книги из ГПНТБ / Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]
.pdf
А. Г. МАМИКОНОВ, А. П. ЕРОХИН, Г. И. ПРЕДТЕЧЕНСКИЙ
ТЕОРИЯ
АВИАЦИОННЫХ КОМПРЕССОРОВ
И ГАЗОВЫХ ТУРБИН
Под редакцией профессора доктора технических наук
И. И. КУЛАГИНА
А К В В И А
им.А.Ф. М ож айского
ЛЕНИНГРАДСКАЯ . КРАСНОЗНАМЕННАЯ ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО
Ленинград— 1961
$ ( ~ А к 9 С>
гГОС ПУГЛИЧНАЯ
НАУ - г р |
l,la КАЯ |
B nu .-. iO w |
\ I СОР |
Г ЭКЗЕМПЛЯР1 1 читЗАЛА,
!\
ш ю
Технический редактор Никитина Т. П.
Корректор Мигукина Г. С.
Подписано к печати 11.12.61 |
Печ. листов |
26,5 |
Авт. листов 27 |
Зек. 142 |
|
|
Г-945861 |
Тинолитография ЛКВВИА имени А. |
Ф. Можайского |
||
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная книга представляет собой первую часть общего учеб ника по курсу теории двигателей летательных аппаратов и предна значается для использования в высших военно-инженерных авиаци онных учебных заведениях. В ней излагаются основы теории и рас чета осевых и центробежных компрессоров и осевых пазовых тур бин, применяемых в авиационных реактивных двигателях. Специфи ческие особенности компрессоров и турбин, используемых для над дува поршневых авиационных двигателей, в книге не освещаются.
В соответствии с назначением учебника главное внимание в нем уделяется описанию физической сущности процессов и явлений, про текающих в компрессорах и турбинах, и влиянию различных экс плуатационных факторов на их работу. Методы газодинамического расчета и проектирования указанных машин освещаются лишь в минимально необходимом объеме. Для чтения книге необходимо знание основ технической термодинамики и аэродинамики. .
Основой для написания книге послужили материалы, опублико ванные в отечественной и зарубежной литературе по компрессорам и турбинам, а также многолетний опыт учебно-методической й.науч но-исследовательской работы коллектива кафедры, возглавляемой профессором доктором технических наук И. И. Кулагиным.
Введение и главы I—XII и XVIII написаны А. Г. Мамиконовым,
главы |
XIII, XVII, § 92—94, 98 и § 118— 120 — А. П. Ерохиным, |
главы |
XVI, XIX, § 95—97 и § 121—Г. И. Предтеченским. Гдава XIV |
написана совместно А. Г. Мамиконовым и Г. И. Предтеченским. Авторы выражают глубокую признательность профессору док
тору технических наук И. И. Кулагину и профессору доктору техни ческих наук К- В. Холщевникову эа внимательный просмотр и ряд ценных замечаний по рукописи учебника. -
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а) Буквы
А — тепловой эквивалент механической работы;^ D — диаметральный размер;
F — площадь проходного сечения;
G — весовой расход воздуха (газа) через компрессор (тур__ бину);
G — параметр весового расхода;
Gi — расход воздуха или газа, приходящийся на один меж лопаточный канал элементарной ступени;
Lad— адиабатическая работа; /./ — потери на трение диска; L{— внутренняя работа;
L K — эффективная работа компрессора; Lm— механические потери;
Lp — политропическая работа; Lr — гидравлические потери;
LT— эффективная работа турбины; Lu — работа на окружности колеса;
ДL — избыточная работа сжатия или расширения; М — число М;
NiK— внутренняя мощность компрессора; NK — эффективная мощность компрессора; А/т — эффективная мощность турбины;
Na — мощность на окружности колеса;
N — параметр мощности;
Р — сила, действующая на профиль;
R, R' — газовые постоянные соответственно для воздуха и газа; сила, действующая на поток;
Т — абсолютная температура; V — объемный расход;
X — сила лобового сопротивления;
Y — подъемная сила; |
|
|
Yt — теоретическая подъемная сила; |
|
|
а — скорость звука; |
абсцисса точки |
максимальной вогну |
тости профиля; |
|
|
Ъ — хорда профиля; |
ширина лопаток |
колеса и диффузора |
центробежного компрессора;
Ъ
—j.-----густота решетки;
с — абсолютная скорость; максимальная толщина профиля; „ Ср — удельная теплоемкость воздуха и газа при постоянном
давлении; со — скорость, эквивалентная располагаемому тёплоперепаду;
сх — коэффициент сопротивления; схр — коэффициент профильного сопротивления;
сха — коэффициент кольцевых потерь; сх1 — коэффициент вторичных потерь; су — коэффициент подъемной силы;
Cyt — теоретический коэффициент подъемной силы;
Д£„— закрутка потока в решетке профилей рабочего колеса _ в абсолютном движении; сд— коэффициент расхода;
ДСд — коэффициент закрутки;
d — относительный диаметр втулки; g — ускорение силы тяжести;
h — располагаемый или адиабатический теплоперёпад; г — угол атаки; энтальпия;
k, — показатели |
адиабаты для воздуха и газа;. |
I — длина лопатки; |
|
т — показатель политропы; |
|
|
й—i |
т*Р = V t f U + |
— постоянный коэффициенте урав |
1 |
|
нении расхода;
п— число оборотов;
р— давление;
q — относительная плотность тока; г — радиальный размер;
s— энтропия;
t— шаг решетки;
и — окружная скорость вращения колеса; v — удельный объем;
w — относительная скорость;
Дщ>в — закрутка потока в решетке профилей в относительном движении;
г — число лопаток; число ступеней; потеря энергии втур-
_ |
бине; |
z |
— относительная потеря энергии в турбине; |
5
а— угол, характеризующий направление абсолютной ско рости; коэффициент дисковых потерь для центробеж
ного компрессора; |
||
Да— угол поворота потока в абсолютном движении; |
||
(3 — угол, |
характеризующий направление относительной |
|
скорости; |
|
|
— установочный угол решетки; |
||
§кр — критическое отношение давлений; |
||
Др — угол поворота потока в относительном движении; |
||
Y — удельный вес; |
|
|
Г — циркуляция скорости; |
||
о — угол отставания |
потока; |
|
е — степень сжатия |
или расширения; |
|
т] — к. п. д. |
решетки; |
|
fjad — адиабатический к. п. д .; |
||
•>], — внутренний к. п. д.; |
||
rjK — эффективный к. п. д. компрессора; |
||
rjm— механический к. п. д .; |
||
tit — эффективный к. п.д. турбины; |
||
к)и— окружной к. п.д. турбины; |
||
6 — угол изгиба профиля; |
||
К — коэффициент скорости; |
качества; коэффициент сколь |
||||
[j. — коэффициент обратного |
|||||
жения; |
|
|
|
|
турбины; |
Р — степень реактивности элементарной ступени |
|||||
плотность; |
|
|
|
|
|
а — коэффициент падения полного давления; |
|
||||
х — степень |
реактивности |
элементарной ступени |
осевого |
||
компрессора; |
|
|
|
||
<р— скоростной коэффициент соплового аппарата; |
|
||||
<рк — коэффициент производительности осевого компрессора; |
|||||
Xt — угол изгиба передней кромки профиля; |
|
||||
— угол изгиба |
задней кромки профиля; |
|
|||
4>— скоростной |
коэффициент рабочего колеса; |
|
|||
о» — угловая |
скорость вращения колеса. |
|
|||
|
|
б) |
Индексы |
|
|
2 , . , . — в сечениях 1-1, 2-2 |
и т. |
д.; |
|
||
а — в сечении на входе в |
компрессор; спроектированный |
||||
на осевое направление; |
|
|
|||
a d — адиабатический; |
|
|
|
||
k — в сечении на выходе из компрессора;
т— в минимальном сечении межлопаточного канала; сред няя геометрическая скорость;
р— политропический; расчетный;
г— спроектированный на радиальное направление; связан ный с гидравлическими потерями;
t — теоретический;
и — спроектированный на окружное направление; г — в сечении перед турбиной; для последней ступени;
вт — у втулки;
к— относящийся к компрессору; на наружном диаметре компрессора;
кр — критический; л — лопаточный;
НА — относящийся к направляющему аппарату; не — наивыгоднейший;
tip— приведенный к стандартным атмосферным условиям; РК — относящийся к рабочему колесу; СА— относящийся к спрямляющему или сопловому аппарату; с р — на среднем диаметре;
cm — относящийся к ступени;
т — относящийся к турбине; на наружном диаметре тур бины;
*— определенный по полным параметрам потока; соот ветствующий расчетному режиму работы решетки.
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. ПОНЯТИЕ О КОМПРЕССОРЕ И ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ
Компрессоры и газовые турбины, (используемые в современных авиационных реактивных двигателях, по своему принципу действия относятся к классу лопаточных машин.
Рабочий процесс этих машин основан ва силовом взаимодейст вии между движущимися (рабочими) лопатками и обтекающим их потоком газа или жидкости. В результате такого взаимодействия к газу извне подводится механическая энергия или, наоборот, он сам производит внешнюю механическую работу.
Рабочие лопатки вместе с несущим их элементом — диском или барабаном— совершают вращательное движение вокруг оси, в свя зи с чем лопаточные машины часто называются также турбомаши нами. Вращающийся облопаченный диск называется рабочим коле сом и представляет собой главный рабочий орган любой лопаточной машины.
Все лопаточные машины в зависимости от характера происходя щих в них энергетических преобразований делятся на две большие группы. Первую группу образуют машины, в которых за счет под водимой извне механической энергии увеличивается энергия проте кающего через них потока (центробежные и осевые компрессоры, насосы, вентиляторы и др.). Во вторую группу входят лопаточные машины, в которых происходит обратный процесс: за счет отдавае мой потоком газа или жидкости энергии вырабатывается механиче ская энергия (различного рода турбины, водяные и ветряные мель ницы и др.).
Лопаточные машины классифицируются также по агрегатному состоянию рабочего тела (жидкость, пар или газ), по роду рабочего тела (вода, спирт, воздух, продукты сгорания различных топлив и др.), по направлению движения газа или жидкости в колесе (осе вые, радиальные и диагональные машины), по числу рабочих колес
8
(одноступенчатые и многоступенчатые машины)' и по ряду других
признаков.
Компрессор любого типа (поршневой, центробежный, осевой, ро тационный и т. д.) представляет собой машину, служащую для сжатия и пермещения газа (в частном случае — воздуха). В авиа ционном газотурбинном двигателе (ГТД) компрессор играет весьма важную роль и является одной из его основных, неотъемлемых ча стей. Слоимая воздух перед поступлением в камеру сгорания, ком прессор обеспечивает достаточно высокий к. п. д. двигателя, боль шие значения тяги или мощности при малых габаритах установки, а также возможность работы двигателя на месте и при малых скоро стях полета.
Компрессоры газотурбинных двигателей должны при .возможно малых габаритах и весе обеспечивать непрерывную и равномерную
Рис. 1. Принципиальная схема ТРД с осевым компрессором
подачу больших количеств сжатого воздуха и иметь достаточно вы сокий к. п. д. Из всех типов компрессоров этим требованиям в наи большей, хотя и неодинаковой, степени удовлетворяют осевые И центробежные компрессоры, которые и используются в авиационных ГТД.
Турбиной называется лопаточная машина, в которой происходит преобразование потенциальной энергии газа (или жидкости) ' во внешнюю механическую работу. В зависимости от направления дви жения газа в проточной части турбины делятся на осевые и ради
альные. В авиационных двигателях применяются газовые турбины осевого типа.
В качестве примера практического использования компрессора и турбины в авиационной силовой установке рассмотрим кратко уст ройство турбореактивного двигателя (ТРД ), являющегося в настоя
щее время одним из наиболее распространенных в реактивной авиа ции.
Принципиальная схема ТРД с осевым компрессором изображена на рис. 1. Двигатель состоит из следующих основных элементов:
9