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.
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.
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.
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.
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.
Камера сгорания
Кольцевая испарительная камера: девять деталей, шесть испарительных трубок, шестикратная симметрия по всем рядам отверстий.
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.
Турбина и выхлоп
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.
Ротор и корпус
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, мм | Ø | Назначение |
|---|---|---|
| 9…16 | 12, M12×1 | передняя гайка |
| 16…45 | 12 H7/m6 | посадка колеса компрессора, сборка с нагревом до 100 °C |
| 45…53 | 12 k5 | шейка переднего подшипника 12×28×8 |
| 53…60 | 15,5 | заплечик, проходит горло обоймы Ø18 |
| 60…166,5 | 18 | межопорная часть, сплошная |
| 166,5…169 | 15,5 | заплечик заднего подшипника |
| 169…204 | 12 k5 / p6 | шейка заднего подшипника, распорка, посадка колеса турбины с нагревом до 150 °C |
| 204…211 | 12, M12×1 | задняя гайка |
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
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.
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.
| Сечение | Факт, мм² | Расчёт, мм² | Расхождение | С расчётом |
|---|---|---|---|---|
| вход в индуктор, z=16 | 2930 | 2842 | +3,1 % | кольцевое сечение |
| выход колеса, r=46 (z 29…42) | 1679 | 1687 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| перед лопатками диффузора, r=49 | 1823 | 1797 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| выход диффузора, r=62,1 | 2856 | 2858 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| поворот в осевое, z=48 | 1287 | 1288 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| осевые лопатки СА, z=55 | 2469 | 2709 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| пленум перед камерой, z=72 | 10 572 | 9436 | +12,0 % | кольцевое сечение |
| наружный канал наддува, z=120 | 2315 | 2194 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| внутренний канал наддува, z=120 | 911 | 833 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| вход в СА турбины, z=172 | 2388 | 2159 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| за колесом турбины, z=205 | 5858 | 5823 | +0,6 % | кольцевое сечение |
| стойки сопла, z=226 | 3824 | 3845 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| вершина конуса, z=295 | 4664 | 4718 | — | сечение захватывает не только рабочий канал |
| срез сопла, z=339 | 2980 | 2964 | +0,6 % | кольцевое сечение |
Замеры по всей длине — gaspath.json: площадь свободного сечения с шагом по z, посчитанная по воксельной занятости всех деталей.
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.
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.
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.
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.
| Что | Как 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. |
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.
| Параметр | Паспорт |
|---|---|
| Тяга при +15 °C | 300 Н (30 кгс) |
| Максимальная частота вращения | 98 000 об/мин |
| Расход топлива | 820 г/мин |
| EGT, предел | 700 °C |
| Габарит | Ø132 × 340 мм |
| Масса | 2502 г |
| Топливо | Jet A-1 или керосин с 5 % масла |
| Межремонтный интервал | 25 ч |
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.
| Режим | IN713C | MAR-M247 |
|---|---|---|
| 100 % | 10 ч | 35 ч |
| 95 % | 332 ч | 1093 ч |
| 90 % | 13 054 ч | 47 440 ч |
| 85 % | 604 797 ч | > 10⁶ ч |
- 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)
| № | Сечение | T*, K | P*, кПа | C, м/с | M |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | атмосфера | 288,2 | 101,3 | 0 | 0 |
| 1 | вход в индуктор | 288,2 | 100,3 | 170 | 0,512 |
| 2 | выход из колеса | 452 | 234,4 стат. | 363 | 0,920 |
| 3 | выход из диффузора | 452 | 350,4 | ~109 | — |
| 4 | выход из камеры | 1324 | 331,2 | — | — |
| 45 | выход из соплового аппарата | 1213 стат. | 220,5 | 523 | 0,776 |
| 5 | выход из турбины | 1190 | 168,6 | 403 | 0,620 |
| 9 | срез сопла | 1059 стат. | 101,3 | 547 | 0,866 |
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.