книги / Теория и расчет авиационных лопаточных машин

Ч А С Т Ь 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН

Г л а в а 1

НАЗНАЧЕНИЕ, СХЕМЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН

1.1. Назначение лопаточных машин в ГТД различных типов

Лопаточной машиной (называемой также лопастной или турбомашиной) называется устройство, в проточной части которого осуществляется подвод или отвод механической энергии к потоку

К числу лопаточных машин, подводящих энергию к газовому (жидкостному) потоку, относятся компрессоры, вентиляторы, воз­ душные винты; к числу лопаточных машин, отводящих энергию от потока — газовые, воздушные и гидравлические турбины.

Главными типами машин, реализующими основные термодина­ мические процессы в цикле авиационного газотурбинного двига­ теля, являются воздушные компрессоры (и вентиляторы) и газовые

На рис. 1.1 представлена схема турбокомпрессорной части двух­ контурного трехвального газотурбинного двигателя, одного из наи­ более сложных, использующего практически все типы лопаточных машин, т. е. обладающего наиболее общей схемой своей турбоком­ прессорной части. Компрессор низкого давления, называемый обычно вентилятором, осуществляет предварительное сжатие воздуха (по­ вышение давления) и подачу его во внутренний и внешний контуры двигателя. Воздух, поступивший во внутренний контур, дополни­ тельно сжимается в промежуточном, подпорном компрессоре, а затем в компрессоре среднего и высокого давления. Затем воздух высокого давления поступает в камеру сгорания, где его температура суще­ ственно повышается при сгорании топлива, вводимого в поток.

Продукты сгорания, имеющие высокие температуру и давление, последовательно расширяются в турбинах высокого, среднего и,

12

Рис. 1.1. Схема турбокомпрессорной части двух контурыого трехвального двигателя:

А — корпусные детали и связанные с ними неподвижные элементы лопаточных машин (статор); Б — вращающиеся детали (ротор)* / — вход­

бины высокого давления; 14 — СА и РК турбины среднего давления; 15 — переходный канал; 16 — турбина низкого давления; 17 —спрямляю­ щий аппарат (или стойки выходного устройства турбины)

Со

Наконец, низкого давления. Механическая энергия, отводимая прй

этом от потока и передаваемая на вал турбины, соответственно расходуется на повышение давления и подачу воздуха компрессорами высокого и среднего давления и вентилятором, с вала которого от­ водится также мощность для привода подпорного компрессора. Свободная энергия, т. е. энергия газа за турбиной, и энергия воз­ духа внешнего контура расходуется, как известно, на повышение скорости газа, т. е. на создание реактивной силы — тяги авиацион­ ного ГТД. В двигателях более простых схем используются отдельные элементы рассмотренной общей схемы.

Так в одноконтурном ТРД воздух сжимается и подается в ка­ меру сгорания компрессором, а затем горячий газ расширяется в турбине, вращающей этот компрессор. Одновальный (однокаскад­ ный) ТРД аналогичен каскаду высокого давления, показанному на рис. 1.1. Двухвальный (двухкаскадный) ТРД аналогичен совокуп­ ности каскадов среднего и высокого давления.

В турбовинтовых и турбовальных (одноконтурных) двигателях (ТВД) мощность, развиваемая турбиной, расходуется как на привод компрессора, так и на привод воздушного винта или на привод дру­ гих агрегатов летательного аппарата (электрогенераторы, насосы топливных и гидравлических систем и др.). Эти машины также мо­ гут быть одновальными и многовальными.

Таким образом, назначением лопаточных машин во всех схемах авиационных ГТД является: у компрессоров и вентиляторов — по­ вышение давления и подача воздуха в газовоздушный тракт двига­ теля; у турбины — в результате расширения газа получение меха­ нической энергии, расходуемой на вращение вентилятора и компрес­ соров, воздушных винтов (у ТВД) и различных агрегатов (у турбо­ вальных двигателей).

1.2. Требования, предъявляемые к авиационным лопаточным машинам

Основными требованиями к лопаточным машинам авиа­ ционных ГТД, обусловленными особенностями их использования на летательных аппаратах, являются: минимальные габаритные раз­ меры и масса, высокий коэффициент полезного действия (КПД), благоприятное протекание характеристик, надежность и живучесть, технологичность, мобильность создания и возможность модернизации.

Минимальные габаритные размеры и масса представляют собой естественное требование, предъявляемое к авиационной силовой установке. Если учесть, что масса турбокомпрессорной части со­ ставляет 60—70 % массы двигателя, то проблема создания легких вентиляторов, компрессоров и турбин предстает как одна из основ­ ных в современном авиадвигателестроении. Не менее важным яв­ ляется получение минимальных габаритных размеров, так как они определяют также массу мотогондолы, узлов крепления двигателя и естественно аэродинамические характеристики летательного аппа­ рата.

14

Уменьшение габаритных размеров и массы лопаточных машин при сохранении необходимых характеристик достигается в резуль­ тате увеличения скоростей рабочего тела по тракту машины и уве­ личения энергии, подводимой (отводимой) к рабочему телу в каждой сгупени, в том числе и из-за увеличения окружных скоростей лопаток.

Немаловажную роль играет рациональная конструкция деталей, основывающаяся на совершенствовании методов расчета на проч­ ность, применении новых, более совершенных материалов, облада­ ющих повышенной прочностью при небольшой плотности (титановые сплавы и др.).

Если в начале развития авиационных газотурбинных двигателей их удельная масса составляла удв = 0,07 ... 0,085 кг/Н, то в настоя­ щее время ставится задача создания двигателей с удв = 0,01 кг/Н. Соответственно лобовая производительность (расход воздуха, отне­

Высокий КПД лопаточных машин непосредственно обеспечивает получение высоких показателей эффективности двигателя — низкого удельного расхода топлива, а следовательно, и увеличение даль­ ности или продолжительности полета летательного аппарата, и снижение стоимости авиационных перевозок.

Повышение и без того высоких КПД стало особенно трудной задачей, когда для удовлетворения первого требования (минималь­ ные габаритные размеры и масса) стали создаваться лопаточные машины с пониженным числом ступеней и, следовательно, с повы­ шенной иагруженностью каждой ступени.

Достижение высоких значений КПД стало возможным в резуль­ тате тщательной аэродинамической отработки элементов проточной части с учетом особенностей течения рабочего тела. Для этого по­ требовалось серьезное совершенствование методов аэродинамиче­ ского расчета лопаточных машин и проведения большего числа целенаправленных экспериментальных исследований. Несмотря на то, что за 40 лет развития лопаточных машин их КПД увеличился: у компрессоров с 0,75—0,8 до 0,85—0,9 и у турбин с 0,8—0,85 до 6,9 —0,94, — в настоящее время поставлена задача дальнейшего повышения КПД, в особенности охлаждаемых турбин, высоконапор­ ных вентиляторов и компрессоров перспективных двигателей со

Благоприятное протекание характеристик лопаточных машин особенно важно для авиационных ГТД, являющихся по характеру использования многорежимными, широкодиапазонными машинами. Авиационный ГТД должен обеспечить необходимые параметры как в условиях старта (на земле, при практически нулевой скорости), гак и в условиях полета на больших высотах, с повышенными, в том числе, сверхзвуковыми скоростями.

При неблагоприятном протекании характеристик возможно су­ щественное снижение КПД на отдельных режимах, несмотря даже

15

на его высокое значение на так называемом расчетном режиме Кроме того, на некоторых режимах возможно появление признаков неустойчивой работы компрессоров, что существенно ухудшает работу двигателя и поэтому недопустимо.

Необходимые характеристики удается получить рациональны^ выбором самого расчетного режима, определенным нагружением отдельных ступеней в многоступенчатой машине и широким исполь­ зованием различных способов регулирования, включающих в себя механизацию элементов проточной части (поворачивающиеся ло­ патки, перепуски воздуха и др.).

Надежность и живучесть также являются требованиями, особо1 специфическими для авиационной техники. Они включают в себя вопросы прочности, износа и определяются широким комплексом расчетных и конструкторских мероприятий, использованием совре­ менных методов контроля и диагностики (оценки состояния) дви­ гателя.

Технологичность, мобильность создания и возможность модер­ низации авиационной техники включает в себя как анализ техноло­ гичности самой конструкции, так и возможности использования ме­ тодов и приемов передовой технологии. Например, в последнее время стало особенно важным уменьшение числа лопаток компрессоров и особенно турбин, которые, являясь самыми сложными деталями,

взначительной мере определяют стоимость двигателя. Разумеется, здесь перечислены лишь самые основные требования

клопаточным машинам ГТД. Но даже этот анализ указывает на противоречивый характер отдельных требований (например, проч­ ность и масса), и поэтому комплексное удовлетворение всех требова­ ний представляет собой серьезную инженерную и научную задачи.

1.3.Схемы и основные данные компрессоров

итурбин авиационных ГТД

1.3.1. Классификация

В настоящее время используется классификация лопаточ­ ных машин по ряду основополагающих признаков. Наиболее суще­ ственным признаком является направление потока (точнее его рас­ ходной составляющей) в проточной части машины и различают:

а) осевые машины (компрессоры и турбины); б) радиальные (центробежные и центростремительные); в) диагональные; г) комбинированные.

В осевых машинах направление скорости потока в меридиональ­ ной плоскости машины (см. рис. 1.1) близко к параллельному оси машины. В настоящее время осевые вентиляторы, компрессоры и турбины являются основным типом лопаточных машин, исполь­ зуемых в авиационных ГТД.

Врадиальных машинах поток направлен в основном по радиусу.

Вавиационной практике нашли применение центробежные компрес-

16

соры и центростремительные турбины. Однако и в тех и в других, как правило, имеются участки проточной части с осевым направле­ нием рабочего тела. Поэтому их называют еще смешанными.

Вдиагональных компрессорах направление потока на основном участке подвода энергии среднее между осевым и радиальным, хотя имеются участки и чисто осевого течения.

Впоследние годы особенно возрос интерес к комбинированным: осецентробежным и диагонально-осевым компрессорам, представ­ ляющим собой последовательное соединение соответствующих машин.

Возможны и другие принципы классификации лопаточных машин: по числу ступеней (одноступенчатые и многоступенчатые); по числу

валов многоступенчатой машины (одновальные и многовальные); по уровню скоростей в проточной части (дозвуковые, трансзвуковые

исверхзвуковые) и по другим конструктивным признакам (охлаждае­ мые и неохлаждаемые турбины, центробежные компрессоры с одно­ сторонним и двусторонним входом, машины с неподвижными пово­ ротными лопатками и др.).

Влияние этих конструктивных особенностей на рабочий процесс

иметоды их расчета будут изучаться при рассмотрении отдельных типов машин.

1.3.2. Осевые компрессоры

Наибольшее распространение получили осевые вентиля­ торы — одноступенчатые, двухили трехступенчатые и реже че­ тырехили пятиступенчатые, и осевые компрессоры с числом сту­ пеней от 3 — 5 до 15—17. Ступенью осевого многоступенчатого компрессора (рис. 1.2) называется совокупность рабочего колеса (РК) и установленного за ним направляющего аппарата (НА), лопатки которых вместе с ограничивающими поверхностями образуют про­ точную часть ступени.

Основным достоинством осевых компрессоров является удобство создания многоступенчатой конструкции из последовательно распо­ ложенных осевых ступеней. Эго особенно важно, так как даже при окружных скоростях пк == 350 ... 450 м/с (и более) для получения высоких КПД степень повышения давления в одной ступени не превышает значений л*т — 1,4... 1,5 (у вентиляторов— 1,6 ... 1,7).

Другим важным достоинством осевых компрессоров является их высокая лобовая производительность. Она достигается как повы­ шенными скоростями на входе в компрессор, так и выбором пони­

К числу недостатков осевых компрессоров относятся: сравни­ тельно узкий диапазон рабочих режимов (режимов устойчивой ра­ боты), большое число деталей и, в частности, лопаток (несколько сотен), что усложняет их производство и увеличивает стоимость, чувствительность к условиям эксплуатации (попадание пыли и дру­ гих предметов в проточную часть, увеличение зазоров и как след­ ствие снижение КПД и др.)

1$

1.3.3. Центробежные й комбинированные компрессору

Схемы центробежных компрессоров показаны на рис. 1Д л компрессора с односторонним осевым входом воздух поступает па РК через неподвижный НА осевого типа.

У компрессора с двусторонним входом чаще используется коль­ цевой вход, а неподвижный НА представляет собой кольцевую ре­ шетку, за которой устанавливаются также направляющие торо­ идальные поверхности. Входная часть РК имеет лопатки, обеспе­ чивающие безударный вход потока. Этот вращающийся НА иногда выполняется за одно целое с колесом. В рабочем колесе к воздуху подводится энергия, расходуемая на повышение давления и увели­ чение скорости потока. Кинетическая энергия этой скорости в даль­ нейшем преобразуется в энергию давления при торможении потока в бе^лопаточном (щелевом) и лопаточном диффузорах (аналогах НА ступени осевого компрессора).

К числу достоинств центробежных компрессоров относятся срав­ нительно высокие степени повышения давления в одной ступени (Дц и - 5 ... 6 при ик — 450 ... 500 м/с), относительная простота конструкции, определяемая существенно меньшим числом деталей, более благоприятная характеристика и меньшая чувствительность к условиям эксплуатации, чем у осевых.

Недостатком центробежных компрессоров является понижен­ ная лобовая производительность, так как сечение входа воздуха занимает лишь незначительную часть миделя компрессора (осо­ бенно у компрессора с односторонним входом). Более затрудни­ тельно создание многоступенчатой конструкции, так как после вы­ хода из предыдущей ступени воздух может попасть на вход в сле­ дующую лишь с помощью так называемого обратного канала слож­ ной петлеобразной формы.

Рис. 1.3. Схемы и основные элементы центробежных компрессоров:

и с односторонним; б — с двухсторонним входом; 1 , 2 — неподвижный и вращающийся НА; 3 — рабочее колесо; 4, 5 — безлопаючный (щелевой) и лопаточный диффузоры; 6 — выходное устройство (сборная улитка)

19

В последние годы особый интерес проявляется к использованию комбинированных компрессоров (рис. 1.4). Весьма удобным в ком­ поновке оказывается диагонально-осевой компрессор, диагональная ступень которого сохраняет ряд достоинств как осевой, так и цен­ тробежной ступеней.

Осецентробежный компрессор особенно целесообразен при созда­ нии двигателя малых размеров. В этом случае центробежная ступень устанавливается вместо нескольких осевых, имеющих сверхмалые высоты рабочих лопаток, у которых особенно сказывается влияние радиальных зазоров над лопатками. И хотя в общем случае КПД центробежной ступени несколько меньше осевой в двигателях малых размеров, осецентробежный компрессор может иметь КПД даже выше, чем осевой.

1.3.4. Осевые турбины

Как показано на рис. 1.5 (см. рис. 1.1), ступень осевой турбины состоит из неподвижного НА (обычно называемого сопло­ вым аппаратом) и вращающего РК. Лопатки СА и РК образуют проточную часть ступени турбины, в которой газ, расширяясь, передает значительную часть своей энергии лопаткам рабо­ чего колеса и далее на вал тур­

бины.

Степень понижения давле­ ния в одной ступени турбины

Рис. 1.5. Схема проточной части двух­ ступенчатой осевой турбины (стрел­ ками показаны пути движения охла­ ждающего воздуха):

1 , 2 — СА и РК I ступени; 3 , 4 — СА и РК И ступени

20