Лекция 3.1.4. Компрессоры авиационных газотурбинных двигателей

1. Принцип действия и устройство компрессоров

2. Неустойчивые режимы работы компрессоров и меры по их предотвращению

Компрессоры ГТД предназначены для сжатия воздуха и подвода его в камеру сгорания.

Основным типом компрессора ГТД является осевой многоступенчатый компрессор, процесс сжатия воздуха в котором осуществляется последовательно в его ступенях. Осевые компрессоры (ОК) выгодно отличаются от компрессоров других типов (центробежных, диагональных) тем, что в значительной степени повышают давление воздуха при высоком КПД, а также пропускают большое количество воздуха при приемлемом диаметральном размере.

Рассмотрим устройство и принцип работы ступени ОК.

Ступень ОК (Рис.1.)состоит из вращающегося рабочего колеса (РК) и расположенного за ним неподвижного направляющего (спрямляющего) аппарата (НА). В некоторых двигателях перед рабочим колесом располагают входной направляющий аппарат (ВНА). Несколько соединенных между собой рабочих колес образуют ротор компрессора. Неподвижный корпус (статор) компрессора включает в себя несколько рядов направляющих аппаратов.

Рис. 1. Ротор и корпус 11-ти ступенчатого осевого компрессора

Рабочее колесо служит для передачи воздуху энергии, подводимой от турбины, с помощью рабочих лопаток, расположенных равномерно в окружном направлении на диске. Аналогично расположены лопатки НА. Назначением лопаток статора является:

• направление воздушного потока под необходимым углом на лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

• спрямление закрученного колесом потока с одновременным преобразованием кинетической энергии потока в работу повыше­ния давления.

Все струйки воздуха, входящие в ступень, например, на среднем радиусе, движутся далее по поверхности тока, близкой к цилиндрической. Если рассечь ступень такой цилиндрической поверхностью, а затем развернуть на плоскости, то получим ряд одинаковых и одинаково расположенных сечений рабочих лопаток - так называемую решетку профилей (контуров поперечных сечений) соответственно ВНА, РК и НА.

2

Лопатки ВНА закручивают поток в сторону вращения рабочего колеса (положительная предварительная закрутка воздуха), РК, получая энергию от турбины, посредством лопаток передает ее воздушному потоку.

Воздух, проходящий через вращающееся РК участвует в двух движениях: в относительном движении (относительно стенок межлопаточных каналов РК) со скоростью относительного движения w и в переносном движении (вместе с вращающимся РК) с окружной скоростью u. Следовательно, абсолютная скорость воздуха с равна векторной сумме скоростей с= w + u.

Межлопаточный канал РК вследствие кривизны его лопаток выполнен расширяющимся

(f_2к >f_1к), поэтому при дозвуковом течении скорость потока уменьшается (w₂ < w₁), а статическое давление растет (p₂ > p₁). Одновременно происходит увеличение абсолютной скорости (c₂ > c₁). При обтекании потоком лопаток РК на них возникает аэродинамическая сила P, осевая составляющая которой Pa передаётся на упорные подшипники вала ОК и участвует в создании силы тяги, а окружная составляющая Pu препятствует вращению РК. Для преодоления этой силы к валу ступени (компрессора) прикладывается крутящий момент. Подведение мощности от турбины обеспечивает одновременное увеличение потенциальной (рост давления) и кинетической энергии (рост абсолютной скорости) энергии воздушного потока при его течении в рабочем колесе.

На лопатки НА поток набегает со скоростью с₂= w₂ + u. Межлопаточный канал выполнен также расширяющимся (f_3а >f_2а), и в нем дозвуковой поток тормозится (c₃ < c₂), а давление его растет (p₃ > p₂).В направляющем аппарате повышение давления воздуха осуществляется за счет преобразования кинетической энергии потока, запасенной в рабочем колесе, в потенциальную энергию.

Таким образом, сжатие воздуха в осевой ступени происходит как в РК, так и в НА.

Суммарная степень повышения давления в компрессоре определяется как

На рис. 3а показана схема центробежной ступени компрес­сора. Ее основным отличием от осевой ступени является форма проточной части, обусловливающая поворот потока воздуха в ра­бочем колесе А из осевого в радиальное направление и последую­щий поворот снова к осевому направлению в выходных патруб­ках В.

Течение воздуха на входе в колесо в такой ступени анало­гично течению в колесе осевой ступени и сопровождается сниже­нием относительной скорости воздуха и увеличением давления, но затем воздух дополнительно сжимается в результате радиального его перемещения в поле центробежных сил. При типичном для авиационных центробежных ступеней радиальном расположении лопаток колеса треугольник скоростей на выходе из него имеет вид, показанный на рис. 3в, и отличается тем, что абсолютная скорость воздуха с₂ здесь близка к окружной скорости колеса u₂, т. е. имеет высокое значение, а значит, повышение давления в спрямляющем аппарате (диффузоре) Б (рис. 3а) здесь также более значительно, чем в направляющем аппарате осевой ступени. В итоге повышение давления воздуха в центробежной ступени оказывается существенно более высоким, чем в осевой. Однако два поворота потока на 90⁰приводят к увеличению потерь и сильно увеличивают диаметральный размер компрессора. Эти недостатки могут быть снижены в диагональных компрессорах.

Неустойчивые режимы работы компрессоров.

Решетки профилей ОК рассчитываются и проектируются таким образом, чтобы на расчетном режиме угол атаки был близок к оптимальному, что обеспечивает минимальные потери в решетках и максимальный КПД компрессора. В условиях эксплуатации чаще компрессор работает на нерасчетных режимах и угол набегания потока на лопатки может сильно отличаться от расчетного.

Например, при увеличении осевой составляющей на входе в РК угол атаки i^I уменьшается и может стать отрицательным, что вызывает отрыв потока с вогнутой стороны профиля. Такой отрыв локализуется в месте возникновения, т.к. под действием центробежных сил поток прижимается к вогнутой поверхности лопатки. При уменьшении осевой составляющей скорости на входе в РК угол атаки i^II увеличивается и отрыв потока произойдет с выпуклой стороны профиля (со спинки РЛ). Такой срыв потока может распространиться на соседние лопатки, а при определенных условиях и на другие ступени ОК и может вызвать его неустойчивую работу - вращающийся срыв или помпаж. Аналогичное изменение углов атаки будет наблюдаться при изменении скоростей на входе в направляющий аппарат. Для анализа условий, при которых проявляется такая работа компрессора, рассмотрим уравнение равенства расходов воздуха на входе в первую (1) и последнюю (z)ступени ОК

При уменьшении частоты вращения степень повышения давления, пропорциональная отношению ρ_z /ρ_1, уменьшается, поэтому отношение осевых скоростей С_а1 / С _аZ тоже уменьшится. Но при уменьшении частоты вращения ротора расход воздуха через двигатель и осевые скорости во всех ступенях компрессора снижаются, поэтому уменьшение отношения С_а1 / С _аZ означает, что осевые скорости в первых ступенях уменьшаются сильнее, чем в последних ступенях. А так как окружные скорости в первых и в последних ступенях изменяются одинаково, углы атаки в первых ступенях увеличиваются, а в последних ступенях уменьшаются и достигают критических значений раньше на первых ступенях, что является причиной срыва потока и неустойчивой работы ОК и «запирания»решеток на последних ступенях.

При этом скачкообразно снижаются расход воздуха и напор, часть сжатого воздуха выбрасывается на вход в компрессор через соседние зоны срыва. Этот выброс сопровождается хлопком.

При другой форме неустойчивой работы - помпаже наблюдается самовозбуждающиеся низкочастотные колебания давления и расхода воздуха во всем газовоздушном тракте ОК. после скачкообразного падения напора и расхода воздуха происходит восстановление первоначальных значений через десятые доли секунды, а затем процесс повторяется вновь. работа двигателя сопровождается сериями хлопков или гулом низкого тона и повышением температуры газов перед турбиной. Это может привести к разрушению элементов компрессора, прогару лопаток турбины или срыву пламени в КС (самовыключению двигателя).

Для обеспечения устойчивой работы ОК применяют регулирование.

Один из способов - перепуск воздуха из средних ступеней ОК. При этом расход воздуха через первые ступени увеличивается (возрастает величина осевой скорости) и углы атаки снижаются, приближаясь к расчетным. Перепуск осуществляется на пониженных частотах вращения с помощью клапанов или лент перепуска.

Более совершенным является регулирование ОК поворотом лопаток НА, которые меняют направление абсолютной скорости на входе в РК в зависимости от окружной скорости и обеспечивают требуемые углы атаки перед рабочими лопатками. Достоинством этого метода является возможность одновременно регулировать течение воздуха в первых и последних ступенях.

Широкое применение получили двухвальные (трехвальные) двигатели. В таком двигателе на пониженной приведенной частоте вращения (например за счет увеличения М полета и Тн^*) углы атаки на первых ступенях (в КНД) увеличены и КНД как бы «затяжеляется». Мощность ТНД становится недостаточной для поддержания заданной частоты вращения РНД. Частота вращения КНД снижается (снижается окружная скорость) и направление потока на входе в РК первых ступней будет приближаться к расчетному.

На последних ступенях КВД при пониженной n_пр наоборот, углы атаки снижаются, КВД как бы облегчается и при неизменной мощности ТВД, частота вращения КВД будет увеличиваться, что приведет к некоторому увеличению углов атаки на последних ступенях, т.е. приблизит их к расчетному значению.

В основе работы осевого компрессора (О.К.) лежит принцип Бернулли, "чем больше скорость потока, тем меньше давление внутри этого потока", и наоборот, чем меньше скорость потока, тем больше давление внутри этого потока.

Как видно из рисунка 1, лопатки (Р.К.) и (Н.А.) расположены таким образом и имеют такую конфигурацию, что межлопаточное пространство является расширяющимся каналом по ходу движения воздуха, т.е. на выходе из (Р.К.) и (Н.А.) воздух теряет скорость и тем самым сжимается. Степень сжатия за каждой ступенью относительно не велика, порядка 1,1-1,2. Но суммарное сжатие за последней ступенью компрессора является уже величиной значительной, порядка 10-20кг/см².

В осевом компрессоре воздух последовательно сжимается несколькими ступенями сжатия. Количество их определяется параметрами проектируемого двигателя, и может колебаться от трёх и выше, вплоть до 15-18.

Каждая ступень состоит из рабочего колеса (Р.К.) и направляющего аппарата (Н.А.).

рис.1

Лопатки (Н.А.) предназначены для расчётного направления потока воздуха на лопатки (Р.К.) таким образом, чтобы на этих лопатках не возникал срыв потока воздуха, т.е., чтобы обтекание было ламинарным ( см. рис. 2.лопатка 3) где U- скорость потока воздуха, определяемая расходом, W-линейная скорость сечения пера лопатки, V-результирующая скорость потока воздуха, попадающего на лопатку рабочего колеса. Угол атаки потока воздуха имеет небольшой диапазон, внутри которого лопатка обтекается ламинарным потоком. Величина этого угла атаки зависит от многих факторов: от частоты вращения ротора компрессора, от расхода воздуха, проходящего через компрессор и определяющего осевую скорость воздушного потока, от давления воздуха и его температуры. При большом расходе воздуха, и низкой частоте вращения, угол атаки настолько мал, что на корытце рабочей лопатки возникает срыв потока воздуха (см. рис 2, лопатка 4). Турбулентный поток не пропускает весь расход воздуха через ступень, в результате чего компрессор "запирается" (см. рис 2. лопатка 4).

рис.2

При небольшом расходе воздуха и значительной частоте вращения, результирующая скорость воздуха попадает на перо лопатки под большим углом атаки. В результате организуется срыв потока на спинке пера лопатки. Компрессор тоже "запирается". В результате такого "запирания", возникает явление, которое получило название помпаж. Компрессор не может пропустить через последние ступени расход воздуха, который он пропустил через первые ступени, а поступление его продолжается. Так как осевой компрессор является фактически трубой, без каких-либо перегородок, то при нерасчётных режимах работы компрессора, сжатый воздух начинает движение из зоны повышенного давления в зону пониженного, т.е. обратно на вход. Происходит хлопок.

Дальше происходит следующее, т.к. в результате хлопка компрессор "освободился" от нерасчётного давления, а вращение компрессора продолжается, то он накачивает очередную порцию воздуха, которую также не может через себя пропустить, происходит повторный хлопок. Частота хлопков различна (от1 до5 Гц и выше). При этом, внутри самолёта ощущаются удары кувалды по фюзеляжу. И если срочно не принять мер (не изменить режим работы двигателя), то он может и развалиться.

Далее я расскажу о конструктивных мероприятиях, позволяющих избегать помпажа и при этом существенно увеличить рабочий диапазон частот вращения двигателя, необходимый для эксплуатации самолёта.