В технике всегда пользовались упрощенными изображениями сложных схем, позволяющими облегчить понимание и запоминание характера взаимодействия отдельных частей системы. Принципы составления таких изображений во многих отраслях техники стандартизированы. Авторы предлагают свою систему условных символов, рассчитанных на облегчение понимания работы ГТД различных схем, которую они с успехом используют при обучении студентов Самарского государственного аэрокосмического университета.

Количество принципиальных схем современных газотурбинных двигателей достаточно велико и виды их разнообразны. Все они, тем не менее, состоят из функционально однотипных частей, применяемых в различных наборах и комбинациях. Именно это дает возможность формализовать элементы двигателя по выполняемым задачам, способам решения этих задач и конструктивным особенностям.

Рассмотрим этап проектирования и организацию его поддержки. При разработке нового двигателя, изучении конструкции и обучении конструированию необходимо провести формализацию представления данных об устройстве ГТД.

На ранних этапах проектирования, в процессе функционального анализа и синтеза конструкций, удобными зарекомендовали себя модели в виде структур. Представим элементы авиационного двигателя в виде блоков-модулей, собранных подобно кубикам. Каждый тип двигателя содержит следующие основные функциональные блоки: входное устройство, выходное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину. К специальным блокам можно отнести: форсажную камеру, редуктор, вентилятор, винт.

Системы двигателя (топливная, масляная, охлаждения и т.д.) также могут представляться блоками-модулями. На рассматриваемом этапе эти системы не учитываются. Функциональные блоки-модули связаны между собой потоками вещества, энергии или сигналов. В соответствии с этими представлениями турбореактивный двигатель (ТРД) может быть изображен сочетанием пяти блоков.

Если к нему добавить блок форсажной камеры, то получится ТРДФ.
Обычный турбовинтовой двигатель (ТВД) может складываться из шести блоков.

Аналогично изображаются схемы и всех остальных типов ГТД, например, схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД), ТРДД с редуктором, турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой (ТРДДФ).

Заметим, что число компрессоров, вентиляторов и турбин, изображенных на схемах, соответствует количеству каскадов ГТД.

По такому же принципу строятся схемы турбовинтовентиляторного двигателя (ТВВД) с передним расположением воздушного винта без редуктора, с редуктором, с задним расположением воздушного винта, турбовального двигателя (ТВаД) без редуктора с винтом, расположенным впереди или позади газогенератора.

На всех схемах количество турбин или компрессоров определяет количество валов (при этом цифра при буквах Т или К означает номер каскада).

По действию на потоки энергии, в соответствии с классификацией Р. Коллера, все функциональные элементы делятся на преобразователи, проводники и связи. В ГТД типичными преобразователями являются, например, лопатки, проводниками служит большинство элементов передающих потоки вещества и энергии (диски, валы, проставки и др.), а к категории связей относят элементы, обеспечивающие стыковку подвижного компонента с неподвижным или изменение направления потоков (опоры, соединения и др.).

По структуре каждый элемент независимо от типа содержит тело и узлы связей:

• - тело описывается в виде объемного или поверхностного элемента (как это принято в твердотельном моделировании CAD систем);
  
• - узлы связей представляются в виде точек и поверхностей сопряжения элементов различного типа (на уровне конструктивных схем это точки и линии).
  

Расположение связей определяется законом привязки (к элементу "проточная часть" привязываются компрессор, турбина и т.д., к элементу "лопаточный венец" привязываются лопатка, диск и т.д., к элементу "диск" - проставки, уплотнения и т.д., к элементу "уплотнения" - лабиринтные гребешки и т.д.).

Рассмотрим конструктивную систему турбокомпрессора ГТД на всех уровнях описания двигателя. Конструктивно-силовая схема турбокомпрессора является носителем наследственной информации, показывая взаимодействие его роторной и статорной частей. Графически она может изображаться с использованием следующих условных элементов: винт, лопаточная машина (ЛМ) (вентилятор, компрессор или турбина), редуктор, камера сгорания, радиально упорная опора, радиальная опора, элементы силовой связи (силовые пояса): осевой (трансмиссия или стенка корпуса) и радиальный (диски, стойки и т.д.).

Каждый из описанных элементов является сложным. В зависимости от уровня рассматриваемой при проектировании задачи он может быть представлен в виде совокупности составляющих его элементов нижнего уровня. Например, опора представляется в виде подшипника, демпфера, уплотнения, элементов соединения и передачи усилия и др. Аналогичным образом можно представить любой другой элемент.

При проектировании турбокомпрессора можно формализовать алгоритм синтеза конструктивной схемы по количеству и взаимному расположению элементов. Покажем это на примере проектирования силовой системы трехвального ТВВД.

1. Устанавливается тип, количество и расположение лопаточных машин, винта, редуктора и камеры сгорания.
   
2. Устанавливаются роторные связи.
   
3. Определяется тип и расположение опор в зависимости от прочностных, динамических, габаритных и массовых свойств.
   
4. Устанавливаются статорные элементы связей: радиальные и осевые.
   
5. Формируется масштабная конструктивная схема по результатам термогазодинамического расчета и анализа прототипов.
   

Все перечисленные этапы объединены динамически формируемыми обратными связями.

Подавляющее большинство ТРД и ТРДФ (кроме АЛ-21Ф-3 и РД-36-51А), а также ТВД (кроме НК-12, турбины и компрессора ТВ-7-117, ТВД-1500 и НК-62) имеют консольное относительно опоры расположение турбины. В большинстве схем ТРД и ТРДФ (кроме Р-125-300) компрессор имеет переднюю и заднюю опоры. По такой же схеме выполнены и каскады высокого давления двухвальных ТРДД и ТВаД двигателей пермского ОАО "Авиадвигатель". В то же время каскады высокого давления современных ТРДД и ТРДДФ, а также ТВД и ТВВД имеют по одной опоре в компрессоре (чаще всего это радиально-упорный подшипник).

При создании отечественных ТРД, ТРДФ и ТВД было использовано 12 конструктивных схем, отличающихся количеством и расположением опор роторов. Добавив к ним еще три схемы каскадов низкого давления ТРДД (ТРДДФ), получим 15 схем, позволяющих описать все разнообразие схем ТРД, ТРДФ, ТВД, ТВаД, каскадов ВД ТРДД, ТРДДФ и ТВВД отечественных ГТД.

Применительно к каскаду высокого давления двухвальных ТРДД (ТРДДФ) было использовано три схемы. Эти же каскады во всех трехвальных двигателях выполнены по одной схеме. В газогенераторной части ТВаД было использовано три схемы. Каскады низкого давления двухвальных ТРДД (ТРДДФ) сконструированы с использованием четырех схем, а каскады среднего давления трехвальных ТРДД - только двух схем. Каскады вентиляторов в трехвальных ТРДД выполнены по двум схемам, причем вентиляторы во всех схемах расположены консольно относительно опоры. Во всех схемах современных ГТД видно стремление к уменьшению количества опор и количества силовых поясов посредством введения межвальных опор и объединения нескольких опор в единый силовой пояс (двигатели НК, АЛ-31Ф, РД-33, Р-79В-300, ТРДД ЗМКБ).

Конструктивные схемы каскадов ВД двух- и трехвальных ТРДД (ТРДДФ), а также ТВаД выполнены по тем же схемам, что и ТРД и ТВД. Следует отметить, что схема каскадов ВД ТВД ТВ7-117, ТВД-1500, ТВД-20В, НК-62 нашла наибольшее распространение. Примером являются схемы каскадов ВД двигателей АЛ-31Ф, РД-33, Р79В-300, АИ-22, НК-6, НК-8,НК-86, НК-144, ТРДД-50М, Д-36, Д-18Т, Д-436, Д-27, НК-56, НК-64, НК-93, НК-110, Д-136, ТВ-0-100, АИ-450, РД-600, ГТД-400.

Некоторые схемы нашли применение в небольшом количестве двигателей (один - три), например, ТР-1, ТР-3, АЛ-5; РД-45, ВК-1, РУ19-300; НК-12. В основном это ГТД первых разработок. Появляются также и новые схемы (Р125-300).

У всех двигателей опора непосредственно связана с ротором, т.е. между ними отсутствуют промежуточные элементы связей. Радиальные силовые элементы связи в роторах используются только для соединения лопаточных машин с осевыми элементами связи (трансмиссией), а в статорной части эти элементы используются в силовых поясах: одно-, двух- и трехопорных. Осевые силовые элементы связи широко используются как в роторной, так и статорной частях и определяют жесткость и надежность конструкции.

Разработанный графический способ описания конструкции двигателей позволяет создать компьютерную информационную систему, предназначенную для поддержки процессов проектирования авиационных ГТД. Алгоритм сборки и компоновки при работе с элементами реализуется на языке написания приложений к системам компьютерной поддержки проектирования (CAD) и работает в среде интегрированной CAD/CAM/PDM системы, например, "Симатрон" или "Юниграфикс", что позволяет сократить время проектирования и повысить качество обучения проектированию.