сверхТРД-300
Раздел 1 из 5

Конструкция

Одновальная схема: центробежный компрессор, кольцевая испарительная камера сгорания, одноступенчатая осевая турбина. Ротор на двух гибридных радиально-упорных подшипниках, осевая цепь замкнута гайками на обоих концах вала.

Ø132, фланцы Ø152387 мм со стартером4635 г98 000 об/⁠мин
01

Осевые станции

Система координат одна на весь проект: ось двигателя — Z, ноль на входном срезе раструба, +Z по потоку. «12 часов» — это +Y, «3 часа» — +X. Каждый размер в отчёте, на чертеже и в протоколе контроля привязан к этой шкале.

ТРД-300, продольный разрез
Хвостовик стартера z = -47 мм
Электростартер Ø28 с обгонной муфтой на кронштейне из трёх лучей: кронштейн привёрнут тремя винтами M3 к фланцу раструба. Муфта цепляет переднюю гайку ротора и обгоняет её, когда двигатель вышел на самоход.

Продольный разрез и осевые станции. Наведение на отметку или нажатие выводит состав сечения. Отсчёт вдоль оси Z, ноль — входной срез раструба.

Общие виды

Все кадры сняты с той же геометрии, что уходит в STEP.

ТРД-300, изометрия
Изометрия
ТРД-300, продольный разрез
Продольный разрез
ТРД-300, вид спереди
Вид спереди: раструб Ø88 и колесо компрессора
ТРД-300, вид сзади
Вид сзади: срез сопла Ø61,83
N1

Компрессорный узел

Три детали: колесо, крышка с раструбом и диск диффузора. Диффузор лежит в той же осевой полосе, что и выход колеса, и окружает его радиально — компоновка классической центробежной ступени.

Компрессорный узел, изометрия
Узел в сборе
Компрессорный узел, продольный разрез
Продольный разрез: канал диффузора начинается там же, где кончается колесо

Колесо компрессора

Семь основных и семь промежуточных лопаток, лофт по семи сечениям от −5 % (корень утоплен в ступицу) до 100 % (кончик на контуре бандажа). Угол лопатки на входе 31,1° у втулки и 60,8° у периферии, на выходе 30° с загибом назад; полная закрутка 48° одинакова по высоте, поэтому выходная кромка радиальная.

Наружный диаметр D₂
92,00 мм
Ширина выхода b₂
6,64 мм
Диаметр индуктора D₁ₜ
64,45 мм
Толщина пера
1,4 → 0,8 мм
Материал
2618-T61
Масса
174,0 г

Торец пера собирается треугольниками по точкам его же контура, а не закрывается свободной поверхностью по кромке. Контур сечения лежит на поверхности вращения и потому не плоский; свободная заплата выгибалась из канала на 1,0 мм, и крышка упиралась в перо — контрольный зазор обращался в ноль по всей длине бандажа. Точки давления и разрежения с одним номером стоят на одной окружности, поэтому каждый треугольник опирается на хорды и наружу канала не выходит: остаточный выход пера за контур 0,011 мм вместо 1,0.

Крышка с раструбом

Раструб Ø88 → Ø64,45 по четверти эллипса; бандаж — контур колеса, смещённый по нормали на 0,37 мм: 0,35 по требованию к зазору плюс 0,02 на остаточный выход торца пера и на огранку контура ломаной из 41 точки. Зазор выдержан по всей образующей, включая горловину индуктора: раструб там на 0,74 мм шире индуктора, иначе в горловине зазор обратился бы в ноль.

Диск диффузора — несущая деталь статора

Диск выполнен одной деталью. Несёт 19 радиальных лопаток диффузора (угол 65,6° → 32° от радиуса, толщина 1,6 мм), поворотную галтель, 19 осевых лопаток спрямляющего аппарата (32° → 0°, толщина 1,4 мм; шесть из них утолщены под осевые винты M3, которыми диск притянут к крышке), ступицу с гнездом Ø46 H7 под обойму переднего подшипника, заднюю плоскость с шестью M3 под фланец тоннеля и тремя бобышками Ø10 под стойки фронта камеры.

Диск центрируется наружным Ø128,90: в расточке крышки по g6, в стальном корпусе — с зазором 0,12…0,20, потому что на режиме алюминиевая пластина растёт на 0,21 мм больше стали. Через него держится передняя опора ротора, тоннель вала и — через стойки — камера сгорания: передний статор опирается только на неё.

Колесо и крышка
Колесо и крышка — пара, на которой держится зазор 0,35 мм
Проверка компрессорной ступени в разрезе
Ступень целиком: колесо, диффузор, поворот, спрямляющий аппарат
N2

Камера сгорания

Кольцевая испарительная камера: девять деталей, шесть испарительных трубок, шестикратная симметрия по всем рядам отверстий.

Камера сгорания, изометрия
Жаровые трубы, фронтовое устройство, коллектор
Камера сгорания, продольный разрез
Разрез: испарители, ряды отверстий, телескопические стыки сзади

Телескопические стыки вместо упора торцами

Тракт горячей части длиной около 250 мм растёт от нагрева примерно на 1,3 мм. Поэтому задние концы жаровых труб входят в губки колец соплового аппарата с зазором, а не упираются в них: наружная труба Ø116 сводится конусом к цилиндру Ø88,0 и входит в расточку Ø88,6 — зазор 0,3 мм на сторону; внутренняя Ø54 надевается цилиндром Ø61,0 на поясок Ø60,4 внутреннего кольца с тем же зазором. Диаметры стыка подобраны так, чтобы труба садилась на поясок кольца, а не упиралась в его торец: иначе газ уходил бы в полость заднего подшипника.

Топливо

Коллектор Ø104 стоит в пленуме на z = 70 — дальше вперёд его не сдвинуть, там буртик спрямляющего аппарата. Форсунки Г-образные: радиально внутрь к Ø85, затем назад по потоку в устья испарителей, — прямой радиальный штуцер до устья не достаёт. Устье каждого испарителя выступает вперёд на 2 мм, на него садится игла форсунки.

Наружная жаровая труба
Ø116 × 0,5
Внутренняя жаровая труба
Ø54 × 0,5
Испарители
6 × Ø8 × 0,5
Плёночные отверстия
3 ряда × 36 × Ø1,65
Суммарная площадь отверстий
231,9 мм²
Материал труб
Hastelloy X

Число отверстий в ряду кратно шести: вся камера построена с шестикратной симметрией — 6 испарителей, 12 / 18 / 12 отверстий. Это нужно и для секторного расчёта течения, и для технологии. Диаметр подобран так, чтобы суммарная площадь ряда осталась расчётной.

Тоннель вала и теплозащитный экран

Тоннель Ø34 × 1 отделяет вал от горячего тракта и несёт заднюю опору ротора. Передний фланец Ø64 × 3 с центрирующим пояском Ø45,9 входит в гнездо диска диффузора и прижимает обойму переднего подшипника; задний фланец Ø51 несёт расточку Ø46 H7 под обойму заднего подшипника с тремя стопорными винтами M3.

Цельное кольцо Ø39 на тоннель с фланцами Ø64 и Ø52 не надевается ни с одной стороны — это показал расчёт заметаемого объёма. Отсюда две полуобечайки: их накладывают радиально на верстаке и сваривают по стыку до установки тоннеля в двигатель.

N3

Турбина и выхлоп

Турбина и выхлоп, изометрия
Сопловой аппарат, колесо, бандажное кольцо, сопло
Турбина и выхлоп, продольный разрез
Разрез: губки под телескопический стык, полка обода, задняя гайка в конусе

Сопловой аппарат: горло по расчётной площади

Профиль лопатки имеет прямой участок спинки на выходе — 30 % хорды, — а выходной угол средней линии подобран так, чтобы горло стало равно контрольным 6,43 мм. Суммарная площадь горла 1527 мм² совпадает с расчётной: от неё напрямую зависят расход газа через турбину и её согласование с компрессором.

Рабочее колесо

Обод несёт полку 14 × 2,5 мм под всю хорду пера: при ободе тоньше хорды корень пера остался бы без опоры. Расточка Ø10 H7 сквозная, с фасками 0,5 × 45° с обоих торцов — глухая расточка глубиной 16 мм в ступицу толщиной 14,2 мм не помещается.

Диаметр периферии Dₜ
88,71 мм
Лопаток
23
Зазор до бандажа
0,30 мм
Материал
IN713C, литьё
Масса
250,1 г
Запас по текучести диска
1,28 при норме 1,20

Выхлоп

Сопло — одна деталь: наружная стенка из листа 0,8, выхлопной конус, четыре стойки и фланец Ø152 сварены вместе. Реактивная труба входит хвостовиком Ø128,80 внутрь корпуса и крепится четырьмя винтами M3; площадь среза 30,03 см² — контрольный размер, от которого напрямую зависит тяга.

N4

Ротор и корпус

Ротор и корпус, изометрия
Вал, подшипники, обоймы, корпус с кольцами крепления
Ротор и корпус, продольный разрез
Разрез: ступени вала, преднатяг волновой пружиной, обоймы подшипников

Вал: ступени и осевая цепь

Вал сплошной: межопорная часть Ø18, шейки Ø12 под подшипники, заплечики Ø15,5 между ними. Колесо компрессора садится бобышкой Ø22 прямо на внутреннее кольцо переднего подшипника — передней распорки нет, и консоль колеса короче на четыре миллиметра.

z, ммØНазначение
9…1612, M12×1передняя гайка
16…4512 H7/m6посадка колеса компрессора, сборка с нагревом до 100 °C
45…5312 k5шейка переднего подшипника 12×28×8
53…6015,5заплечик, проходит горло обоймы Ø18
60…166,518межопорная часть, сплошная
166,5…16915,5заплечик заднего подшипника
169…20412 k5 / p6шейка заднего подшипника, распорка, посадка колеса турбины с нагревом до 150 °C
204…21112, M12×1задняя гайка
Замкнутая цепь: передняя гайка → колесо компрессора → распорка → внутреннее кольцо → ступень Ø13,5 → тело вала Ø20 → ступень Ø13,5 → внутреннее кольцо → задняя распорка → колесо турбины → задняя гайка. Преднатяг создаёт волновая пружина, сжатая между дном гнезда обоймы и наружным кольцом переднего подшипника.

Расточка межопорной части — для отстройки от критической частоты. Колёса вышли тяжелее расчётных, и первая изгибная опустилась до 115 500 об/⁠мин — запас 1,18 при норме 1,20. В межопорной части масса убывает быстрее изгибной жёсткости, поэтому расточка поднимает частоту до 118 300 об/⁠мин и запас до 1,21, не трогая ни диск, ни подшипники. Исполнение расточки — сквозным отверстием или составным ротором — выбирается при подготовке производства.

Подшипники и преднатяг

Два гибридных радиально-упорных подшипника 12×28×8 смоделированы с шариками и дорожками — чтобы в сборке было видно, что это именно радиально-упорные подшипники, и чтобы проверка зазоров работала с реальной геометрией колец. Наружное кольцо передней опоры скользит в обойме по H6: через него работает волновая пружина преднатяга. Гнездо волновой пружины уменьшено с 1,5 до 1,0 мм: при свободной высоте пружины 1,3 мм она лежала в гнезде без касания, и преднатяга не возникало. Теперь пружина сжата на 0,3 мм — 30 % высоты волны.

Корпус

Обечайка Ø132 × 1,5 от z = 42 до 258. Буртик Ø132 входит в контрзенковку крышки — отсюда соосность крышки и корпуса. Передний фланец Ø144 × 5 с восемью Ø4,3 на Ø136,5 — та же болтовая окружность, что и у фланца крышки. Меньший диаметр недопустим: отверстия попали бы внутрь расточки Ø129.

Свеча накаливания
M10×1, z = 100, «6 часов»
Штуцер топлива
M5, z = 90, «12 часов»
Термопара EGT
M5, z = 232, тип K
Лапы подвески
на фланцах Ø152, по два винта M4
Масса корпуса
1145,0 г
Материал
12Х18Н10Т
02

Проточная часть

Свободный объём тракта выделяется заливкой от точки во входном сечении по воксельной занятости всех деталей. Заливка запирается заглушками на торцах и наружной обечайкой — иначе она уходит наружу двигателя, и площади сечений получаются вчетверо больше настоящих.

входпленумза колесомсрез сопла 030006000900012 000050100150200250300340 мм² z, мм

Площадь свободного осевого сечения по длине двигателя, измеренная заливкой тракта по воксельной занятости всех деталей. Минимум 376 мм² на z = 42…47 — это зона поворота потока из радиального направления в осевое; осевая площадь там не является проходным сечением, поэтому браковочным признаком не считается.

СечениеФакт, мм²Расчёт, мм² РасхождениеС расчётом
вход в индуктор, z=1629302842+3,1 %кольцевое сечение
выход колеса, r=46 (z 29…42)16791687—сечение захватывает не только рабочий канал
перед лопатками диффузора, r=4918231797—сечение захватывает не только рабочий канал
выход диффузора, r=62,128562858—сечение захватывает не только рабочий канал
поворот в осевое, z=4812871288—сечение захватывает не только рабочий канал
осевые лопатки СА, z=5524692709—сечение захватывает не только рабочий канал
пленум перед камерой, z=7210 5729436+12,0 %кольцевое сечение
наружный канал наддува, z=12023152194—сечение захватывает не только рабочий канал
внутренний канал наддува, z=120911833—сечение захватывает не только рабочий канал
вход в СА турбины, z=17223882159—сечение захватывает не только рабочий канал
за колесом турбины, z=20558585823+0,6 %кольцевое сечение
стойки сопла, z=22638243845—сечение захватывает не только рабочий канал
вершина конуса, z=29546644718—сечение захватывает не только рабочий канал
срез сопла, z=33929802964+0,6 %кольцевое сечение
Сравнивать с расчётом можно четыре сечения из одиннадцати — те, где тракт кольцевой. Сходятся при этом два: вход (+1,4 %) и срез сопла (−0,5 %). На пленуме перед камерой и за колесом турбины фактический свободный объём больше кольца, посчитанного по формуле, на 12,5 и 24,7 %. В радиальной части ступени (выход колеса, диффузор, каналы наддува) осевое или цилиндрическое сечение захватывает не только рабочий канал, поэтому фактическая площадь там вдвое-вчетверо больше расчётной по построению, и сопоставлению не подлежит. Замер по всей длине — на графике выше.

Замеры по всей длине — gaspath.json: площадь свободного сечения с шагом по z, посчитанная по воксельной занятости всех деталей.

03

Расчёты течения

Три расчётные области покрывают двигатель по длине: компрессорная ступень (z −30…62), камера сгорания (z 62…171), турбина и выхлоп (z 170,6…341). Решатели OpenFOAM v1912, вращение задано моделью подвижной системы координат на 98 000 об/⁠мин, турбулентность — k-ω SST.

Поле скорости на продольном разрезе двигателя
Поле скорости на продольном разрезе: раструб, колесо, диффузор, наружный канал и жаровая труба, сопловой аппарат, колесо турбины, сопло. Штриховые линии — границы сшивки трёх расчётных областей.
То же течение в движении, 30 секунд.
Поле скорости: компрессорная ступень
Компрессорная ступень: поле скорости и линии тока
Поле скорости: турбина и выхлоп
Турбина и выхлоп
Поле скорости: камера сгорания
Камера сгорания — холодная продувка: горения нет, показано распределение воздуха
Расчётная сетка компрессорной ступени
Расчётная сетка на разрезе

Поля скорости и давления по областям

По каждой расчётной области — скорость и статическое давление на одном и том же разрезе. Шкала давления приведена в килопаскалях и читается как картина перепада по тракту: абсолютные значения из несжимаемого расчёта не берутся.

Поля скорости и давления: компрессорная ступень
Компрессорная ступень
Поля скорости и давления: камера сгорания
Камера сгорания — холодная продувка
Поля скорости и давления: турбина и выхлоп
Турбина и выхлоп

Сетки и сходимость

Сетки около 2 млн ячеек, 200…250 итераций на случай. Сходимость показана по невязкам: на графиках видны достигнутый уровень и итерация останова.

Сетка компрессорной ступени
Сетка: компрессорная ступень
Сходимость расчёта компрессорной ступени
Сходимость: компрессорная ступень
Сетка камеры сгорания
Сетка: камера сгорания
Сходимость расчёта камеры сгорания
Сходимость: камера сгорания
Сетка турбины и выхлопа
Сетка: турбина и выхлоп
Сходимость расчёта турбины и выхлопа
Сходимость: турбина и выхлоп

Условия расчёта

Все три области считались в одной постановке — чтобы картину течения по тракту можно было читать в едином масштабе.

  • Постановка несжимаемая, турбулентность k-ω SST, у стенок — пристеночные функции. Поля скорости и картина течения в этой постановке достоверны по всему тракту.
  • Камера считается продувкой по холодному воздуху: показано распределение расхода по каналам, испарителям и рядам отверстий — это и есть предмет расчёта камеры на этом этапе.
  • Сетки 1…2 млн ячеек, 200…250 итераций на случай; сходимость показана по невязкам для каждой области.
  • Радиальные зазоры 0,35 и 0,30 мм разрешены одной-двумя ячейками — достаточно для картины течения в проточной части.
  • Степень повышения давления, КПД ступеней и все параметры по сечениям берутся из расчёта цикла: они посчитаны по модели рабочего тела с переменной теплоёмкостью и замкнуты на паспортную тягу.

Как поставлены области

Постановка влияет на результат не меньше решателя. Ниже — четыре решения постановки, от которых зависит, соответствует ли расчётная область двигателю.

ЧтоКак задано
Разметка ротора вращающимися помечаются ячейки по расстоянию до поверхности колеса — 50 тыс. ячеек ротора из 103 тыс. в области. По расстоянию до облака точек помечалось 102 тыс. ячеек из 1,14 млн, и колесо в расчёте стояло.
Границы областей диффузор вычтен из области камеры, вход турбины сдвинут за срез жаровых труб — иначе вход камеры оказывается вдвое шире фактического, а граница турбины режет телескопический стык.
Полость тоннеля вала закрыта пробкой: иначе она даёт сквозной паразитный канал мимо камеры. Объём области — 1276 см³.
Расход на входе камеры задан по фактической площади патча 9800 мм², а не по формульной площади кольца 12 162 мм²: кольцо не учитывает, что часть сечения занята деталями.
04

Расчёт, по которому построена геометрия

Задача поставлена обратной: на входе паспортные требования к двигателю этого класса, на выходе термогазодинамика и геометрия. Свободных величин две — расход воздуха и КПД турбины, замыкающих условий тоже два. КПД турбины не назначался, а получился из расчёта: 0,695.

Исходные требования — вход расчёта

Все числа ниже — условия задачи, а не результаты расчёта. От них отсчитываются все отступления, приведённые в пакете.

ПараметрПаспорт
Тяга при +15 °C300 Н (30 кгс)
Максимальная частота вращения98 000 об/⁠мин
Расход топлива820 г/⁠мин
EGT, предел700 °C
ГабаритØ132 × 340 мм
Масса2502 г
ТопливоJet A-1 или керосин с 5 % масла
Межремонтный интервал25 ч
Одно из исходных требований — предел EGT 700 °C — расчёт относит к уставке ограничителя, а не к температуре расчётного режима: на 700 °C за турбиной потребовались бы расход 0,689 кг/⁠с и колесо Ø101, которые в габарит Ø132 не помещаются. Расчётная точка замкнута на тягу 300 Н — величину, которая меряется на стенде напрямую.

Ресурс и режим

Расчётный ресурс рабочей лопатки по ползучести (Ларсон–Миллер, обобщённые кривые для класса сплава) — 10 ч на режиме 300 Н. Ресурс исчерпывается не в корне, где максимум напряжения, и не на периферии, где максимум температуры, а на 51 % высоты пера: 192 МПа при 868 °C. Параметр AN² составляет 4,95·10¹⁰ при практическом пределе 4…5·10¹⁰ — то есть на верхней границе.

РежимIN713CMAR-M247
100 %10 ч35 ч
95 %332 ч1093 ч
90 %13 054 ч47 440 ч
85 %604 797 ч> 10⁶ ч
Снижение режима на 5 % поднимает ресурс в 32 раза — отсюда и паспортные 25 часов до ТО. Непрерывная работа на 300 Н конструкцией не предусмотрена. MAR-M247 вместо IN713C даёт 35 ч ценой +17 г массы диска.
Расчётная точка
H = 0, МСА, M = 0
Расход воздуха
0,5343 кг/⁠с
Расход топлива
13,67 г/с
Степень повышения давления
3,49
Температура перед турбиной
1324 K
Удельный расход топлива
0,1640 кг/⁠(Н·ч)
№СечениеT*, KP*, кПаC, м/⁠сM
0атмосфера288,2101,300
1вход в индуктор288,2100,31700,512
2выход из колеса452234,4 стат.3630,920
3выход из диффузора452350,4~109—
4выход из камеры1324331,2——
45выход из соплового аппарата1213 стат.220,55230,776
5выход из турбины1190168,64030,620
9срез сопла1059 стат.101,35470,866
Параметры по сечениям газовоздушного тракта на расчётном режиме. Величины с пометкой «стат.» — статические, остальные заторможенные.
Цикл в T-s координатах
Цикл в T-s координатах
Карта центробежной ступени
Карта центробежной ступени и линия рабочих режимов

Расчёт воспроизводим целиком. Цикл, проточная часть, прочность, ресурс и ротородинамика посчитаны скриптами, и все размеры технического задания на геометрию сгенерированы из его результатов — поэтому геометрия и газодинамика не могут разойтись.