Глава 4 компрессор двигателя 4.1. Принцип работы осевого компрессора

Компрессор ТРДД служит для повышения давления воздуха перед поступлением его в наружный контур и камеру сгорания внутренного контура. Компрессор является одним из основных конструк­тивных узлов двигателя. Степень газодинамического и конструктивного совершенства компрессора в значительной мере определяет тягу, экономичность, габаритные размеры, массу, надежность и долговечность двигателя.

К компрессорам авиационных газотурбинных двигателей предъявляются следующие основные требо­вания:

обеспечение необходимого секундного расхода воздуха и заданной степени повышения давления при высоком значении коэффициента полезного действия и возможно минимальных габаритных раз­мерах и массе;

устойчивая, т. е. беспомпажная работа в широком диапазоне частоты вращения; равномерная, без пульсаций подача сжатого воздуха на вход в камеру сгорания; простота конструкции, обеспечивающая низкую стоимость изготовления и относительно легкий монтаж и демонтаж деталей и узлов компрессора с минимальными затратами времени; высокая эксплуатационная надежность при максимально возможном ресурсе;

контролепригодность компрессора, обеспечивающая контроль его технического состояния без раз­борки в условиях эксплуатации.

Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют широко применяемые в современных ТРДД осевые многоступенчатые компрессоры.

Осевой двухкаскадный компрессор двигателей Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП выполнен по двухвальной схеме (I каскад—КНД и II каскад—КВД).

Каскады компрессора имеют различные расходы воздуха и степень повышения давления, их роторы вращаются с различной скоростью. Каждый каскад представляет собой осевой многосту­пенчатый компрессор, состоящий из входного направляющего аппарата (ВНА), нескольких последо­вательно чередующихся рабочих колес (РК) и неподвижных направляющих аппаратов (НА).

ВНА представляет собой ряд неподвижных профилированных лопаток, установленных под опре­деленным углом в корпусах КНД и КВД перед первым рабочим колесом.

Рабочее колесо является элементом ротора и представляет собой диск с закрепленными на нем рабочими лопатками.

Спрямляющий аппарат установлен за каждым рабочим колесом и представляет собой ряд не­подвижных лопаток, закрепленных в корпусе.

Совокупность рабочего колеса и следующего за ним спрямляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Работу компрессора характеризуют такие параметры, как расход воздуха С, степень повышения полного давления воздуха в компрессоре л* и адиабатический КПД компрессора ц».

Степенью повышения давления называется отношение давления заторможенного потока воздуха на выходе из компрессора к давлению заторможенного потока воздуха на входе в компрессор л'_к = р1/р*_в.

Степень повышения давления в многоступенчатом компрессоре равна произведению степеней повы­шения давления отдельных его ступеней и определяется по формуле

Як = Я1Я2Я3 . . . Я_я.

Чем больше степень повышения давления отдельных ступеней и чем больше их число, тем больше степень повышения давления воздуха в компрессоре.

Адиабатический КПД—это отношение адиабатической работы сжатия воздуха в компрессоре, определенной по параметрам заторможенного потока воздуха, к действительной политропной работе сжатого воздуха в компрессоре, также определенной по параметрам заторможенного потока воздуха, т. е. _Чк = Ll_a/L'_K.

Этот параметр характеризует степень совершенства осевого компрессора и учитывает различные потери в реальном компрессоре.

Адиабатический КПД на расчетном режиме для отдельных ступеней осевых компрессоров сос- тавляет 0,86... 0,92, а для многоступенчатых компрессоров 0,84... 0,9. •

Принцип работы осевого многоступенчатого компрессора целесообразно рассмотреть на примере работы его отдельной ступени, так как все ступени компрессора работают аналогично.

Осевая ступень компрессора с установленным перед ней ВНА, обеспечивающим предварительную закрутку потока, приведена на рис. 4.1. На рис. 4.2 изображена аэродинамическая решетка про­филей лопаток ВНА, РК и НА, представляющая собой цилиндрическое сечение, концентричное оси компрессора и развернутое на плоскости.

Совокупность решеток профилей РК и расположенного за ним НА называют элементарной сту­пенью компрессора. Полная ступень компрессора складывается из бесконечного числа ее элемен­тарных ступеней, расположенных вдоль радиуса в пределах высоты проточной части ступени. Для каждой из элементарных ступеней могут быть построены треугольники скоростей, соответствующие окружным и осевым скоростям, имеющим место на данном диаметре компрессора.

Решетка спрофилирована таким образом, что ширина межлопаточных каналов в РК (/к) и НА (/„) увеличивается в направлении движения воздуха, т. е. fu < ^г_к, /|н</ги.

Решетка профилей характеризуется следующими геометрическими и аэродинамическими парамет­рами (рис. 4.3):

t = nD/z — шаг решетки на заданном диаметре при числе лопаток z; Ь — хорда профиля; b/t— густота решетки; Bi и Вг — углы установки профиля на входе и выходе из ступени; В) и Вг —углы входа и выхода потока воздуха; ( = в, — Bi — угол атаки профиля; в = Вг — вг — угол изгиба профиля;

и — максимальная толщина профиля лопатки. Угол атаки i на рабочих режимах близок к нулю. При изменении режима работы меняются угол атаки, а также углы входа и выхода потока Bi и р₂. Угол изгиба профиля обычно состав­ляет 30°... 40°.

Рассмотрим движение воздуха через элементарную ступень, изображенную на рис. 4.2. Из вход­ного устройства двигателя воздух, двигаясь в осевом направлении со скоростью с₀, поступает в каналы ВНА, расположенного перед рабочим колесом.

Сужающиеся межлопаточные каналы ВНА обеспечивают увеличение скорости от Со до С\, сопро­вождающееся уменьшением давления и температуры воздуха. В ВНА воздух предварительно за­кручивается и поступает во вращающееся РК с абсолютной скоростью о, направленной под неко­торым углом к оси компрессора. Лопатки РК перемещаются со средней окружной скоростью и, вследствие чего скорость воздуха С\ на входе в РК раскладывается на две составляющие: отно­сительную скорость обтекания профиля и>\ и окружную скорость и.

В двигателях Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП предварительная закрутка потока на входе в РК компрессора осуществляется по направлению вращения последнего, вследствие чего достигается повышение дав­ления на I ступени благодаря увеличению окружной скорости и при неизменной относительной ско­рости w\. При этом окружная скорость РК ограничивается прочностью лопаток, а также абсолютной скоростью с2 на выходе из РК.

Воздух в межлопаточных каналах двигателя движется относительно лопаток со скоростью w\ и одновременно с РК вращается с окружной скоростью и. Относительная скорость воздуха вслед­ствие диффузорности межлопаточных каналов РК уменьшается от w\ на входе до ш₂ на выходе, а давление потока соответственно увеличивается от р\ до pi. Происходит частичное преобразование кинетической энергии воздуха, входящего в РК, в энергию давления.

Увеличение давления в рабочем колесе определяется по формуле

* (ш₂)² — (Wif

дррк = pop -¹—*-гцг>—*- .

где р_ср—массовая плотность воздуха в РК.

Из РК воздух выходит с абсолютной скоростью сг, являющейся геометрической суммой скоростей w^Wi < w\) и и. Скорость воздуха Сч на выходе из колеса отклоняется от направления с\ в сторону вращения колеса и становится больше абсолютной скорости с\ на входе в колесо, т. е. в рабочем колесе вследствие силового воздействия лопаток вращающегося колеса на поток помимо повышения давления происходит также увеличение кинетической энергии воздуха.

Из рабочего колеса воздух со скоростью сг поступает в каналы спрямляющегося аппарата, которые, как и каналы рабочего колеса, выполняются расширяющимися, т. е. диффузорными. Вслед­ствие диффузорности каналов скорость воздуха в НА уменьшается от сг до сз, что сопровожда­ется повышением статического давления от р2 до рз. Кроме того, НА осуществляют требуемый поворот воздуха перед входом в рабочие колеса последующих ступеней, выполняя в данном случае роль направляющих аппаратов.

Увеличение давления в НА определяется по уравнению

Ар--*, и²₂-и². Таким образом, полный прирост давления воздуха в каждой отдельной ступени

дрст = дррк + арна-

В результате сжатия и трения при движении воздуха по межлопаточным каналам РК и НА его температура повышается от Т\ на входе в_#РК до Гз на выходе из ступени. Изменение па­раметров состояния воздуха в ступени осевого компрессора приведено на рис. 4.1.

Подобным образом работают все остальные ступени осевого компрессора.

При движении вдоль проточной части многоступенчатого компрессора воздух сжимается и плотность его возрастает, поэтому во избежание нарушения непрерывности потока площади поперечных сечений ступеней делают уменьшающимися по направлению движения воздуха. При этом осевая составляющая скорости для всех ступеней остается постоянной или несколько уменьшается к выходу из компрес­сора. Обычно в авиационных компрессорах скорость воздуха на выходе из последней ступени сос­тавляет 120... 180 м/с.

В двигателях Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП уменьшение площади проходных сечений проточной части КНД достигнуто уменьшением диаметров рабочих колес и увеличением диаметров дисков при постоянном среднем диаметре колес. В КВД уменьшение площади проходных сечений достигнуто увеличением диаметров дисков по длине компрессора и среднего диаметра колес при постоянном наружном ди­аметре всех рабочих колес.