данная классификация типов СУРЗ основывается на уже предложенных и имеющих те или иные возможности воплощения конструкциях. Например, в данной классификации отсутствует способ регулировки при помощи магнитов потому, что многие детали ГТД немагнитны, а высокие температуры приводят к размагничиванию.

К сожалению, представленные типы систем не дают более точного представления о том, как должна выглядеть та или иная система. И что более важно, нет представления о возможном развитии этой системы в будущем. Единственным прогнозом может быть только увеличение динамических свойств системы (скорости и диапазона изменения РЗ), а также увеличение управляемости [5].

 

Классификация по ТРИЗ

Так как СУРЗ должна быстро реагировать на изменение радиального зазора, то есть, быть динамичной, рассмотрим варианты этой системы, а также её эволюцию в рамках одного из законов развития технических систем – закона повышения динамичности технических систем [1]. На рисунке 4 показаны варианты исполнения технической системы по параметрам «Динамизация». Выделенные варианты исполнения – это работающие системы управления радиальным зазором на сегодняшний день. Работоспособные конструкции для остальных вариантов исполнения отсутствуют, либо находятся в состоянии лабораторных образцов, либо представлены в виде патентов или гипотетических конструкций.

Рисунок 4 – Варианты исполнения динамизации системы и современное состояние СУРЗ

Наиболее полно развитие СУРЗ представлено закономерностью «динамизация конструкции системы». Согласно этой закономерности, новые системы часто возникают как монолитные. У первых газотурбинных двигателей (1940 гг.) радиальный зазор образовывался непосредственно корпусом и концом рабочей лопатки. Никаких дополнительных свойств эти элементы не имели. Примером могут служить немецкий двигатель ЮМО-004 (рисунок 5) или советский двигатель ТР-1.

Рисунок 5 – Турбина газотурбинного двигателя Юнкерс ЮМО-004

После освоения первичных технологий и наработки базовой теории по работе ГТД стали появляться системы по регулированию зазоров относящиеся к монолитным, но уже со сдвинутыми характеристиками (переход в развитии ТС к новому варианту исполнения). Выполняется более тщательный подбор материалов по коэффициентам теплового расширения, принимаются во внимание металлоёмкость деталей. Но наиболее заметным примером является использования модифицированного слоя в корпусах: для компрессоров используют специальные притираемые составы, а для турбин, где температура намного выше чем в компрессоре, - вставки с различного вида насечками. В качестве примера – газотурбинный двигатель General Electric J85 (рисунок 6).

Рисунок 6 – Турбина газотурбинного двигателя General Electric J85

Тренд динамизации конструкции системы может быть представлен вариантом исполнения системы с одним или несколькими шарнирами.

Если понимать шарнир как элемент, имеющий степень свободы перемещения относительно другого элемента, то в этом случае современные системы регулирования радиального зазора можно отнести к этому варианту исполнения динамизации системы.

Примером системы с шарнирами может служить СУРЗ газотурбинного двигателя IAE V2500 (рисунок 7)

Рисунок 7 – Турбина высокого давления двигателя IAE V2500

Этот вариант исполнения динамизации конструкции ТС хорошо иллюстрируется СУРЗ с механической регулировкой зазоров (рисунок 8). Однако такие системы встречаются только в патентах. Конструкция достаточно сложная, тяжелая, а главное – требует повышенное внимание к герметизации шарниров.

Рисунок 8 – Патент US 5035573 (Jul. 30, 1991)

Не найдено примеров СУРЗ для варианта исполнения ТС с гибкими связями. Относительно гибкие элементы, в широком смысле, могут встречаться как в вариантах с шарнирами, так и в следующем варианте исполнения динамизации конструкции ТС – в вариантах с оболочками.

Использование давления воздуха в качестве энергии по управлению радиальным зазором достаточно распространено в патентуемых конструкциях: могут наддуваться камеры с подвижным элементом (аналогично пневмоцилиндрам) или оболочки (позиция 68, рисунок 9).

Рисунок 9 – Патент US 5211534 (May 18, 1993)

Пневматический привод, как и электрический, может обеспечить нужные скорости срабатывания системы РЗ.

Другой вариант исполнения динамизации конструкции ТС – это использование безоболочечных объёмов. Подобные конструкции СУРЗ появились раньше «многошарнирных» систем. К ним можно отнести лабиринтное уплотнения совместно с бандажными полками на концах лопаток (рисунок 10, а). Данный тип конструкции широко распространен и часто используется в турбинах газотурбинных двигателей. Примерно в 80-е годы прошлого века появился ещё один пример этого варианта исполнения динамизации конструкции – использование сложнопрофилированных многополостных законцовок рабочих лопаток (рисунок 10, б [6]). Этот тип конструкции также используется в турбинах, но на лопатках, где из-за ограничений по прочности нельзя использовать бандажные полки с лабиринтным уплотнением. Часто в обоих типах конструкции полости наддуваются.

Рисунок 10 – Законцовки рабочих лопаток турбин

Полевая система является ещё одним вариантом исполнения динамизации конструкции. Примером полевой системы может быть СУРЗ с плазменным регулированием (рисунок 11, [7]). Подобные конструкции изучаются во многих лабораториях и планируются к использованию на перспективных газотурбинных двигателях. Полевые системы также проходят несколько ступеней динамизации, но пока публикаций по этому направлению не обнаружено.

 

Рисунок 11 – Плазменная система регулирования радиального зазора

Согласно закономерностям развития технических систем, любая система может развиваться также в направлении динамизации своей структуры. К варианту исполнения линейной динамизации структуры на микроуровне можно отнести все действующие СУРЗ: изменение величины радиального зазора происходит линейно и в зависимости от температуры деталей.

К нелинейной (скачкообразной) и многоуровневой динамизации структуры ТС можно отнести лабораторные варианты плазменной СУРЗ. Других примеров для этих вариантов исполнения автором не найдено. Хотя нелинейная динамизация выглядит перспективной. Например, для предотвращения случайного касания рабочих лопаток о статор или выполнение каких-либо действий с радиальным зазором при резком и неожиданном изменении режимов работы двигателя или резком изменении курса полёта самолёта.

К функциям современной СУРЗ не предъявляются дополнительные требования, кроме как требования обеспечивать заданную величину радиального зазора. Поэтому по степени динамизации функции системы, СУРЗ однофункциональна. Однако многие конструкции СУРЗ могут выполнять (и скорее всего так и есть, просто об этом не думают) функцию защиты соседних агрегатов от лопаток и осколков дисков в случае аварии и разрушения компрессора или турбины (многофункциональная система и динамизация по объектам системы).

Динамизация состава системы. Переход от монолитной СУРЗ к варианту исполнения системы в виде набора пластин позволило варьировать свойства СУРЗ. Примеры СУРЗ других вариантов исполнения динамизации состава системы, например, в виде щёточной конструкции или системы в виде набора незакрепленных стержней, шаров и т.п., в открытых источниках не найдены. Вполне возможно, что переход на эти этапы произойдёт при переходе к другим вариантам исполнения динамизации СУРЗ по структуре и по функциям.

 

Заключение

Классификация систем управления радиальным зазором по ЗРТС даёт большее количество возможных вариантов конструкции, чем принятая в инженерной среде классификация. При этом «инженерная» классификация основывается на существующих вариантах конструкции, а классификация по ЗРТС включает неизвестные варианты. Это позволяет сделать более чёткий прогноз того, как может выглядеть СУРЗ в будущем.

При написании статьи выявлена особенность в понимании ЗРТС: предложенные варианты исполнения систем не являются в общем случае последовательными этапами развития ТС, что показано на примере СУРЗ. Так в случае перехода от монолитной конструкции СУРЗ к монолитной конструкции со сдвинутыми свойствами и далее к шарнирной конструкции, порядок появления варианта СУРЗ совпадает с порядком перечисления вариантов исполнения систем, представленным в [1]. Но в случае безоболоченой конструкции (роторные лопатки с лабиринтным уплотнением) такого совпадения нет, более того варианты исполнения с гибкой связью и с эластичной оболочкой в конструкции СУРЗ не представлены работоспособными конструкциями.

Представленный материал может быть полезен преподавателям ТРИЗ в качестве иллюстрации законов развития технических систем, а также специалистам для нового взгляда на проектирование систем управления радиальным зазором при создании газотурбинных двигателей.

 

Благодарности

Автор благодарит Мастера ТРИЗ к.х.н. С. А. Логвинова за обсуждение темы статьи и помощь в редактировании текста статьи.

 

Список использованных источников

  1. Законы развития технических систем. А. Любомирский, С. Литвин. GEN3 Partners. Февраль 2003. http://www.metodolog.ru/00825/00825.html

  2. Wilson David Gordon, Korakianitis Theodosions. The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines. – 2nd ed. Prentice Hall – 1998.

  3. Холщевников К.В. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин. – Из-во «Машиностроение». М. 1970 – С.612., ил.

  4. Крюков А.И. Некоторые вопросы проектирования ГТД: Учебное пособие. – М.: Из-во МАИ, 1993. – 336 с.: ил.

  5. Turbine engine clearance control systems: current practices and future directions [Text]/ Scott B. Lattime, Bruce M. Steinets // Paper for the 38th Joint Propulsion Conference / Glenn Research Center. 2002. AIAA 20023790.

  6. Design Considerations for Tip Clearance Control and Measurement on a Turbine Rainbow Rotor With Multiple Blade Tip Geometries. S. Lavagnoli, C. De Maesschalck and V. Andreoli. J. Eng. Gas Turbines Power 139(4), 042603 (Nov 16, 2016). Paper No: GTP-16-1352.

  7. Effects of Tip Clearance Size on Active Control of Turbine Tip Clearance Flow Using Ring-type DBD Plasma Actuators. Takayuki Matsunuma, Takehiko Segawa. ISROMAC 2017. Hawaii, Maui.

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Развитие системы управления радиальным зазором газотурбинного двигателя по направлениям повышения динамичности технических систем"