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

Подробно вывод данного уравнения, а также методы его решения изложены в учебных посо­ биях по основам теплопередачи, см., например, [5.1]. Поэтому здесь это не рассматривается. От­ метим только, что для решения уравнения необ­ ходимо задать начальные (тепловое состояние детали в начальный момент времени) и гранич­ ные условия на поверхностях, ограничивающих рассматриваемую деталь. В [5.1] приведена сле­ дующая классификация граничных условий, ко­ торые могут применяться для решения уравне­ ния нестационарной теплопроводности:

-граничные условия первого рода - на по­ верхностях, ограничивающих деталь, задаются значения температур, которые могут зависеть от координат точек границы и времени;

-граничные условия второго рода - на гра­ ничных поверхностях рассматриваемой детали задается плотность теплового потока (производ­ ная от температуры по нормали к поверхности). Плотность теплового потока так же задается в ви­ де функции, зависящей от времени и координат точек границы;

-граничные условия третьего рода - тепло­ вой поток задается пропорционально разности температур на границе детали и окружающей среды:

вэтом условии должен быть задан коэффициент теплоотдачи а и температура окружающей сре­ ды Tj,

-граничные условия четвертого рода (усло­

вия сопряжения) - одновременно задается равен­ ство температур и тепловых потоков на границе разделения двух соседних деталей компрессора:

Эти условия допускают различные модифика­ ции. Так, например, если контакт между соседни­ ми деталями неидеален, то существует скачок температуры на границе раздела деталей, т.е.

Необходимо отметить, что граничные усло­ вия второго рода, в силу проблематичности по­ лучения точного значения величины плотности теплового потока, редко используются при оп­ ределении теплового состояния деталей ком­ прессора.

5.2. Методология создания компрессоров

Могут существовать и другие важные гранич­ ные условия, не рассмотренные выше. Напри­ мер, при теплообмене излучением тепловой по­ ток оказывается пропорциональным разно­ сти четвертых степеней температур источника и приемника теплоты. Однако данные граничные условия крайне редко используются при опреде­ лении теплового состояния деталей компрессора, поэтому здесь не рассматриваются.

В основном при решении уравнения тепло­ проводности применительно к деталям компрес­ сора используют граничные условия третьего ро­ да. В этом случае при определении коэффициен­ та теплоотдачи а используют полуэмпирические зависимости. В большинстве случаев применяют безразмерный комплекс, который называют чис­ лом Нуссельта:

Nu = а//Х,

где а Д - коэффициенты теплоотдачи, тепло­ проводности;

/- характерный размер.

Коэффициент теплопроводности X относится к физическим свойствам материала. Коэффици­ ент теплоотдачи а зависит от вида и свойств дви­ жения окружающей среды.

Разделяют два вида движения окружающей среды, влияющих на величину а:

-свободное движение, когда течение окру­ жающей среды возникает в поле массовых сил при наличии градиентов температуры;

-вынужденное движение, когда течение ок­ ружающей среды вызвано внешними причинами.

Обобщенная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи а имеет вид:

-для чисто вынужденного движения

Nu = / 1(Re,Pr),

- для свободного движения

Nu = //Gr,Pr),

где Re, Рг, Gr - числа Рейнольдса, Прандля и Грасгофа.

Удобной и сравнительной простой зависимо­ стью для обобщения экспериментальных данных является следующее уравнение: для вынужден­ ного течения (Nu = CRemPr") или свободного (Nu = С (Gr Рг)л), где С, т, п- константы, кото­ рые определяются экспериментальным путем. Нахождению формул по определению числа Нуссельта для отдельных видов и классов тече­ ний окружающей среды посвящено множество работ. Так, в [5.2], [5.3] представлены формулы,

Глава 5. Компрессоры ГТД

которые можно использовать при определении теплового состояния деталей компрессора.

В настоящее время появляются программные продукты, в которых не требуется задавать коэф­ фициент теплоотдачи между деталью компрессора и окружающей средой. Данный коэффициент вы­ числяется при совместном решении уравнения теп­ лопроводности, определяющего тепловое состоя­ ние детали, и уравнений Навье-Стокса, описываю­ щих течение вязкого сжимаемого газа вокруг рассматриваемой конструкции с учетом теплооб­ мена между газом и деталями компрессора. С раз­ витием вычислительной техники данный способ получения совместного решения теплового состоя­ ния детали и течения среды, омывающей деталь, приобретает все более широкое распространение.

С целью быстрого получения теплового со­ стояния при определении параметров, необходи­ мых для задания граничных условий делают раз­ личные допущения. Так, течение в деталях ком­ прессора разбивают на два вида:

-основное течение газа в проточной части компрессора;

-вторичные (все остальные).

Зачастую необходимые для задания гранич­ ных условий в основном потоке данные получа­ ют из решения уравнений, описывающих про­ цессы в лопаточных машинах. При этом часто вводят дополнительные допущения:

-решается уравнение течения идеального га­ за с принятыми моделями потерь;

-при больших расходах газа по проточной части пренебрегают теплообменом от деталей компрессора в проточную часть.

При определении потоков газа во вторичных течениях обычно переходят к одномерным моде­ лям, а при условии небольших скоростей потока полагают, что окружающая среда несжимаема. Необходимо отметить, что в данных потоках ус­ ловие теплообмена между деталями и окружаю­ щей средой существенно. Поэтому данный теп­ лообмен необходимо учитывать при определе­ нии параметров вторичных течений.

5.2.4. Выбор радиальных и осевых зазоров

В любой конструкции, имеющей движущиеся части, между подвижными и неподвижными де­ талями необходим зазор для обеспечения необ­ ходимой свободы перемещения.

Компрессор ГТД состоит из двух основных частей:

-статора (неподвижного корпуса);

-ротора (вращающейся части).

Применяя цилиндрическую систему коорди­ нат к двигателю (осевая координата совпадает

с осью двигателя), разделим зазоры в компрессо­ ре на два вида (рис. 5.18):

-осевые зазоры (между двумя соседними ло­ паточными венцами);

-радиальные зазоры (между рабочими ло­ патками и корпусом, между лопатками НА и ро­ тором).

При рассмотрении осевых зазоров учитывает­ ся осевое смещение статора относительно рото­ ра, а радиальных зазоров - радиальное смещение. При рассмотрении зазоров, образованных кони­ ческими поверхностями (на поверхностях меня­ ется как осевая, так и радиальная координата), необходимо учитывать как осевое, так и радиаль­ ное смещение статора относительно ротора. Обычно в зависимости от вида таких зазоров, их также называют осевыми или радиальными.

Ротор и статор компрессора являются слож­ ными конструкциями, состоящими из большого количества деталей с различными характеристи­ ками:

-массы;

-геометрии;

-материала.

Детали ротора и статора работают в различ­ ных условиях:

-имеют различное тепловое состояние;

-испытывают различные нагрузки.

Все это приводит к изменению зазоров между ротором и статором во время работы двигателя. Для предотвращения задевания деталей ротора о детали статора во всем диапазоне режимов рабо­ ты компрессора и исключения возможности за­ клинивания ротора до и после останова двигателя зазоры выбираются с учетом вышесказанного.

Для лучшего понимания процесса изменения радиальных зазоров в компрессоре рассмотрим, как ведут себя ротор и статор при запуске и оста­ новке наземного ГТД.

При запуске двигателя растет температура в проточной части компрессора и изменяется теп­ ловое состояние деталей. Заметим, что для обес­ печения требуемого ресурса детали ротора конст­ руируют более массивными, т.е. они обладают большей тепловой инертностью, чем статорные детали. Из-за меньшей тепловой инертности дета­ лей корпуса радиальный зазор увеличивается от­ носительно монтажного, существующего на хо­ лодном двигателе. В процессе работы зазор пере­ стает увеличиваться и начинает уменьшаться по мере прогрева ротора. Стабилизация зазоров на­ ступает, когда тепловое состояние узлов компрес­ сора становится неизменным на установившемся режиме. Помимо теплового расширения деталей ротора и статора существует вытяжка ротора от центробежных сил, которая тоже влияет на изме­ нение радиальных зазоров, но в значительно меньшей степени, поэтому в данном примере мы ее не рассматриваем. При остановке двигателя корпус компрессора остывает быстрее, чем ротор, поэтому радиальный зазор уменьшается и стано­ вится меньше монтажного. Скорость изменения зазоров пропорциональна времени, за которое происходит полный останов двигателя. При рез­ ком снижении режима двигателя радиальные за­ зоры продолжают уменьшаться после остановки двигателя. При неправильно выбранных монтаж­ ных зазорах в таких случаях может произойти за­ клинивание ротора.

При выборе величины монтажных зазоров не­ обходимо учитывать их влияние на эффектив­ ность работы компрессора. Зазоры в значитель­ ной степени влияют на аэродинамику. Течение газа как в осевом, так и в радиальном зазоре име­ ет сложную трехмерную структуру. В зависимо­ сти от величины зазора меняется характер тече­ ния и, как следствие, изменяется эффективность работы компрессора. Существует оптимальная величина осевого и радиального зазоров, при ко­ торой достигается максимальная эффективность

5.2. Методология создания компрессоров

компрессора. Но даже при оптимальных зазорах всегда существуют «паразитные течения», но их вредное влияние на параметры компрессора должно быть минимизировано.

Отрицательное влияние на эффективность компрессора оказывают:

-неравномерность потока в следе за лопатка­ ми при минимальном осевом зазоре между ло­ патками статора и ротора;

-потери на трение при большом осевом зазо­ ре между лопатками статора и ротора;

-расположение скачков уплотнения при взаимодействии ротора и статора в случае неоп­ тимального осевого зазора между лопатками ста­ тора и ротора;

-перетекание газа из области повышенного давления (за лопаткой) в область пониженного (перед лопаткой) при большом радиальном зазо­ ре (рис. 5.19), при этом с уменьшением высоты лопатки усиливается влияние обратных потоков на эффективность компрессора;

-образование вихревых зон на торцах лопа­ ток из-за отсутствия сдува вихря при перетека­ нии, а также работа части пера лопатки в присте­ ночной области при небольшой (близкой к нулю) величине радиального зазора.

Отрицательное влияние на эффективность компрессора оказывают:

-неравномерность потока в следе за лопатка­ ми при минимальном осевом зазоре между ло­ патками статора и ротора;

-потери на трение при большом осевом зазо­ ре между лопатками статора и ротора;

-расположение скачков уплотнения при взаимодействии ротора и статора в случае неоп­ тимального осевого зазора между лопатками ста­ тора и ротора;

-перетекание газа из области повышенного давления (за лопаткой) в область пониженного (перед лопаткой) при большом радиальном зазо­ ре (см. рис. 5.32), при этом с уменьшением высо­ ты лопатки усиливается влияние обратных пото­ ков на эффективность компрессора;

-образование вихревых зон на торцах лопа­ ток из-за отсутствия сдува вихря при перетека­ нии, а также работа части пера лопатки в присте­ ночной области при небольшой (близкой к нулю) величине радиального зазора.

Из представленного следует, что выбор опти­ мальных осевых и радиальных зазоров - это ком­ промисс между эффективностью компрессора

ибездефектной работой его узлов.

Оптимальная величина радиального и осевого зазора зависит от распределения как геометриче­ ских, так и газодинамических параметров в ступе­ ни. Для ее определения на основных режимах рабо-

Зазор, мм

определенной температуры, который изменяет тепловое состояние детали, соответственно изменяются тепловое расширение статора и ра­ диальный зазор в ступени. При этом воздейство­ вать на корпус можно двумя способами. Пер­ вый - на основных режимах работы компрессора уменьшить радиальный зазор путем охлажде­ ния деталей статора воздухом, отбираемым от предыдущих ступеней. Второй - на неосновных режимах работы компрессора увеличить ради­ альный зазор путем нагревания корпуса ком­ прессора воздухом, отбираемым от последую­ щих ступеней.

В настоящее время предпочтение отдается первому способу.

На рис. 5.21 представлена конструкция задне­ го корпуса КВД двигателя ПС-90А с активным регулированием радиальных зазоров путем охла­ ждения воздухом, отбираемым из-за подпорных ступеней. Стрелками показаны направления те­ чения охлаждающего воздуха. Воздух из-за под­ порных ступеней по трубопроводу подается к патрубку в корпусе обдува L После этого воз­ дух попадает в кольцевой коллектор, образуе­ мый корпусом обдува и закрепленным на нем тонкостенным кожухом 2 с сетью отверстий 3. Через эти отверстия и осуществляется непосред-

5.2. Методология создания компрессоров

Рис. 5.21. Корпус компрессора дв. ПС-90А с каналами для активного

регулирования радиальных зазоров: 1 - корпус обдува; 2 - кожух; 3 - отверстия обдува; 4 - корпус

компрессора; 5 - отверстия для сброса воздуха в наружный контур

ственный обдув корпуса компрессора 4 . Далее воздух сбрасывается в наружный контур через отверстия 5.

грузок над деталью корпуса компрессора созда­ ется воздушная полость, наполняемая воздухом с повышенным давлением. На основных режи­ мах работы в эту полость подается воздух высо­ кого давления. Это приводит к тому, что корпус компрессора от газовых сил расширяяется мень­ ше, и величина радиального зазора в ступени компрессора уменьшается.

Описанный способ регулирования зазоров можно реализовать в конструкции, подобной представленной на рис. 5.21, только в ней не бу­ дет кожуха 2 и выпускных отверстий 5.

Преимущество этого способа в том, что воз­ дух, заполняющий полость над корпусом, остает­ ся в системе, а не сбрасывается в наружный колнтур, как в случае с дополнительным охлаждени­ ем корпусом. С другой стороны, эффективность способа гораздо ниже. Для увеличения эффек­ тивности, необходимо уменьшать жесткость кор­ пуса, например, делать его более тонким, что может привести к уменьшению ресурса. Однако такой способ регулирования зазоров может полу­ чить развитие в случае создания новых жаро­ прочных материалов с небольшой жесткостью

ивысокими прочностными характеристиками. Таким образом, выбор зазоров в компрессо­

рах осуществляется в два этапа:

-на первом этапе, на стадии выполнения проектировочных газодинамических расчетов определяются «оптимальные» величины зазоров.

Вдальнейшем, при доводке двигателя, размеры зазоров могут быть уточнены;

-на втором этапе монтажные зазоры, конст­ рукция и геометрия деталей компрессора опреде­ ляются таким образом, чтобы при работе на ос­ новных режимах работы величина зазора была близка к оптимальной и при этом не допускала задеваний во всем диапазоне работы компрессо­ ра. Последнее требование подразумевает, что минимальная величина зазора должна превы­ шать величину, определяемую действием всевоз­ можных факторов, способных ее изменить (до­ пуск на изготовление и сборку; люфт подшипни­ ков; нагрузки от воздействия на двигатель со стороны самолета, и т.д.). При этом минимальная величина зазора определяется с учетом всех воз­ можных циклов работы двигателя.

На изготовление и сборку деталей существу­

ют допуски, из-за которых величина зазора в компрессоре непостоянна в окружном направ­ лении. Кроме этого, при работе компрессора из-за неравномерности прикладываемых нагру­ зок происходит дополнительная овализация де­ талей и смещение осей деталей ротора и статора. Для уменьшения изменения радиального зазора

чими лопатками наносится легковырабатываемое покрытие. Кроме этого, для улучшения приработки по торцам лопаток профиль пера на торцах утончают.

Заключение о правильности назначенных за­ зоров делают по результатам осмотра газовоз­ душного тракта компрессора после проведения испытаний, а также измерением радиальных

иосевых зазоров при работе компрессора.

5.3.Конструктивные и силовые схемы осевых компрессоров

Осевые компрессоры делятся на три группы: одно-, двухили трехкаскадные.

В однокаскадных компрессорах (рис. 5.22) ро­ тор 1 расположен на двух опорах - с роликовым подшипником, воспринимающим радиальные нагрузки, и радиально-упорным шариковым под­ шипником, фиксирующим положение ротора от­ носительно статора 2. При этом передача усилий от передней опоры происходит через радиальные стойки 3 входного корпуса, а от задней - по кор­ пусу КС через спрямляющий аппарат 4 послед­ ней ступени компрессора или стойки КС.

При сравнительной простоте конструкции од­ нокаскадные компрессоры с большой степенью сжатия, имеющие, соответственно, большое чис­ ло ступеней, для обеспечения газодинамической устойчивости на всех режимах работы двигателя требуют сложных систем регулирования. Напри­ мер, использования поворотных направляющих лопаток, систем перепуска воздуха, что, в свою очередь, снижает надежность и экономичность работы компрессора. Более подробно вопросы регулирования компрессора будут рассмотрены

вподразд. 5.6.

Внастоящее время большее распространение получили двух- и трехкаскадные схемы компрес­ соров. Двухкаскадный компрессор состоит из двух осевых компрессоров 1 и 2 соответственно

низкого давления, расположенного впереди, и высокого давления, расположенного за ним (рис. 5.23). Двухкаскадный компрессор не имеет жесткой связи между двумя роторами, что позво­ ляет каждому из роторов вращаться с оптималь­ ной для них частотой. Это оказывает положи­ тельное влияние на величину запасов газодина­ мической устойчивости компрессора.

В то же время конструктивно компрессор становится сложнее. Так, длинный вал каскада низкого давления зачастую нуждается в дополни­ тельной межвальной опоре. Обеспечение нор­ мальной работы подшипника в такой опоре стано-