Двигатель д-18т - описание и работа ощие сведения

Трехвальный турбореактивный двухконтурный двигатель Д-18Т (рис. I, ) (рис. 2, ) (рис. 3) предназначен для установки на транспортный самолет.

Двигатель имеет большую степень двухконтурности (6 на взлетном режиме) и выполнен по трехвальной схеме с осевым пятнадцатиступенчатым компрессором, промежуточным корпусом, кольцевой камерой сгорания, шестиступенчатой турбиной, реверсивным устройством в наруж­ном (вентиляторном) контуре и раздельными нерегулируемыми выходными соплами наружного и внутреннего контуров.

Особенность трехвальной схемы состоит в разделении ротора компрессора на три самосто­ятельных ротора, каждый из которых приводится во вращение своей турбиной. При этом ро­торы имеют различные оптимальные для них частоты вращения и связаны между собой только газодинамической связью. Схема роторной части двигателя - шестиопорная, т.е. каждый из трех роторов установлен на двух подшипниках.

Выполнение двигателя по трехвальной схеме позволило:

- применить в компрессоре ступени, имеющие высокий коэффициент полезного действия;

- обеспечить необходимые запасы газодинамической устойчивости компрессора;

- использовать для запуска двигателя пусковое устройство малой мощности, так как при запуске стартер раскручивает только ротор высокого давления.

Большая степень двухконтурности двигателя и высокие параметры газодинамического цикла обеспечили его высокую экономичность.

Конструкция двигателя выполнена с учетом обеспечения принципа модульной (блочной) сборки.

Двигатель разделен на 17 основных модулей и 4 подмодуля (рис. 4), каждый из которых законченный конструктивно-технологический узел и может быть (кроме главного модуля) демонтирован и заменен на двигателе без разборки соседних модулей в условиях авиационно-технических баз.

Модульность конструкции двигателя обеспечивает возможность восстановления его исправ­ности заменой деталей и узлов в условиях эксплуатации, а высокая контролепригодность

- возможность обслуживания по техническому состоянию.

Краткое описание

Продольный разрез двигателя представлен на рис. 3.

Компрессор двигателя - осевой, трехкаскадный, состоит из сверхзвукового вентилятора, околозвукового компрессора среднего давления и дозвукового компрессора высокого давле­ния.

Одноступенчатый вентилятор состоит из рабочего колеса, корпуса вентилятора, спрямляю­щего аппарата, вала вентилятора с опорой и вращающегося кока.

Соединение диска рабочего колеса вентилятора с валом и коком - болтовое. Каждая лопатка крепится к диску хвостовиком "елочного" типа с двумя зубьями.

Рабочие лопатки вентилятора имеют антивибрационные полки, контакт которых между собой в колесе вентилятора выполнен с предварительным натягом.

Спрямляющий аппарат разборной конструкции. На внутренней поверхности в передней части наружного кольца спрямляющего аппарата крепятся легкосъемные панели шумоглушения.

Вал вентилятора соединен с валом турбины вентилятора шлицами. Рабочее колесо вентилятора с коком, вал вентилятора и ротор турбины вентилятора образуют ротор вентилятора, установленный на двух подшипниках. Оба подшипниковых узла ротора вентилятора имеют масляные демпферы.

Компрессор среднего давления (КСД) - семиступенчатый, состоит из переднего корпуса, статора и ротора КСД. Обтекатель переднего корпуса разделяет поток воздуха за рабочим колесом вентилятора по контурам.

В переднем корпусе КСД смонтированы неподвижный направляющий аппарат вентилятора и регулируемый входной направляющий аппарат (РВНА) КСД, узлы передних подшипников роторов вентилятора и КСД.

Направляющие аппараты и рабочие кольца всех ступеней вместе с корпусом образуют статорную часть КСД.

На корпусе КСД установлены 8 клапанов перепуска воздуха (КПВ) из-за 3-й ступени КСД и рычажный механизм управления РВНА. КСД.

Внутреннюю поверхность наружного контура двигателя в зоне КСД формирует каркас со съемными панелями шумоглушения.

Из условий обеспечения модульности конструкции двигателя корпус КСД и каркас с панелями шумоглушения входят в главный модуль двигателя, а направляющий аппарат 7-й ступени КСД - в промежуточный корпус.

Ротор КСД - барабанно-дисковой конструкции. Сварные барабаны 1-4 ступеней и 6-7 ступеней, диск 5-й ступени соединены с передним и задним валами и между собой при помощи болтов, рабочие лопатки крепятся в дисках хвостовиками типа "ласточкин хвост".

Ротор КСД соединен с ротором турбины СД при помощи шлицев. В сборе эти узлы образуют ротор среднего давления.

Ротор СД установлен на двух подшипниковых узлах, имеющих масляные демпферы. Кроме это­го, передний шариковый подшипник КСД установлен в упругой опоре типа "беличье колесо" с жестким ограничителем хода.

Компрессор высокого давления (КВД) - симиступенчатый, состоит из входного направляюще­го аппарата, ротора, статора, корпуса и клапанов перепуска воздуха из-за 4-й ступени КВД.

Ротор КВД барабанно-дисковой конструкции. Сварной барабан 1-4 ступеней, диски 5-7 ступе­ней, проставки и валы соединены между собой болтами, рабочие лопатки крепятся в дисках хвостовиками типа "ласточкин хвост".

Ротор КВД соединяется с ротором турбины высокого давления при помощи болтов и образует ротор высокого давления, установленный на двух подшипниковых узлах, имеющих масляные демпферы. Кроме этого, передний шариковый подшипник КВД установлен в упругой опоре типа "беличье колесо" с жестким ограничителем хода.

На корпусе КВД установлены узел фиксации ВНА КВД, 4 клапана перепуска воздуха из-за 4-й ступени КВД, а также патрубки отбора воздуха из-за 2-й и 4-й ступеней КВД на нужды систем самолета.

Для обеспечения модульности узлов двигателя ВНА КВД устанавливается в промежуточном корпусе, а корпус КВД с узлами - на главном модуле двигателя.

Промежуточный корпус расположен между КСД и КВД, служит для формирования переходного канала от' КСД к КВД и канала наружного контура, размещения агрегатов и приводов к ним, а также размещения передней опоры ротора КВД и переднего узла подвески двигателя.

Промежуточный корпус состоит из следующих основных узлов:

- собственно промежуточного корпуса, состоящего из наружной кольцевой оболочки, 6 радиальных стоек аэродинамического профиля, 2 носков пилонов (верхнего и нижне­го), внутреннего корпуса и кронштейна подвески, соединенных между собой с помощью болтов, винтов и шпилек; - коробки приводов; - промежуточного привода; - привода центробежного суфлера; - центрального привода.

Все приводные агрегаты, кроме центробежного суфлера, установлены на коробке приводов и получают вращение через систему зубчатых передач и шлицевых рессор от ротора ВД.

На внутренней поверхности наружной оболочки в передней части по всему периметру, а также между стойками и носками пилонов крепятся легкосъемные панели шумоглушения. Внут­реннюю поверхность наружного канала двигателя между стойками и носками пилонов обра­зуют также легкосъемные панели шумоглушения.

К переднему фланцу наружной оболочки промежуточного корпуса крепится наружное кольцо спрямляющего аппарата вентилятора, к заднему фланцу - реверсивное устройство двигателя.

К носку верхнего пилона сзади крепятся верхняя панель и перегородка, к носку нижнего пилона - нижняя панель и крепежная рамка. Через эти узлы проходят и крепятся к ним трубопроводы систем двигателя.

Через две стойки, расположенные в горизонтальной плоскости, проходит электрическая проводка систем двигателя»

Камера сгорания состоит из корпуса с двумя оболочками, между которыми проходит воздух от 4-й ступени КВД на охлаждение элементов турбины среднего давления, входного диффу­зора со спрямляющим аппаратом 7-й ступени КВД, жаровой трубы кольцевого типа, топлив­ного коллектора, 22 топливных форсунок и 2 пусковых воспламенителей.

В передней части корпуса камеры сгорания установлены клапан перепуска воздуха из-за РЗД при запуске двигателя и патрубок отбора воздуха из-за КВД на нужды систем самолета.

Топливные форсунки - центробежные, одноканальные.

Турбина - трехвальная, реактивная, состоит из турбины высокого давления (ТВД), турбины среднего давления (ТСД) и турбины вентилятора (ТВ).

Одноступенчатые роторы ТВД и ТСД приводят во вращение соответственно роторы КВД и КСД, четырехступенчатый ротор ТВ -ротор вентилятора.

ТВД состоит из соплового аппарата и рабочего колеса.

Сопловой аппарат набирается из 11 отдельных секторов, В секторе 4 сопловые лопатки соединены между собой с помощью пайки.

Лопатки - пустотелые, охлаждаемые воздухом из-за КВД, имеют дефлекторы в передней и задней части лопатки для поджатая охлаждающего воздуха к внутренним стенкам лопатки и систему перфорационных отверстий в стенках профиля лопатки, через которые охлаждаю­щий воздух выходит на наружную поверхность пера лопатки и защищает ее от горячих газов.

Рабочая лопатка ТВД, охлаждаемая воздухом из-за КВД, состоит из хвостовика, ножки, пера и бандажной полки с гребешками. Воздух на охлаждение подводится к хвостовику, проходит по ряду радиальных каналов в теле пера лопатки и выходит через систему перфо­рационных отверстий на наружную поверхность пера лопатки. В каждом пазу диска устанавливаются по 2 лопатки. Соединение лопаток с диском выполнено хвостовиком "елочного" типа.

Пятиступенчатый передний лабиринт ТВД выполнен на отдельном лабиринтном диске.

Лабиринтный диск и диск ТВД охлаждаются воздухом из-за КВД. ТСД состоит из корпуса опор и рабочего колеса.

В корпусе опор наружная оболочка и радиальные стойки внутреннего корпуса, проходящие внутри полых сопловых лопаток ТСД_} соединены между собой радиальными втулками и стяжными винтами» Через лопатки проходят также трубопроводы масляных и воздушных коммуникаций .

В корпусе опор размещены задние опоры роторов ВД и СД.

Сопловые и рабочие лопатки ТСД охлаждаются воздухом из-за 4-й ступени КВД,

В рабочей лопатке ТСД охлаждаемый воздух, подведенный к хвостовику лопатки, проходит по радиальным каналам в теле пера лопатки и выходит через отверстия на бандажной полке.

Диск ТСД так же, как и все диски ТВ, охлаждается смесью воздуха из-за КСД, из-за 4-й ступени КВД и из-за КВД.

Соединение рабочих лопаток ТСД и всех ступеней ТВ с дисками выполнено хвостовиками "елочного" типа.

ТВ состоит из ротора и статора.

Статор ТВ состоит из корпуса и четырех сопловых аппаратов (СА), набранных из отдельных литых секторов по четыре лопатки в секторе СА 1-й ступени ТВ и по 3 лопатки в секторах СА 2-4 ступеней ТВ.

Ротор ТВ - барабанно-дисковой конструкции.

Диски соединяются между собою с проставками и валом ротора ТВ болтами.

Лопатки ТВ как сопловые, так и рабочие неохлаждаемые.

Рабочие лопатки всех ступеней ТВ бандажированы.

Выходное устройство турбины состоит из задней опоры и реактивного сопла внутреннего контура.

В задней опоре расположен роликоподшипник ротора вентилятора.

Реверсивное устройство двигателя - кольцевое, решетчатого типа, с 12 створками, пере­крывающими при реверсировании тяги канал наружного контура двигателя. На режимах пря­мой тяги створки устанавливаются в подвижном корпусе реверсивного устройства заподли­цо с его внутренней поверхностью, формирующей канал наружного контура двигателя на участке между наружной оболочкой промежуточного корпуса и соплом наружного контура.

Система управления реверсивным устройством - гидромеханическая, с использованием масла из маслосистемы двигателя.

Система включает в себя:

маслонасос и гидромеханический привод, устанавливаемые на коробке приводов;

электромагнитный клапан включения подачи масла;

агрегат управления реверсом;

механизм замка реверса;

рычажную систему, соединяющую агрегат управления реверсом с топливным регулятором и реверсным устройством.

Управление работой реверсивного устройства осуществляется рычагом управления реверсом, расположенным в кабине самолета.

Сопло наружного контура двигателя крепится к заднему фланцу неподвижного корпуса реверсивного устройства.

Сопло входит в комплектацию капотов силовой установки и устанавливается на двигатель при его монтаже на самолет, также как и капоты, формирующие канал наружного контура вокруг газогенераторной части двигателя.

Система смазки двигателя — автономная, циркуляционная, под давлением.

Подача масла на смазку осуществляется нагнетающей ступенью маслоагрегата. Шесть откачивающих ступеней маслоагрегата откачивают масло из масляных полостей подшипников роторов двигателя, коробки приводов и маслоотделителя в масляный бак через воздухоотделитель и топливомасляный теплообменник (ТМТ), установленный в топливной магистрали низкого давления между насосами низкого и высокого давления блока насосов.

Охлаждение масла производится топливом.

На двигателе устанавливается также система заправки маслобака маслом, состоящая из бортового штуцера, электромагнитного клапана, светосигнализатора и выключателя.

Суфлирование масляных полостей опор двигателя осуществляется через маслоотделитель, где происходит предварительное отделение масла с последующей откачкой его секцией маслоагрегата. Далее эмульсия направляется в центробежный суфлер, откуда очищенный воздух выбрасывается в атмосферу через патрубок на срезе нижнего пилона капотов сило­вой установки, а масло сливается по трубопроводу в полость промежуточного привода.

Воздушная полость маслобака суфлируется в коробку приводов, которая в свою очередь суфлируется в атмосферу на срез нижнего пилона через центробежный суфлер коробки приводов.

Топливная система обеспечивает подачу топлива в двигатель в количестве, определяемом положением рычага управления двигателем (РУД) и условиями полета, и включает следующие основные агрегаты:

блок насосов;

подогреватель топлива;

топливный регулятор.

Агрегаты системы осуществляют:

автоматическое дозирование топлива при запуске, приемистости, дросселировании и на установившихся режимах;

выдерживание постоянства заданного РУД режима при изменении условий полета (высоты, скорости, температуры окружающей среды).

Электронная система управления осуществляет всережимное ограничение по заданному закону температуры газов за ТСД и ограничение частот вращения всех роторов двигателя.

Запуск двигателя — автоматический. Раскрутка ротора БД осуществляется воздушным турбостартером (ВТС), установленным на коробке приводов двигателя.

В качестве источника сжатого воздуха для раскрутки ВТС используются генераторы сжатого воздуха, установленные на самолете, или наземные источники с аналогичными параметрами воздуха, а также работающий двигатель. Программа запуска определяется автоматической панелью запуска, установленной на самолете.

Система управления регулированием компрессоров включает регулятор РВНА КСД и автоматы управления КПВ КСД и КПВ КВД. Регулятор РВНА КСД управляет по заданному закону положением лопаток РВНА КСД, а автоматы управления КПВ на заданных режимах управляют открытием-закрытием КПВ КСД и КПВ КВД.

На двигателе установлены агрегаты системы энергоснабжения самолета:

привод-генератор с силовыми проводами;

теплообменник воздушно-масляный и масляный фильтр, входящие в маслосистему привода-генератора.

На коробке приводов двигателя выполнены два привода для гидронасосов, устанавливаемых при монтаже двигателя на самолет.

Система защиты двигателя от развития помпажа включает устанавливаемые на двигателе датчик логарифмический и электромагнитный клапан принудительного открытия КПВ КСД, а также электронный преобразователь, расположенный на самолете.

Двигатель оборудован системой контроля тяги двигателя, состоящей из приемников полного давления в соплах наружного и внутреннего каналов двигателя и датчика суммарного отношения давлений.

Датчики и сигнализаторы, установленные на двигателе, выдают сигналы" о параметрах работы и состоянии узлов, систем и двигателя в целом.

На двигателе установлены датчики и сигнализаторы систем:

сигнализации о перегреве во внутренних масляных и суфлируемых полостях двигателя;

измерения степени повышения давления воздуха в компрессоре.

На двигателе установлены датчики и сигнализаторы, контролирующие работу:

системы смазки и суфлирования;

топливной системы;

системы регулирования компрессоров;

системы запуска;

системы энергоснабжения самолета:

систем охлаждения ТВД и ТСД:

системы реверсирования тяги двигателя.

При монтаже на самолет двигатель оборудуется датчиками системы измерения вибраций двигателя.

Информация о состоянии узлов, систем и двигателя в целом поступает на указатели в кабине самолета, в бортовую автоматизированную систему контроля состояния двигателя и в бортовое устройство регистрации полетных данных.

Контроль состояния проточной части двигателя осуществляется с помощью оптического прибора через специальные отверстия, выполненные в корпусах двигателя.

С помощью оптического прибора можно осматривать следующие элементы проточной части:

рабочие лопатки всех ступеней КСД и КВД;

жаровую трубу с форсунками;

сопловой аппарат ТВД;

рабочие лопатки ТВД, ТСД и всех ступеней ТВ.

Двигатель крепится на пилоне под крылом с помощью переднего и заднего узлов подвески.

Передний узел подвески, состоящий из тягового и опорного кронштейнов, соединенных между собой основными и запасными соединительными деталями, расположен в носке верхнего пилона промежуточного корпуса двигателя.

Задний узел подвески крепится с помощью основных и запасных крепежных деталей к верхней части задней опоры турбины.

Система управления двигателем жесткая, состоит из тяг, рычагов, качалок, кронштейнов.

Режим работы двигателя задается рычагом управления двигателем (РУД) из кабины экипажа. Для выключения двигателя используется рычаг останова (РОД) или электрический выключатель, установленный также в кабине экипажа, РУД и РОД воздействует на соответствующие рычаги топливного регулятора, электрический выключатель- на электромагнитный клапан прекращения подачи рабочего топлива, установленный также на топливном регуляторе.

Сущность помпажа двигателя и причины его возникновения

Проточная часть двигателя спрофилирована так, что соответствие площадей проходных сечений и плотности проходящего воздуха получается только при расчетной (номинальной) частоте вращения ротора исходя из условия равенства расхода воздуха перед компрессором и за ним (см. рис. 1а).

Неустойчивая работа двигателя, связанная со срывом потока, главным образом на первых ступенях, нарушением устойчивого течения потока и приводящая к тряске двигателя и резкому росту tвг называется помпажом.

Рассмотрим возникновения помпажа при условиях работы двигателя на нерасчетных (увеличенных и уменьшенных) режимах работы двигателя.

1. При снижении частоты вращения ротора расход воздуха (Gв), степень повышения давления в двигателе (πк) и плотность воздуха (ρв) уменьшаются. Причем на первых ступенях компрессора плотность воздуха уменьшается незначительно, а на последних ступенях происходит значительное падение плотности. Это приводит к тому, что проходные сечения первых ступеней оказываются больше потребных, а последних ступеней – меньше. Из-за этого осевая скорость на входе (С1а) снижается, а на выходе (С2а) – увеличивается. Т.к. осевая скорость снижается на входе в двигатель меньше, чем окружная, то увеличивается угол атаки воздушного потока при обтекании лопаток компрессора, при дальнейшем снижении оборотов угол атаки может стать большим, чем критический, и произойдет срыв потока на «спинке» лопатки и гидроудар в «корытце». Давление в корытце становится больше, чем давление на спинке, возникают вихревые зоны, которые поникают дальше по тракту двигателя и приводят к тому, что часть воздуха из зоны высокого давления «выбрасывается» в зону пониженного давления, то есть, против потока. При помпаже происходит снижение КПД двигателя, πк, возможен срыв пламени в камере сгорания, сильная вибрация, заметно увеличивается потребная мощность для запуска и разгона двигателя (см. рис. 1б).

1а. При дальнейшем снижении скорости вращения ротора осевая скорость на выходе (С2а) может возрасти до такой величины, что фактический угол атаки на последних ступенях станет отрицательным и они перейдут в турбинный режим, при котором в ступенях будет происходить расширение воздуха, удар будет развиваться на «спинках», а срыв – в «корытцах» лопаток. При таком случае срыв потока в глубь тракта не развивается, так как центробежные силы прижимают поток к «спинкам» лопаток, но значительно возрастают гидравлические сопротивления в тракте. Помпаж на запуске и при разгоне двигателя называется «нижним» (см. рис. 1в).

2. При увеличении режима работы двигателя выше расчетного увеличивается Gв, πк и ρв. Для воздуха, имеющего плотность больше расчетной, проходные сечения последних ступеней становятся «слишком большими», поэтому осевая скорость (С2а) становится меньше расчетной и на этих ступенях возникает срыв потока. А проходные сечения первых ступеней становятся меньше расчетных, из-за недостаточной плотности воздух в них «запирается», возникает «верхний срыв».

Меры по редупреждению помпажа на двигателе Д-18Т

Для двигателя Д-18Т случаи помпажа были характерны при работе на взлетном режиме, в значительной степени связанные с недопрогревом двигателя с высокой степенью двухконтурности и связанным с этим перетеканием воздуха через радиальные зазоры ступеней компрессора. Точное выдерживание времени прогрева и процедуры вывода двигателя на взлетный в значительной степени предотвращает вероятность помпажа на больших режимах. Оправданной является рекомендация по увеличенному до 3-х минут прогреву двигателя на режиме 0,7 номинального в условиях высокогорья и высоких температур окружающей среды.

Для предупреждения помпажа и уменьшения потребной мощности для запуска и разгона двигателя Д-18Т предназначены клапаны перепуска воздуха из-за 4 ступени компрессора высокого давления, КПВ 3 ступени компрессора среднего давления и регулируемый входной направляемый аппарат (РВНА) перед КСД.