книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет

Так как P\C\/pKTf K^ =q(k\) есть безразмерная плотность тока, опре­ деляемая по газодинамическим функциям, окончательно коэффици­ ент производительности можно записать в виде

= $(>«!) О - 5в2т) sin CCJ.

(2.6)

Понятие о дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых компрессо­ рах будет дано в разд. 3.3, а пока лишь укажем, что в современных

дозвуковых компрессорах максимальное значение GK= 0,6—0,65; в

трансзвуковых — GKдо 0,7; в сверхзвуковых — GKдо 0,75.

Предельная величина GKограничивается величинами #(Х,!) = 1, т.е. Xi = 1, и равна

Ск. пр = 0 —^вт) s*n а 1 •

Из формул (2.5) и (2.6) легко получается удобная расчетная фор­ мула для определения расхода GB. С учетом того что

G* = GK• GKp ; GKp = Ркр • скр FTp ;

Ркр = Pt к + 1 1 1/Jt-l	> сч>Л			Pi
			— 1 R T '	P Ï - RT1*
2 У
получаем
G B = S B	Pi	?(^i) Fi sin a !,		(2.7)
	Vr*
где коэффициент
5В=	(	2	'\*±I
	VA:	к + 1	к- 1• —
			R
(при к = 1,4 и R = 287,3 Дж/(кг град); sB= 0,0404 ).
Подставив в выражение (2.7)
	^1 =	4

и заменив

9(^l) (1 - dvr) sin otj = GK,

получим

(2.8)

Как видно из последнего выражения, при прочих равных условиях рост коэффициента производительности позволит уменьшить наруж­ ный диаметр первой ступени компрессора, а следовательно, и всего компрессора, так как обычно диаметр первой ступени определяет мак­ симальную габаритную площадь поперечного сечения компрессора.

6. Лобовая производительность. Иногда производительность ком­ прессора оценивают, относя расход воздуха к лобовой площади колеса компрессора на входе, т.е. в виде

кг/с л°б ^лоб м2

где Fno(5— максимальная габаритная площадь поперечного сечения компрессора.

Коэффициент производительности непосредственно связан с ло­ бовой производительностью компрессора

(2.9)

Таким образом, при заданном GKлобовая производительность

С?лоб будет зависеть от условий работы компрессора, т.е. от высоты и скорости полета. В стартовых условиях для дозвуковых компрессоров Оцоб= 150—160 кг/(с • м2), в трансзвуковых и сверхзвуковых С?ло(5=

=180—200 кг/(с • м2) и выше.

7.КПД осевого компрессора. На рис. 2.4 изображен в координа­ тах /, S процесс повышения давления воздуха в компрессоре. Изоба­

ры pi = const и р к= const соответствуют давлению воздуха перед и за

компрессором. Точка 1* отражает состояние воздуха на входе в ком­ прессор. В авиационных компрессорах теплообмен между потоком воздуха в компрессоре и окружающей средой незначителен. Поэто­ му будем считать, что внешний теплообмен в компрессоре отсут­

ствует. Бели сделать допущение, что воздух в компрессоре лишен вязко­ сти, то процесс повышения давления в нем будет протекать при постоян­ ной энтропии, изображенной на рис.

2.4 линией 1* - KJ. В действительно­ сти вследствие выделения тепла трения в процессе сжатия темпера­ тура за компрессором будет выше, чем в изоэнтропном процессе. В результате реальный процесс изо­ бражается линией 1* -к*.

Таким	образом, в компрессоре	Рис. 2.4. 1,5-диаграмма процесса
		сжатия в осевом компрессоре
полезно используется не вся затра­
ченная работа LK, а лишь часть ее — изоэнтропная работа повышения
давления	, определяемая по параметрам торможения на входе и вы­

ходе. Отношение L^ к затраченной работе LK

(2.10)

характеризует степень совершенства процесса повышения давления в компрессоре и называется КПД компрессора.

Используя уравнение сохранения энергии, КПД можно выразить через перепад энтальпий в конце и начале процесса сжатия:

Лк=	(2.11)
При ср = const можно также записать
Лк—	(2.12)

В современных дозвуковых осевых компрессорах Т|к = 0,84— 0,88 и зависит от степени повышения давления в компрессоре. При этом, чем больше , тем меньше цк . В транс- и сверхзвуковых компрессорах

Г|к при тех же величинах тс* примерно на 2% ниже, чем в дозвуковых. В малоразмерных компрессорах (GB< 10 кг/с) КПД ниже, чем в пол­ норазмерных примерно на 2—3%.

В теории и практике проектирования компрессоров авиационных ГТД КПД Г|к называется внутренним изоэнтропическим КПД по пара­

метрам торможения.

Иногда в качестве полезного эффекта можно принять политропическую работу сжатия по параметрам торможения Ljj n . Тогда внут­

ренний политропический КПД по параметрам торможения согласно определению запишется в виде

Как будет показано в разд. 4.2, политропический КПД непосредст­ венно связан с показателем политропы сжатия, что иногда удобно для описания процесса.

8. Важной величиной для ступени и компрессора в целом является окружная скорость ик на наружном диаметре рабочего колеса. Чем

больше эта величина, тем большая работа может быть передана воз­ духу. Тем самым с увеличением ик степень повышения давления ст в каждой ступени возрастает, а следовательно, для получения задан­ ного тс* всего компрессора потребуется меньшее число ступеней, что

приведет и к уменьшению габаритов.

Однако увеличению мк препятствуют, с одной стороны, прочность ра­

бочего колеса, с другой — ограничение по числам Маха (см. разд. 3.3). Поэтому в современных осевых компрессорах окружная скорость на периферии рабочего колеса первой ступени лежит в следующих пре­ делах:

для дозвукового компрессора ик= 300—360 м/с; для трансзвукового компрессора мк= 360—420 м/с;

для сверхзвукового компрессора ик = 420—450 м/с и более.

2.з. Требования к осевым компрессорам

В число наиболее важных требований к авиационным компрессо­ рам входят следующие: минимальные габариты и масса, высокий КПД, благоприятное протекание характеристики, высокая надежность, до­ пустимый шум.

Габаритные диаметральные размеры компрессора предопределяют лобовое сопротивление двигателя, а масса — полезную нагрузку ле­ тательного аппарата. Чем меньше при прочих равных условиях масса, тем больше полезная нагрузка. Масса современных осевых компрессо­ ров составляет 30—35% от всей массы двигателя.

Требование высокого КПД предъявляется к любому двигателю. Для авиационных ГТД это требование особенно важно. КПД компрес­ сора оказывает существенное влияние на КПД цикла двигателя и, сле­ довательно, на его экономичность. Расчеты показывают, что ухудше­ ние КПД компрессора на 1% увеличивает удельный расход топлива ГТД Gyjx на 1% и снижает удельную тягу ГТД на 1,2—1,6%. Осевой

компрессор, как и весь газотурбинный двигатель, в процессе эксплу­ атации работает в широком диапазоне режимов по оборотам, темпера­ туре и давлению на входе. Поэтому очень важно, чтобы высокие зна­

чения КПД и тс* компрессора обеспечивались как в условиях старта (на земле), так и в условиях полета на разных высотах и скоростях. Для этого характеристики компрессора должны быть такими, чтобы КПД и менялись мало при широком изменении рабочих режимов.

Требование надежности конструкции обязательно для любой ма­ шины. Применительно к авиационным ГТД это требование имеет без­ условный характер, т.е. конструкция компрессора должна гарантиро­ вать абсолютную надежность работы в течение всего моторесурса ГТД. Поломка лопатки, например, влечет за собой аварию двигателя, а разрыв диска — аварию летательного аппарата. Требование высокой надежности выполняется благодаря правильному расчету и конструи­ рованию, выбору материалов и рациональных запасов прочности.

Важной проблемой современных авиадвигателей (особенно для транспортной авиации) является снижение уровня шума. И хотя ком­ прессор — не основной источник шума, его доля остается весьма су­ щественной. С целью уменьшения шума от компрессора применяют специальные звукопоглощающие и звукоотражающие покрытия в зо­ нах расположения вентилятора и подводящих воздушных каналов, снижают окружные скорости в рабочих лопатках, увеличивают осевые зазоры между лопаточными венцами, иногда отказываются от ВНА в ТРДД и т.д.

2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Осевые компрессоры в зависимости от числа ступеней подразде­ ляются на одноступенчатые вентиляторы и многоступенчатые. В зави­ симости от отношения скоростей потока на входе в рабочее колесо к местной скорости звука различают дозвуковые, околозвуковые (транс­ звуковые) и сверхзвуковые компрессоры. Все многоступенчатые комп­ рессоры могут быть одновальные (однокаскадные), двухвальные (двухкаскадные), трехвальные (трехкаскадные). По степени напорности многовальные компрессоры делятся на вентиляторы, или каскады

Рис. 2.5. Схема компрессора с вентиля­ торной ступенью

низкого давления (КНД), каскады среднего давления (КСД), каскады высокого давления (КВД). Кроме того, многоступенчатые компрессо­ ры могут быть еще и комбинированными, если в качестве последней ступени используется центробежная или диагональная ступень комп­ рессора.

В авиационных ГТД одноступенчатые осевые компрессоры не при­ меняются из-за их малой степени повышения давления. Исключение составляют вентиляторные ступени каскада низкого давления в ТРДД с большой степенью двухконтурности (рис. 2.5).

Вентиляторные ступени вы­ полняются, как правило, трансзву­ ковыми или сверхзвуковыми и име­

ют я* = 1,5— 1,9, что в 2 — 2,5 раза

больше, чем в дозвуковых ступе­ нях. Это обстоятельство позволяет сократить общее число ступеней и тем самым уменьшить массу всего компрессора.

Однако при работе вентиля­ торной ступени на нерасчетных ре­ жимах ее КПД резко снижается,

что приводит к снижению КПД Т|к всего компрессора. В разд. 5.7 от­ мечаются пути повышения эффективности вентиляторных ступеней. Здесь же отметим, что при окружных скоростях на периферии рабо­ чего колеса ик= 400—450 м/с столь высокие степени повышения дав­ ления могут быть реализованы в одноступенчатом вентиляторе, со­ стоящем из рабочего колеса и направляющего аппарата, т.е. без вход­ ного направляющего аппарата.

С целью увеличения производительности вентилятора относи­ тельный диаметр втулки dBT выбирается в пределах от 0,35 до 0,4, что при ^ = 0,6—0,7 (по абсолютной скорости) и при отсутствии ВНА со­

ответствует наибольшему коэффициенту производительности GK=

= 0,75-0,78.

Если все ступени осевого компрессора сидят на одном валу и, сле­ довательно, вращаются с одинаковой частотой вращения л, то комп­ рессор называется однокаскадным или одновальным. Но при высоких степенях повышения давления в таких компрессорах диапазон рабочих режимов, в котором компрессор работает устойчиво, сокращается. Чтобы исключить это, приходится применять различные способы регу­ лирования. Подробно об этом будет сказано в разд. 7.5; здесь же заме­ тим, что расширить диапазон устойчивой работы компрессора можно, ес­

Рис. 2.7. Схема трехкаскадного компрессора

!ПЛ1П!П!П1 1111-

I[ Ш И и Т Т Т Т П

/

КСД КВД

КНД

ли одну часть ступеней посадить на один вал, а другую — на второй вал и вращать их с разной частотой вращения. Такие компрессоры на­ зываются двухкаскадными и состоят из КНД и КВД. Схема такого ком­ прессора показана на рис. 2.6.

В ТРДД с большой степенью	_	КНД		КВД
двухконтурности выбор высоких
коэффициентов производительно­
сти для компрессоров высокого	д ш	н	й	н
давления может привести к необ­
ходимости постановки между вен­
тилятором и КВД переходника с	Рис. 2.6. Схема двухкаскадного компрес­
существенным уменьшением диа-		сора

метра, как показано на рис. 2.5. Повышенный коэффициент произво­ дительности для КВД и наличие переходника является целесообраз­ ным для ТРДД с большой степенью двухконтурности, так как в этом случае увеличиваются высоты лопаток последних ступеней компрес­ сора высокого давления.

В авиационных ГТД встречаются компрессоры и с тремя каскадами (рис. 2.7). Более трех каскадов не делают. Двух-, трехкаскадные ком­

прессоры позволяют получать заданные величины тс* при меньшем

суммарном числе ступеней, чем в однокаскадном компрессоре. Это объясняется тем, что в связи с повышением температуры ТБ по мере сжатия воздуха, увеличивается скоро­

сть звука a = 'lkRTb и появляется воз­ можность увеличения окружной ско­ рости вращения колеса, т.е. частоты вращения пквд > лКСд > лКНд •

Недостатком многокаскадных ком­ прессоров является значительное ус­ ложнение конструкции по сравнению с однокаскадными схемами.

Рабочий процесс в ступенях комп­ рессора существенно зависит от абсолютных и относительных скоро­

стей (чисел Маха). Подробно этот вопрос рассмотрен в разд. 3.3. За­ метим, что если указанные скорости меньше скорости звука по всей высоте лопатки, то ступень называется дозвуковой. Если все ступени компрессора — дозвуковые, то и компрессор называется дозвуковым. #сли же скорости изменяются по высоте лопатки в ступени от дозву­ ковых до сверхзвуковых, то ступень называется трансзвуковой. Комп­ рессор, имеющий хотя бы одну такую ступень (абычно первую), назы­ вается трансзвуковым. Наконец, при сверхзвуковых скоростях по всей высоте лопатки ступень называют сверхзвуковой. Сам компрессор при этом также называется сверхзвуковым.

В современных двигателях с большой степенью двухконтурности суммарная степень повышения давления я* ~ 30, в проектируемых дви­ гателях V поколения она доходит до я£ = 40, а у двигателей, планиру­ емых к 2000-му году, она достигнет, по-видимому, значений я* = 60. Для создания высоконапорных компрессоров с приемлемым числом ступеней при достаточно высоком значении КПД потребуются специ­ альные решения.

Анализ параметров выполненных компрессоров высокого давле­ ния ТРДД указывает на существование статистической зависимости

числа ступеней от я^Вд: Лквд- ( 3...4) при достаточно высоком

значении КПД Лквд = 0,87—0,89.

Основная тенденция улучшения массогабаритных характеристик КВД двухконтурных двигателей заключается в снижении числа ступе­ ней за счет существенного повышения окружных скоростей. Так, на перспективных двигателях предполагается реализовать значения при­ веденной окружной скорости ик пр= 440 м/с, что позволит увеличить среднюю напорность ступени в 1,2—1,9 раза. В двигателях с большой степенью двухконтурности при малых значениях dBT в вентиляторной ступени окружная скорость во втулочных сечениях оказывается суще­ ственно малой. Для потока воздуха, входящего затем во внутренний контур двигателя, у втулочных сечений вентилятора уменьшаются энергия, передаваемая воздуху, и степень повышения полного давле­ ния до значений я* вт= 1Д Следовательно, возникает необходимость установки дополнительной, так называемой подпорной ступени, по­ зволяющей достигнуть заданной степени повышения давления за вен­ тилятором и во втулочных сечениях. Поэтому компрессор низкого дав­ ления выполняют в виде вентилятора с одной, двумя, тремя подпор­ ными ступенями (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема компрессора с подпор­ ными ступенями

Подпорные ступени устанавлива­ ются на одном валу с вентилятором и подают воздух только во внутрен­ ний контур двигателя, т.е. в комп­ рессор среднего или высокого дав­ ления. Особенности компрессора с подпорными ступенями более под­ робно рассматриваются в разд. 8.3, здесь же отметим только, что недо­ статком подпорных ступеней явля­ ется их малая напорность из-за ма­ лых окружных скоростей, что обус-

ловлено пониженными оборотами компрессора низкого давления и значительно меньшим наружным диаметром DKподпорных ступеней.

В малоразмерных газотурбинных двигателях, имеющих осевой компрессор с достаточно высокой степенью повышения давления, ло­ патки последних ступеней компрессора получаются весьма короткими (менее 15 мм), что неприемлемо из-за их низкого КПД. Другие типы компрессоров (центробежные, диагональные), хотя и удовлетвори­

тельно работают при малых расходах, но достижение я£> 4—4,5 в них весьма сложно. В связи с этим рациональной является схема осецент­ робежного (комбинированного) компрессора (рис. 2.9), в котором вме­ сто 4—5 и более последних осевых ступеней используется одна цент­ робежная ступень.

	К недостаткам осецентробежно­
	го компрессора относятся его доста­
	точно сложная конструкция и боль­
	шие габаритные диаметральные раз­
	меры. С целью уменьшения диамет­
	ральных размеров вместо центро­
	бежной ступени может быть исполь­
	зована ступень диагонального комп­
	рессора (рис. 2.10).
	Существенной особенностью
	компрессоров современных малораз­	Рис. 2.9. Схема осецентробежного
	мерных двигателей является боль­
		компрессора
	шое разнообразие используемых

схем, включающих осевые, оседиагональные, осецентробежные, одно- и двухступенчатые центробежные компрессоры с суммарной степенью повышения давления 7С^= 10—12.

Следует отметить, что в случае применения двухступенчатого центробежного компрессора с одинаковыми диаметрами рабочих ко­ лес, находящихся на одном валу, степень повышения давления в пер­ вой ступени будет несколько больше, чем во второй. Это объясняется большей температурой на входе во вторую ступень, чем на входе в первую, что при одинаковой подве­ денной работе будет приводить к снижению степени повышения дав­ ления второй ступени.

Следует заметить, что комбини­ рованные компрессоры находят при­ менение в ГТД, предназначенных в основном для легких вертолетов. Од­ нако в последние годы рассматрива­

Рис. 2.10. Схема оседиагонального компрессора

ются возможности применения осецентробежного компрессора и в ка­ честве компрессора высокого давления перспективного ТРДД для ма­ невренного самолета.

Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки

1.Сколько рабочих колес и направляющих аппаратов в 15-ступенчатом осевом компрессоре?

2.Во сколько раз повышается давление воздуха в компрессорах совре­

менных ГТД?

3.Каково назначение входного и выходного устройств в осевом компрес­

соре?

4.Как меняется температура и давление воздуха по тракту осевого ком­

прессора, включая входное и выходное устройства, и почему?

5. Определите суммарное повышение давления в компрессоре в полет­ ных условиях, если скорость полета самолета vnojl= 1000 км/ч на высоте

*пол= 8000 м; компрессор осевой, десятиступенчатый, степень повышения давления в четырех ступенях равна 1,25, а в остальных — 1,27 (потерями во

входном устройстве пренебречь).
6. Какой угол входа потока	в рабочее колесо первой ступени компрес­

сора при отсутствии направляющего аппарата во входном устройстве?

7.Как изменится расход воздуха через компрессор, если уменьшить угол входа потока (Xj в рабочее колесо первой ступени компрессора?

8.Как изменится расход воздуха через компрессор и коэффициент про­ изводительности, если уменьшить диаметр втулки рабочего колеса первой ступени?

9.Как изменится КПД компрессора, если снизить температуру воздуха на выходе из него?

10.Что произойдет с экономичностью ГТД, если ухудшится КПД комп­ рессора?

11.Чем обеспечивается требование высокой надежности конструкции

авиационного компрессора?

12.Почему необходима двухвальная (двухкаскадная) схема компрессора при высоких степенях повышения давления?

13.Чем объясняется возможность получения заданной величины Як ПРИ

меньшем числе ступеней для двух- и трехкаскадных схем компрессора?

14.Зачем ставят подпорные ступени в каскаде низкого давления?

15.Чем вызвана необходимость применения комбинированных компрес­ соров в малоразмерных ГТД?