Влияние редуктора на проточную часть современных двигателей с большой степенью двухконтурности

Двигатель – основная часть летательного аппарата, которая определяет его надежность, безопасность полёта и выполнение заявленных характеристик.

Развитие двигателестроения идёт по пути улучшения его удельных термогазодинамических параметров. Лимитирующим фактором в данном случае будет являться низкая частота вращения и, как следствие, большие потери на периферии. Из-за этого появляется необходимость в многоступенчатых турбинах.

Редуктор, установленный между вентилятором и подпорными ступенями в ТРДД, позволяет добиться вращения с разными частотами лопаточных машин, находящихся на одном валу. Постановка в схему двигателя редуктора, который позволит увеличить частоту вращения турбины, может повлиять на количество её ступеней и массу двигателя в целом.

Таким образом, цель данного исследования заключается в создании модернизированной проточной части прототипа двигателя GEnx с внедрением в неё редуктора.

Актуальность исследования подтверждается современными требованиями в развитии двигателестроения, которые направлены на увеличение частоты вращения роторов с целью получения большей работы.

Проектирование начинается обычно с получения от потребителя технического задания на двигатель, где изложены необходимые требования к данным будущего двигателя. Задается величина тяги (или мощности) для нескольких высотных и земных точек, указывается тип двигателя, его масса (вес), габаритные размеры, ресурс, положение центра тяжести и др.

В данном исследовании производилось моделирование двигателя, прототипом которого является двигатель GEnx, устанавливающийся на семейство Boeing 787 Dreamliner family и Boeing 747-8.

Параметры газодинамического расчёта для этого двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения параметров рабочего тела по сечениям

Параметры		Расход рабочего тела	Температура заторможенно го потока	Давление заторможенно го потока
Узел	Сечение	G, кг/с	Т*, К	р*, Па
Вентилятор	В	1137	288,15	100312
	Вll	1137	333,8	160678,6
Подпорные ступени	Вl	108	333,8	160678,6
	КНД	108	344,9	178118,5
Компрессор ВД	вВД	108	344,9	178118,5
	К	105,84	897,3	4096725
Турбина ВД	гВД	108,98	1684,5	4076241
	ТВД	111,13	1195	883144
Турбина НД	гНД	111,13	1195	883144
	Т	113,3	759,7	119056

По данным значениям было произведено моделирование проточной части и произведена верификация полученной модели. Сравнение с прототипом приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема проточной части

Также были рассчитаны некоторые параметры эффективности, такие как коэффициент полезного действия, коэффициенты нагрузки и расхода (данные приведены в таблице 2)

На следующем этапе было необходимо учесть постановку редуктора между вентилятором и подпорными ступенями (рисунок 2).

Рисунок 2 – Место постановки редуктора в схему

Данная постановка редуктора позволяет увеличить частоту вращения подпорных ступеней и турбины низкого давления, не меняя частоту вращения вентилятора, которая лимитируется его прочностными характеристиками. Также это дало возможность уменьшить средние диаметры ПС и ТНД, что привело к увеличению высоты лопаток, что уменьшает потери на трение и, следовательно, повышает КПД, а также к уменьшению числа ступеней. Сравнение модернизированной и исходной схем приведено на рисунке 3.

Рисунок 3 – Сравнение схем проточных частей двигателя

Также для модернизированной схемы были рассчитаны коэффициенты полезного действия и их сравнение приведено в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнение КПД

Узел элемента	КПД ступени
	Исходная схема	Редукторная схема
Вентилятор	91	91
Подпорные ступени	84	87
КВД	88	88

ТВД	90	90
ТНД	93	92

Рисунок 4 – Расположение точек на диаграмме Смита

Добавление в схему редуктора позволило улучшить эффективность подпорных ступеней и турбины низкого давления, что позволило снизить количество ступеней в них. КПД турбины низкого давления снизился незначительно, в то время как количество ступеней упало с семи до трех.

В данной работе, добавление редуктора в схему проточной части двигателя, позволило сократить количество ступеней турбины низкого давления с 7 до 3, а подпорных ступеней с 4 до 2, при этом улучшилась их эффективность.