книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства
.pdfГлава 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
12
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
15
5.2. Методология создания компрессоров
Окончательный вариант компрессора
Рис. 5.13. Методология аэродинамического проектирования компрессоров
-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;
17
Глава 5. Компрессоры ГТД
-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
-распределение параметров по ступеням; визны линий тока». В качестве исходной инфор
-конструктивные параметры лопаточных мации в нем используются суммарные парамет
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
18
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
20