3. Компрессоры гтд

3.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОМПРЕССОРАМ

Компрессор является одним из основных узлов ГТД и служит для повышения давления воздуха перед камерой сгорания. Техническим совершенством компрессора во многом определяются габариты и удельная масса двигателя, удельный расход топлива, ресурс и надежность работы двигателя. Поэтому к компрессорам ГТД предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение заданной степени повышения давления π_к;

- подача требуемого по массе количества воздуха в камеру сгорания G_в;

- минимальная масса и габаритные размеры;

- высокий КПД;

- газодинамическая устойчивость на всех режимах эксплуатации;

- высокая надежность и живучесть в эксплуатационных условиях;

- длительный ресурс, как межремонтный, так и эксплуатационный;

- технологичность, модульность конструкции и возможность модернизации;

- возможность и удобство контроля технического состояния;

- противопожарная безопасность;

- минимальное влияние на окружающую среду.

Перечисленным требованиям, наиболее полно, удовлетворяют многоступенчатые осевые компрессоры, которые применяются в большинстве современных ГТД.

Рассмотрим более подробно взаимосвязь между конструктивными и газодинамическими параметрами осевых компрессоров с учетом перечисленных требований.

С ростом степени повышения давления в компрессоре до оптимального значения π_к увеличивается КПД двигателя, уменьшается относительный расход топлива и растёт удельная тяга. Однако значительное повышение π_к приводит к существенному усложнению конструкции, применению двух- или трёх каскадных компрессоров, введению дополнительных узлов по обеспечению газодинамической устойчивости в широком диапазоне режимов работы. Кроме того, при повышении π_к и скорости полета температура воздуха за компрессором становится высокой, что усложняет задачу охлаждения лопаток и дисков турбины, корпусов, опор и других узлов двигателя.

В современных ТРД, ТРДФ, ТВД и ТВВД степень повышения давления в компрессоре π_к составляет от 6 до 16, а число ступеней 6…15. Чаше всего компрессор выполняется однокаскадным, с двумя опорами (см. рис.3.1,а) либо опоры для компрессора и турбины общие (рис.3.1,б).

а

б

Рис. 3.1. Схемы ТРД с трехопорным ротором: а – трехопорный ротор, б – двухопорный ротор 1 – входное устройство; 2 – осевой компрессор; 3 – камера горания; 4 – турбина; 5 – выходное устройство; 6,8 – роликовые подшипники; 7 –шариковые радиально – упорные подшипники

Для повышения газодинамической устойчивости компрессор выполняют двухкаскадным. При этом компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД) которые имеют свои приводные турбины, обеспечивающие оптимальные числа оборотов для каждого каскада (рис.3.2). Ротор КНД имеет 3…4 ступени, а ротор КВД 3…8 ступени.

Рис.3. 2. Схема двухроторного ТРД:1 – входное устройство; 2 – КНД; 3 – промежуточный корпус; 4 – КВД; 5 – камера сгорания; 6 – турбина КВД; 7 – турбина КНД; 8 – выходное устройство; 9,12,13 – роликовые подшипники; 10,11 – шариковые радиально – упорные подшипники

В ТРДД и ТРДДФ самолетов гражданской авиации применяются в основном двухкаскадные и трехкаскадные компрессора, обеспечивающие степень повышения давления π_к за КВД у современных двигателей до 30 с тенденцией роста до 60. При этом степень двухконтурности составляет от 2 до 8 с тенденцией роста, а степень повышения давления вентиляторной ступени π_в 1,5…1,7.

В двухкаскадный компрессорах при большой степени двухконтурности (m>4) вентилятор (КНД) обычно выполняют одноступенчатым, а число ступеней КВД 9…12. Лопатки вентилятора такого компрессора имеют большую длину и напорность, создаваемая корневой частью лопатки мала, поэтому для обеспечения газодинамической устойчивости КВД после вентилятора устанавливают подпорные ступени в количестве 3…6 (компрессор среднего давления на рис.3.3.).

В двухкаскадных компрессорах с небольшой степенью двухконтурности (m=0.2...2) число вентиляторных ступеней 2…5, а число ступеней КВД 7…10 (рис.1.17.).

В трехкаскадном компрессоре для обеспечения газодинамической устойчивости КВД подпорные ступени за вентилятором размещаются на отдельном роторе со своей приводной турбиной (рис.1.16). Такой компрессор называется компрессором среднего давления (КСД).

Для ТРДД с небольшой степенью двухконтурности в вентиляторе выполняется 3…5 ступеней, в компрессоре среднего давления и КВД по 4…6 ступеней. В ТРДД с большой степенью двухконтурности выполняется одна вентиляторная ступень, 3…7 ступеней компрессора среднего давления и 6…8 ступеней КВД.

Рис.3.3. Схема двухконтурного ТРД с передним расположением вентилятора второго контура: А – лопатки входного НА; B – двухступенчатый вентилятор; C – выход воздуха из первого контура в атмосферу; D – 6-ступенчатый компрессор среднего давления; E – 7-ступенчатый КВД; F – камера сгорания; G – одноступенчатая турбина, приводящая КВД; H,I,K – три ступени турбины, приводящей двухступенчатый вентилятор и компрессор среднего давления

Расход воздуха через компрессор задаётся исходя из потребной тяги двигателя, и он в основном определяет габариты и массу компрессора и всего двигателя.

Расход воздуха определяется по формуле:

3.1)

где – плотность воздуха на входе в компрессор, кг/м³; F₁ – кольцевая площадь на входе в компрессор, м²; C_1а – осевая составляющая абсолютной скорости воздуха на входе в компрессор, м/c;

D – наружный диаметр рабочего колеса, м;

d – диаметр втулки колеса (корневой диаметр лопаток), м;

F – лобовая площадь компрессора, м²;

- относительный диаметр втулки колеса;

- удельная производительность компрессора;

Удельная производительность характеризует расход воздуха в секунду, приходящийся на 1м² площади входа в компрессор. Чем больше φ_K, тем меньше, при заданном расходе, лобовая площадь компрессора и наружный диаметр компрессора.

Повысить φ_K можно за счет увеличения скорости воздуха С_1а на входе в компрессор и уменьшения относительного диаметра втулки Однако для дозвуковых скоростей в ступени осевая составляющая скорости С_1а не превышает значений 250…280 м/c. Это обусловлено тем, что при увеличении С_1а удельная производительность компрессора практически не увеличивается, а потери растут значительно (см. рис.3. 4).

кг/с м²

Рис.3.4. Зависимость удельной производительности компрессора от осевой скорости воздуха на входе

В сверхзвуковых ступенях значение С_1а может быть и больше, что приведёт к увеличению φ_к,

однако при этом снижается КПД ступени и всего компрессора. Помимо этого, у длинных лопаток, увеличиваются напряжения, и снижается их вибропрочность. Поэтому у существующих конструкций двигателей на первых ступенях компрессоров = 0.4…0.6 у ТРД, 0.35…0.4 у ТРДД и 0.5…0.7 у ТВД.

Требование снижения массы и габаритов компрессора обусловлено стремлением уменьшения лобовой площади двигателя и массы самого двигателя, что при одинаковой тяге увеличит полезную нагрузку летательного аппарата.

Уменьшить наружный диаметр компрессора или повысить φ_K также возможно за счёт снижения на первых ступенях компрессора. Однако при =0.3…0.4 затруднено размещение лопаток на колесе и ухудшаются условия обтекания лопатки у корневого сечения, что приводит к снижению напорности ступени и КПД.

Лобовая площадь двигателя однозначно определяется удельной производительностью компрессора. Эффективность массовых характеристик компрессора оценивается удельной массой компрессора m_к.уд, представляющей отношение массы компрессора М_к к потребляемой им мощности N_к:

m_к.уд.= М_к/N = М_к/L_к·G_{в ,} (3.2)

где L_к – удельная работа компрессора, дж/кг;

G_в – массовый секундный расход воздуха, кг/с.

Таким образом, удельная производительность компрессора однозначно определяет удельную массу компрессора.

Снижение удельной массы компрессора можно осуществлять и путем конструктивных мероприятий, например:

- применением лопаток, дисков, валов с малыми размерами поперечных сечений;

- выполнением тонкостенных корпусов;

- применением лопаток большого удлинения, т.е. с малой хордой.

При уменьшении хорды лопатки снижается их масса, а, следовательно, создаваемая ими центробежная сила, что позволяет уменьшить габариты и массу дисков или барабанов. Снижение хорды уменьшает также и осевую длину компрессора, т.е. массу. Однако при уменьшении длины хорды лопаток снижается напорность ступени, и для её обеспечения необходимо размещать большее число лопаток. Также снижение длины хорды ограничено прочностными параметрами, так как при уменьшении длины хорды возрастают напряжения изгиба. Наибольшее удлинение (3…4,5) имеют лопатки первых ступеней.

Наиболее перспективным и широко применяемым путём снижения массы компрессора является использование легких, высокопрочных материалов для деталей компрессора, рационального выбора формы проточной части, силовой схемы ротора и статора и новых технологий формообразования и соединения деталей. В компрессорах современных и перспективных двигателей широко применяются титановые сплавы, стеклопластики, композиционные материалы. Удельная масса компрессора современного двигателя составляет примерно 0,01…0,03 кг/кВт. Высокое значение КПД компрессоров обеспечивается, прежде всего, правильным выбором газодинамической схемы компрессора (распределением адиабатической работы сжатия между ступенями, выбором закона профилирования лопаток, сочетанием дозвуковых и сверхзвуковых ступеней), конструктивными и технологическими мероприятиями. Так, например, для снижения гидравлических потерь поверхность лопаток и проточной части шлифуют и полируют, обеспечивают безотрывное течение воздуха. Для обеспечения высокого значения расходного КПД между ступенями выполняются специальные уплотнения, допускающие минимальные значения радиальных и осевых зазоров. Для сохранения высокого КПД на нерасчетных режимах в компрессорах выполняются клапаны перепуска воздуха, поворотные лопатки направляющих аппаратов.

В настоящее время КПД компрессоров составляет 0,87…0,94.

Газодинамическая устойчивость компрессора определяет получение заданных параметров двигателя на всех эксплуатационных режимах и обеспечивается правильным профилированием входного устройства, применением двух - и трехроторных схем, а также клапанами перепуска воздуха и поворотными лопатками направляющих аппаратов.

Конструкция осевого компрессора представляет собой сложную роторную машину, детали которой подвержены значительным осевым, радиальным, окружным и температурным нагрузкам, вызывающим напряжения растяжения, сжатия, изгиба и среза. Кроме того, тонкие лопатки весьма чувствительны к вибрационным нагрузкам. Попадание вместе с воздухом песка, льда и других предметов может вызвать повреждение и разрушение лопаток. Неполадки компрессора являются частыми причинами досрочного снятия двигателя с самолёта. Поэтому повышения надёжности компрессора является важной задачей обеспечивающей повышения как межремонтного, так и эксплуатационного ресурса двигателя. Повышение надежности достигается, прежде всего, принятием конструктивных оптимальных решений, устранением вибраций, повышением уровня технического обслуживания и эксплуатации.

Стоимость и трудоёмкость изготовления и ремонта осевых компрессоров достаточна, высока, что обусловлено большим числом лопаток требующих высокой точности изготовления и установки. Снижение затрат на производство компрессоров идет за счет внедрения прогрессивных технологических методов таких как: точная штамповка, выдавливание, прокатка, литье под давлением и др., а также технологического совершенствования конструкции, изыскания новых более дешевых материалов.

Снижение эксплуатационных затрат достигается прежде всего конструктивным совершенством компрессора, достаточными и надёжными методами контроля технического состояния компрессора, что обеспечивает возможность перевода двигателя на обслуживание по техническому состоянию. Значительное сокращение затрат на обслуживание и ремонт, а также снижение времени простоя самолета по причине поломки двигателя возможно за счёт выполнения двигателя модульной конструкции. Модульная конструкция позволяет наиболее полно реализовать эксплуатацию двигателя по техническому состоянию. Двигатель такой схемы состоит из отдельных блоков (модулей), которые при необходимости можно заменить, не снимая двигатель с самолёта. Пример модульной конструкции двигателя приведен на рис.3.5. Компрессор является одной из основных составляющих ГТД во многом определяющего его совершенство, удельные энергетические и эксплуатационные параметры. Дальнейшее совершенствование компрессоров идёт по пути решения следующих задач:

-снижение удельной массы компрессора;

- уменьшение удельного расхода топлива, за счет улучшения параметров компрессора и совершенствования конструкции;

- повышение надежности и ресурса, как межремонтного, так и эксплуатационного;

- сокращение расходов и времени на ремонт и техническое обслуживание, как компрессора, так и всего двигателя;

Рис.3.5. Пример деления двигателя на модули: 1 – входной корпус; 2 – КНД; 3 – выходной направляющий аппарат; 4 – промежуточный корпус и КВД в сборе; 5 – общий корпус камеры сгорания и газовых турбин; 6 – жаровая труба; 7,8 – сопловой аппарат и рабочее колесо ТВД; 9,10 – сопловой аппарат и рабочее колесо ТНД; 11 – диффузор форсажной камеры; 12 – фронтовое устройство; 13 - агрегаты

Перспективные конструктивные схемы ГТД должны иметь компрессор с суммарной степенью повышения давления к=40…60, степенью двухконтурности m=12...15, состоять либо из вентилятора, компрессора среднего давления (КСД) и компрессора высокого давления (КВД), либо из вентилятора и КВД. Степень повышения давления в вентиляторной ступени π_в=1.5…1.7. Для сохранения и поддержания параметров компрессоров в процессе эксплуатации во время назначенного ресурса необходимо:

- проектировать компрессор с жестким ротором;

- использовать для ротора и статора материалы, обеспечивающие минимальные значения радиальных и осевых зазоров без дополнительных мероприятий по охлаждению или нагреву корпуса;

- применять лопатки компрессора малого удлинения и большой относительной толщины;

- создать конструкции вентилятора и разделительного корпуса, обеспечивающие направлении посторонних частиц попадающих во входное устройство ГТД, в наружный контур;

- обеспечить надёжность работы и ресурс уплотнений.