Турбовинтовой двигатель ТВЗ-117ВМА-СБМ1

 

 

                                                     ВВЕДЕНИЕ

 

Тип двигателя, который применяется на летательном аппарате, избирается из условия обеспечения основных требований к ЛА.

В силовых установках современных летательных аппаратов применяются следующие типы газотурбинных двигателей: турбореактивные (ТРД), турбовальные (ТВД), турбовинтовые (ТВД).

В процессе создания авиационного двигателя пытаются удовлетворить технические требования, которые являются общими для двигателей различных типов. Их производят на основе анализа назначения, условий эксплуатации и применения летательного аппарата, и учета технических возможностей реализации предъявляемых требований на современном этапе развития авиации. К числу важнейших относятся требования, предъявляемые к тактико-технических характеристик двигателя, его производственной и эксплуатационной технологичности, боевой готовности, живучести и безопасности полетов, экологичности.

Процесс создания АД включает два этапа:

1) проектирование двигателя;

2) его изготовление и  внедрение в серийное производство.

Проектирование двигателя имеет целью разработку проектной, конструкторской и другой технической документации, предназначенной для осуществления построения и эксплуатации двигателя. Внедрению двигателя в серийное производство, предшествует проведение ряда испытаний.

Газотурбинные двигатели нашли широкое применение в качестве вспомогательных наземных и бортовых силовых установок для системы запуска двигателей, против обледенильних систем, систем кондиционирования воздуха и наддува герметичных кабин. Они обеспечивают привод электрогенераторов, компрессоров, гидронасосов и других агрегатов.

Для сверхзвуковых самолетов создаются ТРДФ и ТРДДФ.

В процессе развития ГТД происходит непрерывное улучшение всех систем и основных узлов двигателя, особенно входных и выходных устройств.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДВИГАТЕЛЕ

           

Турбовинтовой двигатель ТВЗ-117ВМА-СБМ1 предназначен для использования в маршевой установке пассажирского самолета местных воздушных линий Ан-140 и его модификаций.

Двигатель может быть использован в качестве силовых установок и на других пассажирских и транспортных летательных аппаратах.

Принцип работы двигателя следующий: воздух, поступающий на вход двигателя через входное устройство, проходит через компрессор, сжимается и попадает в камеру сгорания, где перемешиваясь с тонкораспыленным топливом, создает топливовоздушную смесь. В результате сгорания этой смеси образуется поток горячего газа. В турбине энергия этого потока преобразуется в крутящий момент, который через трансмиссию передается на воздушный винт. Поток воздуха, отбрасываемый воздушным винтом, создает тягу двигателя.

 

                      Рисунок 1.1 – Двигатель АИ-20

 

Двигатель выполнен по двухвальной схеме с вынесенной трансмиссией привода воздушного винта.

Особенность двухвальной схемы состоит в разделении ротора двигателя на ротор турбокомпрессора, установленный на трех подшипниках, и ротор свободной турбины, установленный на двух подшипниках. Ротор турбокомпрессора и свободной турбины связаны между собой только газодинамической связью, это позволяет использовать для запуска двигателя пусковое устройство малой мощности, так как при запуске стартер раскручивает только ротор турбокомпрессора.

Двигатель состоит: двенадцатиступенчатого осевого компрессора, кольцевой прямоточной камеры сгорания, двухступенчатой турбины компрессора, двухступенчатой свободной турбины, заднего редуктора, валопро- вода, переднего редуктора, коробки приводов агрегатов, систем электро-, топливо- и маслопитания, выхлопного устройства.

Для удобства сборки и ремонта конструкция двигателя выполнена модульной.

Двигатель включает два крупных модуля: газотурбинный привод и редукторная трансмиссия. В свою очередь, эти модули делятся на более мелкие.

 

 

 

 

                        

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    2 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УЗЛА

 

Компрессор двигателя — осевой, дозвуковой, однокаскадный, двенадцати ступенчатый, имеет два клапана перепуска воздуха и поворотные лопатки входного направляющего аппарата и направляющих аппаратов 1...4 ступеней. Отбор воздуха для перепуска производится за 7-й ступенью.

Компрессор двигателя состоит из следующих частей:

• передней опоры компрессора с регулируемым входным направляющим аппаратом (РВНА),
• статора с механизмом управления РВНА и регулируемых направляющих аппаратов (РНА) 1…4-ой ступеней,
• ротора и задней опоры компрессора.

Первая опора двигателя является передней опорой ротора компрессора и состоит из корпуса, кока, конуса, передней и задней крышки, корпуса подшипника с графитовым уплотнением и демпфера.

Корпус передней опоры компрессора является одним из силовых узлов двигателя, расположен между входным устройством и компрессором.

На наружном переднем фланце корпуса опоры крепится входное устройство и фланец подвески с четырьмя шарнирными подшипниками, посредством которых через тяги осуществляется крепление газотурбинного привода к трансмисии.

Во внутренней полости корпуса размещается центральный привод, посредством которого производится отбор мощности от вала компрессора для привода агрегатов, устанавливаемых на коробке приводов.

На вертикальной стойке имеется отверстие подвода воздуха к датчику давления воздуха на входе в двигатель.

Вторая опора имеет шариковый подшипник, крепится к спрямляющему аппарату компрессора и состоит из корпуса опоры, гнезда подшипника, корпусов с графитовыми уплотнениями, крышки лабиринта, узлов графитовых уплотнений и шарикоподшипника. Корпус второй опоры – сварной, изготовлен из титановых листов. К корпусу второй опоры крепится винтами стальное гнездо подшипника, в которое монтируется наружное кольцо шарикоподшипника. Внутреннее кольцо шарикоподшипника разъемное, монтируется на заднюю шейку ротора компрессора с натягом и поджимается через втулки уплотнения и регулировочное кольцо к упорному бурту задней шейки ротора компрессора.

Статор компрессора состоит из корпуса, лопаток поворотных направляющих аппаратов 1...4 ступеней, внутренних колец направляющих аппаратов 1 и 2 ст., консольных паяных направляющих аппаратов, рабочих колец 5... 12 ступеней, спрямляющего аппарата с лопатками НА 12 ст. и лопатками СА.

Корпус составлен из пяти кольцевых проточных проставок, соединяющихся между собой болтами и самоконтрящимися гайками. Центрирование проставок между собой осуществляется призонными болтами. На наружной поверхности 5-ой проставки приварен кольцевой ресивер, который через отверстия в обойме НА 7 ст. соединяется с проточной частью компрессора. На ресивере имеются фланцы для установки клапанов перепуска воздуха. На проставке имеются штуцера, обеспечивающие отбор воздуха для наддува уплотнений первой и охлаждения четвертой- пятой опор двигателя. Отбор воздуха для нужд самолета осуществляется также из-за 9 и 12 ступеней компрессора.

Спрямляющий аппарат задним фланцем крепится болтами к переднему фланцу корпуса камеры сгорания.

Для обеспечения устойчивой работы компрессор имеет регулируемые ВНА и РНА 1...4 ступеней.

Ротор компрессора барабанного типа, изготовлен из двенадцати дисков, соединенных между собой электроннолучевой сваркой, кроме диска первой ступени, который крепится болтами к проставке, приваренной к диску второй ступени. С передней и задней стороны ротора имеются лабиринтные уплотнения. Лабиринт переднего уплотнения выполнен как одно целое с диском первой ступени. Лабиринт задний крепится к диску двенадцатой ступени винтами.

Вал передний крепится к фанцам диска первой ступени.

Рабочие лопатки 1...3 ступеней компрессора крепятся в продольных пазах типа «ласточкин хвост», а лопатки 4... 12 ступеней - в кольцевые пазы типа «ласточкин хвост», в которые лопатки заводятся через специальные окна.

Крутящий момент от вала турбины передается к ротору компрессора через эвольвентные шлицы, выполненные внутри задней цапфы.

Передняя опора ротора компрессора упругая, выполнена с роликоподшипником и имеет узел графитового уплотнения, отделяющий масляную полость роликоподшипника от воздушных полостей. Задняя опора компрессора жесткая, выполнена с шарикоподшипником.

                                     

                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1 - Компрессор

 

                        3 ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Оптимизация выполнена с помощью программы Mathcad:                  

И с х о д н ы е  д а н н ы е

К

к В т

- п о к а з а т е л ь  а д и а б а т ы  в о з д у х а

- г а з о в а  я  п о с т о я н н а я  д л я  в о з д у х а

- у д е л ь н  а я  т е п л о е м к о с т ь  в о з д у х а

В х о д  в  д в и г а т е л ь

К

К

П а

П а

В х о д  в  к о м п р е с с о р

σ в х =0,97...1,0 - к о э ф ф и ц и е н т  в о с с т а н о в л е н и я  п о л н о г о  д а в л е н и я 

С а =140-180 м /с -с к о р о с т ь  н а  в х о д е  в  к о м п р е с с о р

м /с

С т а т и ч е с к и е  и  п о л н ы е  п а р а м е т р ы  н а  в х о д е  в  к о м п р е с с о р :

К

П а

К

П а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ы х о д  и з  к о м п р е с с о р а

η с т =0,88...0,9 - с р е д н е е  з н а ч е н и е  К П Д  с т у п е н и  к о м п р е с с о р а

η м =0,985...0,995 - К П Д  к о м п р е с с о р а ,у ч и т ы в а ю щ и й  п о т е р и  в  е г о  о п о р а х

С а 2=120...140 м /с  - с к о р о с т ь  н а  в ы х о д е  и з  к о м п р е с с о р а

м /с

К П Д  к о м п р е с с о р а  п о  п а р а м е т р а м  з а т о р м о ж е н н о г о  п о т о к а :

С т а т и ч е с к и е  и  п о л н ы е  п а р а м е т р ы  н а  в ы х о д е  и з  к о м п р е с с о р а :

К

П а

К

П а

Р а б о т а  к о м п р е с с о р а :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ы х о д  и з  к а м е р ы  с г о р а н и я

σ г и д р =0,93...0,97 - к о э ф ф и ц и е н т  г и д р а в л и ч е с к о г о  с о п р о т и в л е н и я

σ т е п л =0,97...0,98 - к о э ф ф и ц и е н т  т е п л о в о г о  с о п р о т и в л е н и я

 

 

 

П о л н о е  д а в л е н и е  н а  в ы х о д е  и з  к а м е р ы  с г о р а н и я :

- т е п л о т в о р н а я  с п о с о б н о с т ь  т о п л и в а

- к о л и ч е  с т в о  в о з д у  х а  т е о р е т и ч е с к и  н е о б х о д и м о е  д л я  п о л н о г о  с г о р а н и я

             1 к г  т о п л и в а

С р е д н и е  у д е л ь н ы е  т е п л о е м к о с т и  п р о д у к т о в  с г о р а н и я  и  в о з д у х а  д л я  т е м п е р а т у р н о г о 

и н т е р в а л а  о т  Т о  д о  Т 3_:

С р е д н я я  у д е л ь н а я  т е п л о е м к о с т ь  п р о д у к т о в  с г о р а н и я  и  в о з д у х а  д л я  т е м п е р а т у р н о г о 

и н т е р в а л а  о т  Т 2_ д о  Т 3_:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н е о б х о д и м ы й  к о э ф ф и ц и е н т  и з б ы т к а  в о з д у х а :

О т н о с и т е л ь н ы й  р а с х о д  т о п л и в а :

 

 

 

 

 

 

 

Г а з о в а я  п о с т о я н н а я  п р о д у к т о в  с г о р а н и я :

 

 

 

О р и е н т и р о в о ч н о е  з н а ч е н и е  п о к а з а т е л я  а д и а б а т ы  д л я  п р о д у к т о в  с г о р а н и я :

О р и е н т и р о в о ч н о е  з н а ч е н и е  т е м п е р а т у р ы  к о н ц а  р а с ш и р е н и я  в  д в и г а т е л е :

К

С р е д н и е  у д е л ь н ы е  т е п л о е м к о с т и  п р о д у к т о в  с г о р а н и я  и  в о з д у х а  в  и н т е р в а л е  о т  Т 3_ д о  Т в :

С р е д н я я  у д е л ь н а я  т е п л о е м к о с т ь  д е й с т в и т е л ь н ы х  п р о д у к т о в  с г о р а н и я :