И основные требования к ним

Г л а в а 3.

ТЕОРИЯ СТУПЕНИ КОМПРЕССОРА ГТД

НАЗНАЧЕНИЕ КОМПРЕССОРОВ ГТД, ИХ ТИПЫ

И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Компрессор предназначается для сжатия (повышения давления) воздуха, поступающего из воздухозаборника, (что необходимо для осуществления цикла Брайтона) и прокачки его далее по тракту двигателя. Та часть компрессора, которая подает сжатый воздух в наружный контур ТРДД (или одновременно в наружный и внутренний контуры), обычно называется вентилятором ТРДД.

Основными типами компрессоров современных авиационных газотурбинных двигателей являются одно- или многоступенчатые осевые компрессоры, а также центробежные или осецентробежные компрессоры. В мощных ГТД применяются исключительно осевые компрессоры, так как они позволяют обеспечить большой расход воздуха, необходимый мощным двигателям, при минимальных габаритах. В двигателях сравнительно небольших размеров может применяться сочетание нескольких осевых и обычно одной (последней) центробежной ступени. Такой компрессор и называется осецентробежным. Его основным преимуществом является возможность обойтись (при необходимой степени повышения давления) меньшим числом ступеней, поскольку в центробежной ступени можно обеспечить существенно более высокое повышение давления, чем в осевой. Но габариты компрессора при этом увеличиваются, что для мощных двигателей может оказаться неприемлемым.

Основными требованиями к компрессорам ГТД являются: минимально возможные габариты и масса при данном расходе воздуха и данном повышения давления, минимальные гидравлические потери и устойчивая работа на всех эксплуатационных режимах, а также высокая надежность конструкции и минимальное число ступеней, так как число ступеней в значительной маре определяет стоимость компрессора.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре сос­тоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия в от­дельных его ступенях. Несмотря на существенные различия в формах проточной части и характере течения воздуха в ступенях компрессоров различных типов, рабочий про­цесс в них имеет много общего, а их совершенство оценивается однотип­ными коэффициентами. Поэтому далее изложение теории компрес­соров будет вестись, в основном, применительно к осевым комп­рессорам, имеющим наибольшее распространение в авиационных ГТД, а особенности компрессоров (ступеней) других типов будут отмечаться по мере необходимости.

3.2. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТУПЕНИ

ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Осевой компрессор имеет несколько рядов лопаток, насажанных на один общий вращающийся барабан или (чаще) на ряд соеди­ненных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора. Один ряд лопаток ротора (вращающийся лопаточный венец) назы­вается рабочим колесом (РК ). Другой основной частью компрессора яв­ляется статор, состоящий из нескольких рядов лопаток (лопаточных венцов), закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является спрямление воздушного потока, закрученного впереди стоя­щим рабочим колесом, и направление его под необходимым углом на лопатки расположенного далее следующего ра­бочего колеса. Соответственно этому один ряд лопаток статора называется направляющим аппаратом (НА). Если первый ряд лопаток установлен впереди первого рабочего колеса, то он называется входным направляющим аппаратом (ВНА), а последний ряд лопаток статора (за которым уже нет рабочего колеса) иногда называют спрямляющим аппаратом.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрес­сора (осевой ступенью).

На рис. 3.1 схематически изображена ступень осевого компрес­сора, состоящая из рабочего колеса РК и направляющего аппарата НА. Будем рассматривать в дальнейшем следующие сечения ступени: 1-1 — перед рабочим колесом, 2-2 — за рабочим колесом и 3-3 — за направляющим аппаратом. Параметры воздушного по­тока в этих сечениях будем отмечать индексами, соответствую­щими номеру сечения.

В каждом из этих сечений различают диаметр втулки D _вт (по основаниям лопаток) и наружный диаметр D _к (по корпусу). Про­странство, заключенное между поверхностями втулки и корпуса, носит название проточной части ступени.

Предположим для простоты, что все струйки воздуха, проходящие через ступень, движутся по цилиндрическим поверхностям, что обычно близко к действительности. Тогда для анализа картины течения воздуха в ступени проведем мысленно её сечение такой цилиндрической поверхностью А - А, ось которой совпадает с осью РК, и развернем затем это сечение на плоскость. Тогда сечения лопаток РК и НА представятся в виде двух рядов одинаковых и одинаково распо­ложенных профилей, образующих решетки профилей рабочего ко­леса и направляющего аппарата, как показано на рис. 3.2 (где для удобства дальнейшего изложения сечения лопаток повернуты по отношению к рис. 3.1 на 90°).

Рассмотрим течение воздуха через эти решетки профилей, пре­небрегая неравномерностью потока в окружном направлении. На входе в рабочее колесо скорость воздуха по отношению к корпусу компрессора (будем называть ее абсолютной скоростью) в общем случае может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени или установки пе­ред рабочим колесом (первой ступени) входного направляющего аппарата, показанного на рис. 3.2 пунктиром. Эта скорость изображена на рис. 3.2 вектором . Вращению рабочего колеса соответствует на рис. 3.2 перемеще­ние решетки РК справа налево с окружной скоростью . Для опреде­ления скорости воздуха относительно рабочих лопаток (относительной скорости) приме­ним известное правило сложения векторов скоростей, согласно которому аб­солютная скорость равна сумме относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость ло­паток, следовательно,

.

Треугольник, составленный из векторов , и , называется тре­угольником скоростей на входе в колесо.

Лопатки рабочего колеса захватывают поступающий к ним воздушный поток и гонят его дальше вдоль проточной части (вправо на рис. 3.1 и, соответственно, вниз на рис. 3.2), сообщая ему при этом энергию. Во избежание срыва потока с их поверхности они должны быть установлены так, чтобы передние кромки бы­ли у них направлены под малым углом к направлению вектора . Кроме того, для усиления передачи воздуху энергии форма (кривизна) профилей лопаток выби­рается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса b₂был больше угла входа b₁. Как видно из рис. 3.2, поворот потока сопровождается увеличением площади поперечного сечения каждой струи воздуха, проходящей через канал между двумя со­седними лопатками . Соответственно, относительная скорость воздуха в рабочем колесе уменьшается (w ₂ < w ₁), а давление в соответствие с уравнением Бернулли возрастает (p ₂ > p ₁).

Такое обтекание лопаток рабочего колеса сопровождается воз­никновением на каждой лопатке аэродинамической силы , нап­равленной от вогнутой поверхности профиля к выпуклой (см. рис. 3.2). С такой же силой, но направленной противоположно, каждая лопатка действует на воздух. Составляющая этой силы Р_u, нап­равленная параллельно вектору окружной скорости, называется ок­ружной составляющей, а нормальная к ней составляющая Р_а, нап­равленная параллельно оси ступени, - осевой составляющей. Работа, затрачиваемая на вращение колеса и передаваемая воздуху, как будет показано ниже, пропорцио­нальна Р_u и окружной скорости u. Она идет как на увеличение абсолютной скорости (т.е. кинетической энергии) воздуха, прошедшего через колесо, так и на повышение его давления, как показано в верхней ча­сти рис. 3.1. Соответственно полное давление воздушного потока также возрастает . Осевая составляющая Р_а, действующая на лопатку,передается на упорный подшипник вала компрессора.

Вектор абсолютной скорости потока воздуха за решеткой рабочего колеса может быть определен путем сложения векторов скоростей и , т.е. построения треугольника скоростей на выходе из колеса (см. рис. 3.2). Вследствие поворота потока в рабочем колесе вектор скорости оказывается отклоненным от вектора в сторо­ну вращения колеса. Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток воздуха в обратную сторону, причем форма их подбирается обычно так, чтобы направление вектора скорости воздуха за ступенью было близко к направлению вектора . При этом, как и в рабочем колесе, поворот потока приводит к увеличению поперечного сече­ния струи воздуха, проходящей через канал между соседними ло­патками . В результате скорость воздуха в направляющем аппарате падает, а давление растет (см. рис. 3.1). Но здесь рост давления обеспе­чивается только за счет использования кинетической энергии возду­ха, приобретенной им в рабочем колесе. Полный напор воздушного потока в направляющем аппарате уже не растет, а несколько уменьшается из-за влияния гидравлических потерь.

Если поверхности тока, по которым движутся струйки воздуха, заметно отличаются от цилиндрических, картина течения получается несколько более сложной, но в общем аналогичной рассмотренной.

Таким образом, течение воздуха через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости воздуха в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости в направляю­щем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Показанные на рис. 3.2 треугольники скоростей в сечениях 1-1 н 2-2 обычно совмещают на одном чертеже, называемом треуголь­ником скоростей ступени. В общем случае он имеет вид, показанный на рис. 3.3, причем от его общей вершины может откладываться также и вектор скорости воздуха на выходе из НА (на рис. 3.3 он не показан). Здесь же указаны те обозначения, которые будут использованы в дальнейшем.

При построении треугольника скоростей ступени надо учиты­вать, что составляющая скорости воздуха в направлении оси комп­рессора (осевая составляющая) при прохождении воздуха через колесо в общем случае может изменяться. Вследствие увеличения давления в колесе плотность воздуха на выходе из него оказывает­ся больше, чем на входе, и поэтому при постоянной высоте лопаток осевая составляющая скорости воздуха соответственно уменьшает­ся.

Но обычно ступень выполняют таким образом, что высота лопаток к выходу из нее уменьшается. В этом случае осевая составляющая скорости воздуха может как уменьшаться, так и увеличиваться, в зависимости от соотношения изменения плотности воздуха и площади поперечного сечения воздушного тракта ступени. В расчет­ных условиях работы ступени обычно имеет место некоторое умень­шение осевой составляющей скорости воздуха в колесе и в ступени в целом.

Кроме того, если рассматриваемая поверхность тока отличается от цилиндрической, то струйки воздуха выходят из РК на ином (например, на большем) радиусе, чем входят в него, что приводит к соответствующему различию в зна­чении переносной (окружной) скорости . Это различие осо­бенно заметно для околовтулочных сечений лопаток.первых ступе­ней авиационных компрессоров, где оно может достигать 20…30%.

На рис. 3.3 c _{1 u} — окружная составляющая абсолютной скорости воздуха перед колесом (предварительная закрутка). Очевидно, . Если a₁ < 90°, т.е. предварительная закрутка направ­лена в сторону вращения колеса, то она считается положительной. Слу­чай a₁ > 90° соответствует отрицательной закрутке. Если a₁ = 90°, то вектор направлен параллельно оси вращения колеса, предвари­тельная закрутка отсутствует и ступень в этом случае называется ступенью с осевым входом. Величина , т.е. разность окруж­ных составляющих относительных скоростей воздуха перед и за колесом, называется закруткой воздуха в рабочем колесе в относительном движении, а - закруткой в РК в абсолютном движении. Если , то

.