Введение к работе
Актуальность работы.
Совершенствование авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) с целью улучшения их тяговых характеристик и экономичности сталкивается с необходимостью решения комллекса актуальных проблем обеспечения надежной и эффективной работы двигателей, которые возникают на различных стадиях их проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта.
Надежность ГТД закладывается при его разработке в стадии НИОКР, а работы по обеспечению его надежности продолжаются на всех стадиях освоения серийного производства, эксплуатации и ремонта.
При самом удачном конструкторском проекте ГТД, передаваемом в серийное производство, возникают проблемы обеспечения заявленных характеристик на всех стадиях жизненного цикла ГТД.
На стадии передачи в серийное производство разработанной конструкции ГТД важно выполнить комплексную оценку его надежности и экономической эффективности для своевременного планирования и реализации мер повышения эффективности по его основным узлам, в первую очередь по турбине и компрессору. Отсутствие такого подхода может надолго задержать доводку ГТД, повысить стоимость и привести к его невостребованности заказчиком или к снижению надежности эксплуатации, летным происшествиям, авариям и катастрофам.
В связи с этим необходим обоснованный выбор направлений исследований в этом плане по узлам компрессора и турбины, особенно вследствие несовершенства известных технологий изготовления малоразмерных слож-нопрофильных лопаток компрессора методами точной штамповки или вальцовки. Что касается изготовления лопаток турбин с монокристадлической структурой, то выбор технологий литья лопаток с низкоградиентными температурами на базе лечей ПМП-2 или литья с высокоградиентными процессами направленной кристаллизации на базе печей типа УВНК 8П становится принципиальной проблемой в вопросах надежности и качества двигателя и эффективности производства.
Труднопрогнозируемые на стадии разработки ГТД возможные его дефекты в эксплуатации в условиях серийного производства ставят неожиданные и сложные задачи локального ремонта ГТД в условиях эксплуатации без возврата на базовый и ремонтные заводы.
Важнейшее значение для выполнения всей траектории полета самолета от взлета до посадки имеет реверсивное устройство, устанавливаемое на его силовой установке и, конкретно, на двигателе. Уже при взлете для его прекращения в чрезвычайных ситуациях требуется экстренное торможение через режим «прерванный взлет». Во-вторых, при посадке самолета эффективное торможение может быть достигнуто применением реверса тяги. И, в-третьих, ставится задача применения его для аварийного снижения самолета, например, при разгерметизации кабины самолета. Поэтому, все современные гражданские самолеты, как правило; снабжаются реверсом тяги.
В то же время вопросы проектирования, исследования, освоения и эксплуатации реверсивных устройств в литературных источниках отражены неполно, тогда как в траектории полета самолета участок его посадки является важнейшим по сложности и обеспечению безопасности полета.
В этом плане особенно важно решить следующие проблемы взаимной работы системы самолет - двигатель - реверс тяги:
устранение неустойчивой работы ГТД и забоин на лопатках компрессора при посадке самолета на участке пробега по взлетно-посадочной полосе (ВГТП) из-за попадания выхлопных газов из реверсивного устройства и попадания посторонних предметов с ВПП на его вход;
обеспечение стабильной работы привода и системы управления исполнительными органами РУ;
устранение неустойчивой работы ГТД из-за особенностей внутренней аэродинамики ГТД на участке: загурбинный диффузор - поворотные створки РУ - отклоняющие решетки РУ;
обеспечение путевой устойчивости и управляемости самолета при включении РУ в полете;
разработку универсальной методики оценки эффективности РУ в двуединой задаче: обеспечение устойчивой работы ГТД и заданной тормозной дистанции.
Авиационная «наследственность» ГТД при его конвертировании для наземного применения (требование времени по созданию двойных технологий), главным образом в качестве привода в газоперекачивающих агрегатах, и газотурбинной установки в тепловых электростанциях, приводит к необходимости дополнительных мероприятий по обеспечению его надежности, эффективности и к поиску новых концепций энергетической установки на базе авиационного ГТД.
Цель работы.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы в рамках комплексной системы обеспечения надежности и эффективности авиационной техники разработать концепцию доводки ГТД, снабженного реверсом тяги, а также конвертированного на его основе ГТД для наземного применения, с учетом его авиационной «наследственности» на стадии серийного освоения и производства и реализации этой концепции на моторостроительном заводе.
Основные задачи исследования.
1. Разработка методов оценки эффективности и надежности различных
типов приводов для реверсивного устройства ГТД и разработка математиче
ской модели пневмопривода на базе пневмомотора типа Руте с оптимизацией
статических и динамических (в том числе тормозных) характеристик.
2. Разработка моделей пространственной ориентации реверсивных
струй и условий их попадания на вход в двигатель и разработка методик рас
чета скоростей посадки самолета и режимов работы двигателей, при которых
определяется граница попадания по гидродинамическому параметру qv, а
также разработка средств для исключения-попадания на вход в двигатель ре
версивных струй из РУ и посторонних предметов с ВПП.
-
Разработка методики оценки эффективности работы РУ при различных способах зашиты ГТД от попадания на его вход реверсивных струй.
-
Разработка модели процессов неустойчивой работы ГТД из-за за-кру гки потока газа за турбиной и разработка средств защиты от неустойчивой работы.
-
Разработка средств обеспечения путевой устойчивости самолета при включении РУ в полете для целей аварийного снижения самолета, управления режимами полетного малого газа при уходе самолета на второй круг, а также отработки элементов пилотирования применительно к посадке космического корабля .\(н о го кратного пользования.
-
Разработка средств повышения эффективности производства и обеспечение надежности и высокого качества лопаток компрессора и турбины современного ГТД, в том числе за счет разработки высокоэффективных средств контроля геометрии и структуры лопаток турбины и компрессора.
-
Разработка методов и средств повышения эффективности конвертированных авиационных двигателей при наземном применении с учетом их авиационной наследственности, как то: недостаточный располагаемый ресурс, воздействие высоких температур выхлопных газов на конструкции наземных систем выхлопа, сложность привязки к существующим наземным энергоблокам при необходимости утилизации низкопотенциальной энергии и др.
Научная новизна.
В ходе освоения, доводки и эксплуатации двигателей НК-8-2У (самолет Ту-1 54Б), НК-86 (самолет Ил-86), ШС-8-4 (самолет Ил-62) и освоении двигателя Аи-22 (самолет Ту-324) выполнен комплекс исследований, позволивший существенно повысить их надежность и эффективность с внедрением в серийное производство совокупности разработок:
технологического комплекса производства малоразмерных сложно-профильных лопаток компрессора с виброимпульсной электрохимической обработкой для окончательного формообразования пера лопаток;
технологического процесса литья рабочих лопаток турбины с низкоградиентным процессом направленной кристаллизации и реализации программы внедрения литья с высокоградиентной направленной кристаллизацией;
высокоточной лазерной оптикоэлеггронной измерительной системы для контроля сложно-профильных лопаток турбокомпрессора ГТД;
диагностики лопаток турбины на перегрев с помощью голографиче-ских интерферограмм;
технологии ремонта ГТД в условиях эксплуатации;
совершенствования систем САР и САУ, маслосистемы, системы консервации.
Исследованы основные закономерности пространственной ориентации, реверсивных струй при их взаимодействии со встречным потоком и ВПП и условия их попадания в воздухозаборник ГТД.
Разработана методика оценки эффективности работы РУ.
Обоснован выбор типа привода створок РУ. Разработана математическая модель привода. Исследованы статические и динамические характеристики привода. Разработаны и исследованы системы торможения привода.
Проведены исследования внутренней аэродинамики ГТД при включении РУ и разработаны средства для исключения срывных явлений на решетках РУ.
Исследованы задачи применения РУ в полете и варианты увеличения путевой устойчивости самолета при включении РУ в полете с целью отработки режимов аварийного снижения самолета и режимов пилотирования летающей лаборатории для тренировки космонавтов на невесомость.
Разработаны средства повышения эффективности конверсированных авиационных двигателей при применении их в составе газоперекачивающих агрегатов в качестве привода нагнетателя. Предложена концепция создания на базе авиационных ГТД стационарных автономных установок для тепло- и электроснабжения отдельных потребителей, позволяющая утилизировать низкопотенциальную энергию выхлопных газов для отопления близкорасположенных объектов, а отопление бытовых и жилых помещений, теплоснабжение которых посредством горячей воды связано со значительными тепловыми потерями, осуществлять с помощью тепловых насосов.
Практическая значимость.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты были использованы при разработке и доводке реверсивных устройств в составе двигателей НК-8-4, НК-8-2У, НК-86 (соответственно самолеты Ил-62, Ту-154Б, Ил-86).
Отдельные разработки использованы для оптимизации режимов торможения при посадке нового самолета Ту-204.
Разработан комплекс мероприятий по защите ГТД от попадания на его вход выхлопных газов и обеспечения его устойчивой работы.
Разработаны способы устранения неустойчивой работы ГТД, вызванные конструктивными особенностями газовоздулшого тракта ГТД на участке между турбиной и реактивным соплом.
Разработана инженерная методика определения границ попадания выхлопных газов на вход в ГТД по гидродинамическому параметру qv.
Показатель надежности систем реверсирования тяги на двигателях НК-8-2У и НК-86К,соо со значений 0,19...0,21 с начала их эксплуатации доведен практически до нуля.
Разработаны мероприятия по увеличению путевой устойчивости самолета при включении РУ в полете для отработки режимов посадки космического аппарата «Буран» и режимов тренировки космонавтов на невесомость.
Освоение новых двигателей АИ-22 для самолета Ту-324 и НК-38СТ для газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц16 и ГПА-16 «Волга» в настоящее время проводится с внедрением разработанных технологий лопаточного производства.
Основные результаты работы внедрены на следующих предприятиях: ОАО КМПО (Казань), АО КПП «Авиамотор» (Казань), АНТК им.А.Н.Тупо-4
лева (Москпа), ОАО Газпром, Волготрансгаз, Самартрансгаз, Тюменьтранс-газ, Казанский аэропорт.
К защите представлены:
выбор привода РУ, статические и динамические характеристики пневмомотора. Тормозные характеристики привода. Математическая модель пневмомотора;
характеристики взаимодействия реверсивных струй, встречного потока и ВПП (внешняя аэродинамика РУ);
характеристики внутренней аэродинамики РУ при его включении;
результаты исследований РУ при включении его в полете для решения новых задач применения РУ в полете;
технологии производства и ремонта ГТД на стадиях его серийного освоения, производства и экхплуатации:
новые концепции совершенствования ГПА и ТЭС на базе авиационного привода.
Апробация работы.
Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на:
IV Всесоюзном симпозиуме по пневматическим приводам и системам управления (Тула, 1981);
конференции «Новые технологические процессы и надежность ГТД» (Москва, ЦИAM, 1981);
- V Всесоюзном совещании по турбулентным течениям (Таллинн,
1985);
X Международной конференции по автоматике (София, 1996);
XV Конгрессе международной конференции по промышленной энергетике (Лейпциг, 1996);
XX Всемирном газовом конгрессе (Копенгаген, 1997);
1ІГ .международной конференции «Новые энергетические системы и преобразования энергии» (Казань, 1997);
II Международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (Казань, 1998);
VIII Всемирном конгрессе «Высокие технологии в нефтегазовой промышленности» (Казань, 1998);
Всероссийской научной конференции «Тепловые двигатели в XXI веке. Фундаментальные проблемы теории и технологии» (Казань, 1999);
V Международном симпозиуме «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования» (С.Петербург, 1999);
IX Всемирном конгрессе «Высокие технологии в нефтегазовой промышленности» (Уфа, 1999);
V Международном научно-техническом симпозиуме, «Авиационные технологии XXI века» (Жуковский, 1999);
III Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Н.Новгород, 1999).
'. . 5;
- II Международной выставке «Энергосбережение» - семинар (Москва, 2000).
В целом работа докладывалась на расширенном заседании кафедры ВРД КГТУ им.Л.Н.Туполева (Казань, 2000).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 118 работ, в том числе 84 авторских свидетельства и патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, заключения, списка литературы, изложена на страницах основно-
