Современные камеры сгорания ТРД и ГТД

Как известно из новостей, российское двигателестроительное предприятие «Климов» (Санкт-Петербург, входит в ОДК) сообщило о том, что до конца 2017 года впервые напечатает на 3D-принтере по аддитивной технологии авиадвигатель. Недавно «Техносфера» сообщала, что в Самаре впервые в нашей стране на таком 3D-принтере по аддитивной технологии из отечественного сырья напечатана и испытана камера сгорания обычного авиационного газотурбинного двигателя ТА-8 (МГТД).

Народ хихикает — мол, чего такого сложного в камерах сгорания. Это же, мол, не турбина. Однако всё совсем не так. Камера сгорания — это самое сложное в турбореактивном двигателе. Именно от нее процентов на 90 зависят параметры двигателя.

Например, в известном двигателе PowerJet SaM146 для Суперджета отечественное НПО Сатурн не справилось именно с камерой сгорания — из-за чего ее пришлось покупать у французской Snecma. Заодно купили и остальную «горячую» часть двигателя, чтобы не столкнуться с проблемами на стыке.

А если вы внимательно посмотрите на линейку пермских моторов ПД (ПД-14 и его деривации) — то вы обнаружите, что весь этот двигатель построен вокруг камеры сгорания, дизайн которой упёрт у Pratt&Whitney. Был у пермяков такой совместный проект по мотору ПС-90 — предполагалось серьезно повысить его параметры, просто инкорпорировав в существующую конструкцию более продвинутую камеру сгорания от PW. Пермяки у канаццев получили документацию на камеру, получили расчетные модели, позволяющие адаптировать камеру к разным давлениям и потокам — а потом кинули канаццев. Те так разобиделись, что поснимали свои моторы с уже готового экспортного Ил-96М «следующей генерации» (это у которого фюзеляж длиннее, чем на Ил-86) и уехали, сказав «ноги нашей в России не будет». Потом этот Ил-96М снабдили обычными ТРДД ПС–90А–2 и выставили под названием Ил-96-400 — но это совсем другая история.

Так вот, все остальные части турбореактивного двигателя — как раз не представляют особых сложностей. Ну разве что турбина высокого давления требует решений по жаростойким материалам и охлаждению лопаток — а так остальное довольно примитивно. Лопатки, хоть и имеют сложную форму — но делаются массово, сериями, сборка колес и промежуточных аппаратов тоже не представляет проблему. Скажу больше — в этих узлах давно нет практически никакого прогресса. Американцы до сих пор сидят на конструкции турбин и нагнетателей, разработанных еще для бомбардировщика B1. Весь прогресс сосредоточен в камерах сгорания, да еще в вентиляторах.

Чтобы все воткнули, насколько сложно сделать камеру сгорания ТРД — вот вам циферки:

Воздушный поток, поступающий на вход в камеру сгорания, может иметь температуру до 700°С и давление до 45 атм. Внутри нее (в факеле) температура может достигать величины порядка 2200°С, а на выходе из него — 1650°С. Тут уместно вспомнить, что температура плавления материалов, из которых изготовлены узлы, где происходит непосредственное горение топлива (так называемая жаровая труба) имеет величину около 1300-1350°С.

Как же это работает? А вот так — горячие газы отжимают от стенок жаровой трубы менее горячими потоками, саму трубу охлаждают, и так далее. Посмотрите внимательно на картинку, которую я запостил — там есть некоторые детали этого процесса. Как вы можете заметить — стенки жартрубы сделаны проницаемыми, снаружи на них имеются радиаторы, ну и так далее.

Перед создателями камер сгорания ГТД стоит также задача обеспечения так называемого устойчивого горения в потоке (а значит, надежности работы). Это приходится делать в условиях, которые для нормального горения и надежного распространения пламени, мягко говоря, малопригодны. Скорости потока очень высоки (иной раз больше скорости распространения пламени), а состав топливо-воздушной смеси часто может находиться вне концентрационной зоны распространения пламени.

При всех этих экстремальных условиях нагреваемые узлы (особенно жаровые трубы) ощутимо меняют свои размеры (ведь тела, как известно, при нагревании расширяются) как в радиальном, так и в осевом отношении. Это заставляет конструкторов принимать специальные меры для компенсации теплового расширения этих узлов во избежание их деформации и потери надежности и корректной работоспособности (чаще всего что-то типа скользящего соединения).

Кроме того при таких высоких температурах создаются отличные условия для газовой коррозии металлов, из которых изготовлены теплонапряженные детали. Ведь они постоянно омываются химически активными газами под большим давлением (до 40 атм) и с большой скоростью потока. Этот неприятный факт может существенно сократить ресурс и надежность КС.

Короче говоря, условия работы камеры сгорания ГТД очень тяжелы и сложно организованы.

А теперь еще учтите, что нарисованная картинка разреза изображает не одиночную камеру сгорания, а ТОРОИД. Тороидальная камера сгорания как бы обнимает приводной вал, идущий от турбин к компрессорам.

Коэффициент полноты сгорания топлива для современных двигателей достигает на расчетных режимах величин 0,98-0,99. Казалось бы — камеры сгорания уже доведены до совершенства? Но это еще не конец. Как известно, эффективность тепловой машины прямо зависит от разницы температур между нагревателем и холодильником. Соответственно топливо в камере сгорания надо не просто сжечь, а выжать из него максимальную температуру. Вдобавок надо обеспечить малую величину показателя неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания (неравномерность отрицательно сказывается на лопатках горячей части турбины).

Это вот кольцевая камера сгорания двигателя НК-32 (самолет ТУ-160). Диаметр — примерно в рост человека. Внутри она очень сложно устроена, там много-много всяких форсунок, направляющих лопаточек и прочего.

Жаровая труба кольцевой камеры сгорания представляет из себя тоже тороид, или набор колец.

Более того. Существуют камеры сгорания с двумя зонами горения, каждая из которых оптимизирована для работы на определенных режимах. Причем бывают двухзонные КС, в которых зоны горения расположены одна за другой последовательно — и двухярусные, в которых зоны горения расположены одна над другой, то есть параллельно.

Хе-хе, как всё непросто, правда?

А ведь начиналось всё весьма простенько:

Это индивидуальная камера сгорания двигателя Rolls-Royce RB.41 Nene — того самого, который сразу после войны СССР купил у англичан, и на клонах которого ВК-1 или РД-45 летала вся советская реактивная авиация первого поколения. Вот из таких керосинок, как на фото в разрезе — там набрана по окружности целая батарея. Воздух к ним подает обычный центробежный компрессор, типа такого, как в пылесосе.

Это вот советский двигатель РД-45 в разрезе.

А на видео в начале статьи вы видите изнутри камеру сгорания популярного двигателя CFM56 производства концерна CFM International (объединение американской частной компании General Electric и французской государственной компании SNECMA). Причем уже хорошо поработавшего.

Эта камера сгорания разработана General Electric. Как известно, двигатели семейства CFM56 напрямую основаны на двигателе General Electric F101, разработанном для стратегического бомбардировщика B-1B Lancer. Но вот именно камера сгорания в CFM56 другая — собственно, в основном ей этот двигатель от F101 и отличается, ну и вентилятором большого диаметра.

Вот это и есть двигатель CFM56 в сборе, а камера сгорания у него — в середине, вот эта вот узкая часть, где много-много трубочек. Вот устройство этой камеры сгорания в разрезе:

Камера сгорания типа DAC для двигателей CFM56. 1 — пилотная зона, 2 — основная зона.

Разумеется, все современные камеры сгорания в той или иной степени не идеальны. Добиться значительного улучшения в них не так-то легко. Сложный и во многом даже тяжелый процесс создания новых КС, преодолевая препоны конструктивного консерватизма, продвигается через множество инженерных и техничеcких компромиссов.

Печать камер сгорания из металлического порошка на 3D-принтере по аддитивной технологии позволяет значительно упростить и ускорить внесение изменений в конструкцию камеры сгорания, что, в свою очередь, должно ускорить прогресс их параметров и доводку двигателей. Ну и, конечно, «порошковые двигатели» можно делать гораздо меньшими сериями, сохраняя конкурентоспособную цену — это особенно актуально для России, не имеющей возможности сбывать свои моторы тысячами в год, как это делают General Electric и Pratt&Whitney.

Настоящий материал самостоятельно опубликован в нашем сообществе пользователем Proper на основании действующей редакции Пользовательского Соглашения. Если вы считаете, что такая публикация нарушает ваши авторские и/или смежные права, вам необходимо сообщить об этом администрации сайта на EMAIL abuse@newru.org с указанием адреса (URL) страницы, содержащей спорный материал. Нарушение будет в кратчайшие сроки устранено, виновные наказаны.

Читайте также:

новые старые
На почту
Ванёк26
Ванёк26

У России три союзника — еще авиация добавилась.

Cachupin
Cachupin

Хорошая статья получилась. Сжато, доступно.