Почему многие большие ТРДД имеют зазор (лопастей турбины) между турбиной низкого и высокого давления?

( Источник ) Вырез для GE9X.

Промежуток, который вы видите, не пуст. Выше отмечена одна из направляющих лопаток сопла (большинство из них удалены для иллюстрации). Эти лопатки аналогичны ступеням статора компрессора.*

Обозначения 91 и 99 ниже — это те самые лопасти — к сожалению, статоры и лопасти почти всегда отсутствуют на «чертежах», но они не менее важны.

( Источник ) Ступени турбины RR Trent 500.

Причина , по которой разница в диаметре больше у GE по сравнению с RR, заключается в том, что RR Trent 500 имеет 3 золотника.

Короче говоря, лопатки в обоих двигателях, если они не показаны на чертежах, создают иллюзию наличия зазора (неиспользуемого пространства).

* Направляющие лопатки сопла не имеют ничего общего с движущим соплом сзади. На жаргоне турбины сопло означает ступень статора турбины.

Что касается забавной стороны, вот миниатюра с собственного канала RR на YouTube , абсолютно сумасшедший выхлоп . Не верьте иллюстрациям.

@ymb1 прав, что в этом пространстве есть аэродинамическая функция сопла LPT, но есть и механическая функция. Вы правильно заметили, что там будут подшипники, поддерживающие вал. Но что поддерживает подшипники? Они не просто летают в космосе. Подшипники поддерживаются рамой.

На GP7200 и CFM LEAP имеется рама между HPT и LPT, которая называется «центральной рамой турбины». Функция рамы состоит в том, чтобы обеспечить жесткую траекторию нагрузки от подшипника, который поддерживает задний конец вала высокого давления, до основной конструкции двигателя, которая соединяется с самолетом. Если вы проверите этот пост , вы увидите множество примеров для фреймов.

Короткий ответ

Это пространство является частью межтурбинного канала (МТР), который необходим для обеспечения удовлетворительной непрерывности потока между ТВД и ТВД, вращающимися с разной скоростью (в соотношении 1:3) и имеющими разные диаметры. Воздуховод образован зазором и более крупными (в направлении оси) лопатками 1-й ступени ТНД.

Обратите внимание, что этот канал является диффузором, так как кольцевая площадь увеличивается вдоль пути потока. То, что происходит в этом диффузоре, не очень хорошо известно, и его конструкция была в некоторой степени эмпирической, с использованием таких руководств:

^{Восстановление давления против трения. Источник}

Некоторое численное моделирование показало, что конструкция действительно влияет на LPT (потерю давления в воздуховоде), а также на HPT и сгорание. В дни, когда важна экономия 1 % топлива (следовательно, 1 % CO2), теперь предпринимаются некоторые усилия по оптимизации межтурбинного воздуховода.

Укороченные ИТД сложны в конструкции и известны под названием агрессивных ИТД .

Подробности

В качестве примера возьмем CFM56-7B (Boeing 737 NG). Этот двигатель имеет одноступенчатый HPT и 4-ступенчатый LPT.

Каждому ротору предшествует статор (сопло). Роль лопаток статора заключается в преобразовании давления в скорость и повороте потока более перпендикулярно поверхности лопаток ротора. Это противоположно ступеням компрессора, где лопасти расположены ниже по потоку от лопастей, чтобы преобразовывать скорость, добавляемую лопастями, в давление, поддерживать постоянную скорость и выпрямлять поток.

Зазор и большие лопасти

В целом все непрерывно, хотя перед соплом 1 ступени ТНД, расположенным в корпусе ТВД, имеется зазор. Сами лопасти больше в осевом направлении.

^{CFM56-7B, небольшой зазор перед лопатками LPT Stage 1}

Это место называется межтурбинным (переходным) каналом , оно соответствует границе раздела ТВД и ТНД, которые вращаются с разной скоростью.

Воздуховод имеет увеличивающуюся площадь из-за большего диаметра и размера ротора 1-й ступени ТНД (аналогичный воздуховод существует между ЦНД и ЦВД по тем же причинам).

^{Геометрия межтурбинного воздуховода. Источник}

Зазор выбирается для установки (эмпирически) соответствующего наклона воздуховода, соотношения сторон и т. д. для приемлемой потери давления между турбинами.

Чтобы увеличить мощность двигателя, производители пытаются уменьшить длину воздуховода, но в этой области недостаточно знаний .

Более короткие воздуховоды известны как агрессивные межтурбинные воздуховоды (AITD). См. эту бумагу .

Подшипники

Что касается причины, упомянутой в другом ответе, возможная проблема с подшипником или опорой подшипника: это не факт, подшипники намного меньше, чем ступени турбины:

^{CFM56-7B, расположение задних подшипников}

• Подшипник № 4 находится между валом HPT и валом LPT.
• Внешняя опора № 5 находится внутри маслосборника, а сам подшипник находится внутри его опоры.