книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Глава 5. Компрессоры ГТД

со

) I Н

Рис. 5.5. Схема решеток профилей лопаток

и треугольники скоростей

в ступени осевого компрессора

Уменьшение скорости в РК приводит к повыше­ нию статического давления от Р, на входе до Р2 на выходе. Работа, подводимая к воздуху в РК, идет не только на повышение статического дав­ ления, но и на увеличение абсолютной скорости от значения Схдо С2.

Из РК воздух со скоростью С2поступает в ка­ налы НА. Вследствие диффузорности межлопа­ точных каналов НА происходит уменьшение аб­ солютной скорости от величины С2 на входе до

С на выходе и, следовательно, повышение статического давления от Р2 до Ру Кроме того, НА осу­ ществляет требуемый поворот воздуха перед

входом в следующее РК.

Таким образом, полный прирост статического давления в ступени составляет сумму прироста давления в РК и НА:

Л Р СТ= р к + А ^ н а -

В результате сжатия воздуха его температура повышается от Т] на входе в РК до Т2на выходе

из ступени.

Изменение параметров состояния воздуха в сту­ пени осевого компрессора приведено на рис. 5.4.

При движении вдоль проточной части много­ ступенчатого компрессора воздух сжимается и его плотность возрастает. Поэтому, чтобы обеспечить требуемую величину осевой скоро­ сти на выходе из компрессора, которая обычно составляет 120... 180 м/с, проточную часть ком­ прессора выполняют сужающейся к выходу.

Отношение давления на выходе из ступени к давлению на входе в нее называется степенью повышения давления в ступени - пст. Степень повышения давления многоступенчатого ком­ прессора тем больше, чем больше степени повы­ шения давлений отдельных ступеней и чем боль­ ше их количество.

Степень повышения давления в ступени осево­ го компрессора в основном зависит от средней ок­ ружной скорости лопаток. Чем больше эта ско­ рость, тем больше степень повышения давления. Максимальная окружная скорость лопаток из ус­ ловий их прочности обычно не превышает 300...450 м/с. Например, максимальная окружная скорость рабочих лопаток первой ступени КВД двигателя ПС-90А составляет 365 м/с. Диаметр ступени компрессора определяется потребным расходом воздуха, его плотностью и осевой ско­ ростью. Осевая скорость воздуха сохраняется по всем ступеням постоянной или несколько умень­ шается к последним ступеням. Поскольку плот­ ность воздуха на входе в первую ступень мини­ мальная, то наибольшую площадь проточной части имеет первая ступень, далее площадь уменьшается к последним ступеням. Площадь проточной части ограничена ее наружным и внут­ ренним диаметрами. Для уменьшения наружного диаметра первой ступени при заданной площади проточной части уменьшают внутренний диа­ метр, а чтобы обеспечить размещение лопаток на роторе, внутренний диаметр выбирают обычно равным 0,35.. .0,4 от наружного диаметра.

На последующих ступенях может быть сохра­ нен тот же наружный диаметр, что и на первой

Недостатком центробежных компрессоров яв­ ляется пониженная лобовая производительность, так как сечение входа воздуха занимает лишь не­ значительную часть миделя (максимальной пло­ щади поперечного сечения) компрессора, особен­ но у компрессора с односторонним входом. Более затруднительно создание многоступенчатой кон­ струкции, так как после выхода из предыдущей ступени воздух может попасть на вход следую­ щей лишь с помощью так называемого обратного канала сложной петлеобразной формы.

Использование центробежного компрессора вместо многоступенчатого осевого возможно, когда КПД ступени центробежного компрессора при я* = 6 ...8 достигнет т|* = 0,82...0,83, т.е. приблизится к КПД осевых многоступенчатых компрессоров. Более целесообразно применение осецентробежных компрессоров в двигателях малых размеров.

По аэродинамической схеме РК могут быть разделены на четыре основных группы:

-колеса низкой реактивности с лопатками, загнутыми в сторону вращения (рис. 5.10);

-колеса со степенью реактивности, близкой

к 0,5, с радиальными лопатками (Р2л = 90°) (рис. 5.11);

Рис. 5.11. Колесо полуоткрытого типа с выходным углом

Р2л = 90°

5.2.Методология создания компрессоров

-колеса средней реактивности с лопатками, умеренно загнутыми в сторону, обратную враще­ нию (Р^ = 40...60°);

-колеса высокой реактивности с лопатками, загнутыми в сторону, обратную вращению

(Ргл= 15...35°).

Колеса низкой реактивности применяют в ос­ новном при производстве промышленных венти­ ляторов. Эти колеса отличаются высоким значе­ нием коэффициента расхода и сравнительно большими значениями абсолютной скорости на выходе из колеса. Вследствие низкой степени ре­ активности основной процесс повышения стати­ ческого давления в машинах с такими колесами происходит за счет диффузорного эффекта в не­ подвижных элементах.

Колеса со степенью реактивности, близкой к 0,5, с радиальными лопатками обычно выпол­ няются полуоткрытого типа. В отличие от колес с изогнутыми лопатками здесь лопатки начина­ ются от втулки, и поворот потока из осевого на­ правления в радиальное происходит в межлопа­ точном пространстве. Входные кромки лопаток в таких колесах обычно загибаются таким обра­ зом, чтобы их направление соответствовало на­ правлению набегающего потока.

Вследствие отсутствия покрывного диска и бла­ годаря прямолинейной форме и радиальному на­ правлению лопаток напряжения в таких колесах при одних и тех же окружных скоростях значи­ тельно ниже, чем в двухдисковых колесах (с по­ крывным диском) с искривленными лопатками. Поэтомутакие колеса пригодны для работы с боль­ шими скоростями вращения (до и = 550.. .600 м/с), что дает возможность получить в ступенях весьма большие напоры и расходы. Колеса этой группы нашли широкое применение в авиационных и транспортных машинах.

Колеса средней реактивности с лопатками, умеренно загнутыми в сторону, обратную враще­ нию (Р^ = 40...60°), распространены в стацио­ нарных промышленных компрессорах для нагне­ тания различных газов (например, азота). Такие колеса часто называют просто колесами ком­ прессорного типа.

Колеса высокой реактивности с лопатками, за­ гнутыми в сторону, обратную вращению (Ргл= 15...35°), имеют широкое применение в насосостроении. В последнее время их стали приме­ нять также и в компрессорах. Благодаря высокой степени реактивности ступени с такими колесами имеют сравнительно высокий КПД (до 86.. .87 %). Для колес этой группы характерны небольшие зна­ чения коэффициента расходной скорости ср2г.

Такие колеса часто используются в последних ступенях многоступенчатых компрессоров, где

-осевой;

-центробежный;

-осецентробежный.

После выбора типа компрессора на основании исходных данных технического задания выпол­ няется расчет его характеристик. На первом эта­

пе аэродинамического проектирования компрес­ сора расчет выполняется на основе одномерной математической модели. Исходными данными для расчета являются:

- полное давление и температура потока на входе в компрессор;

-расход воздуха;

-степень повышения давления;

-частота вращения ротора;

-распределение коэффициента затраченной работы по ступеням.

Расчет компрессора по параметрам на сред­ нем радиусе выполняется на основании уравне­ ний, известных из термодинамики.

На этом этапе проектирования определяются параметры компрессора для последующего рас­ чета характеристик компрессора:

-размеры и форма проточной части;

-изоэнтропический коэффициент полезного действия;

-масса и длина;

ных параметров компрессора (включая коорди­ наты профилей), обеспечивающих реализацию расчетного поля течения.

Начальные значения геометрических пара­ метров находятся, исходя из имеющегося опыта, однако уже на этой стадии предусматриваются расчетная проверка прочности наиболее ответст­ венных деталей (лопаток и дисков ротора). При необходимости производится коррекция их гео­ метрии и повторный расчет течения.

Важнейшей частью работ на втором этапе проектирования компрессора является расчет его характеристик на основе осесимметричной мате­ матической модели. В основу расчета положен один из вариантов так называемого «метода кри­

венцов;

-углы изгиба профиля рабочих и направляю­ щих лопаток;

-углы атаки и отставания лопаток;

-углы лопаток на среднем радиусе.

Расчет характеристик проводится для опреде­ ления параметров компрессора и запасов устой­ чивости на различных эксплуатационных режи­ мах его работы.

Расчет каждой ступени компрессора прово­ дится последовательно от ступени к ступени. По­ сле расчета всех ступеней вычисляется суммар­ ная степень повышения давления компрессора

/=1

Суммарный КПД компрессора определяется по методике, используемой в проектировочном расчете компрессора на среднем радиусе (см. вы­ ше). В результате выполнения первого этапа аэ­ родинамического проектирования определяется предварительный вариант основных геометриче­ ских параметров проточной части компрессора, которые можно использовать для прорисовки его конструктивного облика.

В общем случае результаты одномерного про­ ектирования имеют как самостоятельное значе­ ние, так и могут использоваться в качестве ис­ ходных данных для следующего этапа разработ­ ки проекта.

5.2.2.3. Расчет компрессора на основе двумерной осесимметричной математической модели

ры компрессора (GB, я*, п) и данные, полученные при одномерном расчете:

-средние параметры ступеней;

-размеры проточной части компрессора. Граничными условиями на входе в компрес­

сор являются:

-радиальное распределение полного давле­

ния;

-радиальное распределение температуры торможения;

-радиальное распределение угла потока. Граничными условиями на выходе из ком­

прессора являются:

-радиальное распределение угла потока;

-постоянство статического давления;

- равенство суммарного расхода воздуха в струйках тока проектному значению GB.

Для решения обратной задачи определения параметров потока в расчетных сечениях исполь­ зуется система газодинамических уравнений для идеального газа, включающая дифференциаль­ ное уравнение движения и эмпирические соотно­ шения. Эти соотношения используются для на­ хождения потерь в лопаточных венцах и учета влияния радиальных зазоров на параметры ком­ прессора.

В результате решения обратной задачи опре­ деляются параметры потока в межвенцовых зазо­ рах осевого компрессора, осредненные и распре­ деленные параметры лопаточных венцов, ступе­ ней и компрессора в целом, в том числе его суммарные параметры - степень повышения полного давления и изоэнтропический КПД.

В основу второго этапа аэродинамического проектирования положено решение обратной задачи расчета осесимметричного течения в про­ ектной точке. Смысл проектирования, в конеч­ ном счете, состоит в определении конструктив­

5.2.2.4. Трехмерный расчет вязкого течения

влопаточных венцах компрессора

Всоответствии с рассматриваемой методоло­ гией на третьем этапе предусматривается даль­ нейшая оптимизация компрессора, основанная на

Глава 5. Компрессоры ГТД

а

i >0

б

Рис. 5.15. Схема обтекания лопаток РК осевого

компрессора:

а - расчетный режим работы; б, в - нерасчетные

режимы работы

-объем камеры сгорания;

-площадь соплового аппарата турбины. Помпаж сопровождается срывами потока зна­

чительной интенсивности в ступенях компрессо­ ра и периодическими выбросами сжатого в ком­ прессоре воздуха во всасывающую систему. Встречные ударные волны и низкочастотные ко­ лебания давления могут вызвать повреждения компрессора.

Нерасчетный режим появляется из-за рассо­ гласования в работе его первых и последних сту­ пеней. Рассогласование может быть вызвано сле­ дующими причинами:

- отклонениями частоты вращения ротора от расчетного значения;

- изменениями температуры воздуха на вхо­ де в компрессор.

При отклонении частоты вращения ротора от расчетного значения нарушается работа крайних ступеней, когда уменьшение частоты вращения вызывает срыв потока в первых ступенях, а уве­ личение - в последних.

При уменьшении частоты вращения ротора компрессора осевые составляющие скорости на первых ступенях уменьшаются сильнее, чем на последних. Поскольку окружные скорости на первых и последних ступенях изменяются одина­ ково, углы атаки на первых ступенях увеличива­ ются, а на последних уменьшаются. В этом слу­ чае углы атаки на первых ступенях достигают критических значений раньше, чем на послед­ них, что обусловливает срыв потока на первых ступенях. Вследствие этого срывы на последних ступенях отсутствуют. Однако при очень боль­ ших отрицательных углах атаки на последних ступенях может наступить так называемый «тур­ бинный» режим, при котором воздух в этих сту­ пенях не сжимается, а расширяется. При таком режиме работы последних ступеней падают КПД и напор компрессора.

Если частоты вращения ротора компрессора увеличиваются по сравнению с расчетным значе­ нием, то осевая составляющая скорости на по­ следних ступенях будет уменьшаться вследствие увеличения плотности воздуха из-за роста степе­ ни сжатия. При этом уменьшение скорости про­ исходит таким образом, что углы атаки лопаток на последних ступенях увеличиваются значи­ тельно быстрее, чем на первых. Таким образом, срывы потока, вызывающие помпаж, будут воз­ никать прежде всего на последних ступенях.

Изменение температуры воздуха на входе в компрессор также может вызвать рассогласова­ ние, вследствие того, что увеличение температу­ ры воздуха при постоянной частоте вращения вызывает уменьшение осевой составляющей ско­ рости на ступенях компрессора, тем самым уве­ личивая углы атаки. На последних ступенях углы атаки увеличиваются быстрее, в результате чего на этих ступенях критические углы атаки дости­ гаются раньше, чем на первых. При достижении критических углов атаки образуются срывные зоны, которые, постепенно увеличиваясь в раз­ мерах, охватывают все большее число ступеней до тех пор, пока не наступит неустойчивый ре­ жим работы всего компрессора.

Треугольники скоростей позволяют выяснить физическую сущность возникновения помпажа компрессора и применяемых мер борьбы с ним. На рис. 5.15 представлена картина обтекания ло­ паток на трех режимах работы компрессора.

Если компрессор работает на расчетном ре­ жиме, то направление движения воздушного по­