книги из ГПНТБ / Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие
.pdfдиффузора становится недостаточной для пропуска требуемого количества воздуха; во-вторых, при обтекании острых передних кромок канала диффузора происходит срыв воздушного потока, образуется вихревая зона, которая снижает площадь сечения струи.
§ 4. Регулирование сверхзвукового диффузора
Регулирование сверхзвукового диффузора преследует цель получить устойчивую работу диффузора с высоким значением авх и меньшим значением Авх при равенстве расхода воздуха через диффузор и двигатель на различных режимах полета и работы двигателя.
Системы автоматического регулирования сверхзвуковых диф фузоров обеспечивают
1) сохранение положения внешних косых скачков, отвечаю щее расчетному режиму при изменении числа М0 полета, напри мер при помощи продольного смещения центрального тела;
2) изменение площади горла диффузора при изменении числа М0 полета за счет смещения центрального тела или изменения положения гибких панелей в диффузорах с несимметричными клиньями;
3) перепуск воздуха из-за горла диффузора в окружающую среду для предотвращения помпажа путем открытия створок или клапанов, установленных в корпусе канала диффузора;
4) на взлете и при дозвуковых скоростях полета увеличение проходного сечения горла и входной части канала диффузбра, например путем смещения центрального тела'по потоку, а также дополнительного впуска воздуха из окружающей среды, минуя горло диффузора.
Система управления диффузором может быть выполнена по различным схемам. Особенность схемы управления зависит от ха рактеристики диффузора и наличия регулирующих органов. Вхо дящие в систему управления регуляторы выполняются как по разомкнутой схеме (автоматы), так и по замкнутой. Режим ра боты и основные показатели диффузора (ср, <твх, Х вх) зависят от числа оборотов двигателя п и условий полета (высота и ско рость полета). Поэтому сигналы, характеризующие число оборо тов п двигателя и условия полета (ро, Т0, с0), могут быть исполь зованы для управления регулирующими органами диффузорапри помощи разомкнутых регуляторов: регулятора 1 — положе ния центрального тела и регулятора 2 — перепуска воздуха (рис. 1.6, а). Режим работы диффузора достаточно полно опреде ляется числом М потока в определенном сечении диффузора или положением прямого замыкающего скачка уплотнения в диффу зоре, или комплексомдавлений, существующих в канале диффу зора и в набегающем потоке. В связи с этим отмеченные показа-
10
тели могут быть использованы в системе управления регулирую щими органами при помощи замкнутых регуляторов.
Рис. 1.6. Возможные схемы управления сверхзвуковым диффузо ром с центральным телом при помощи разомкнутых а и замкну тых б регуляторов.
|
Рис. 1.7. Возможная схема управления сверхзвуковым диффузо |
|
ром с выдвинутым'вперед клипом в плоском канале. |
В |
схеме управления диффузором, представленной на |
рис. |
1.6, б, смещение центрального тела осуществляется регуля |
тором 1 по сигналам настройки 3 и положения замыкающей ко сого скачка уплотнения у кромки диффузора (фиксируется при
11
помощи напорной трубки), а створками перепуска воздуха уп равляет регулятор 2 по сигналу, определяющему положение за мыкающего скачка уплотнения (положение скачка фиксируется по величине давления до и^после скачка уплотнения).
В диффузоре с выдвинутым вперед'клином (рис. 1.7) регу лирующими органами являются гибкая панель а, обеспечиваю щая изменение площади горла диффузора; подвижная передняя панель б и створки в перепуска воздуха. В системе управления диффузором имеются три регулятора: регулятор 1 площади горла диффузора, регулятор 2 положения подвижной передней панели б и регулятор 3 створок перепуска воздуха. Регуляторы 1 я 2 работают по разомкнутой схеме по сигналам, характери зующим условия полета (ро, Т0, с0), регулятор 3 работает по зам кнутой схеме, а управляющими сигналами являются статическое давление рі на выходе из диффузора (перед компрессором) и статическое давление р за прямым замыкающим скачком уплот нения за горлом диффузора.
Глава II
КОМПРЕССОР
§ 1. Устройство и принцип действия осевого компрессора
Компрессор в турбореактивном двигателе служит для сжатия воздуха, поступившего в двигатель. В настоящее время широко используются осевые компрессоры. Осевой компрессор (рис. 2.1) состоит из статора А, на котором закреплены лопатки направ
ляющего аппарата |
(НА) и спрямляющих аппаратов (СА ), и ро |
|||||
тора Б |
(рабочего колеса) с лопатками (РК). Лопатки направляю |
|||||
щего |
аппарата, |
спрямляющих |
аппаратов |
и рабочего |
колеса |
|
имеют определенный профиль (рис. 2.2) и |
образуют |
каналы, |
||||
в которых осуществляются |
процессы преобразования |
энергии. |
||||
В направляющем |
аппарате |
(НА) |
происходит предварительная |
|||
закрутка воздуха: воздух перемещается не только вдоль оси ком прессора, но и в окружном направлении. Закрутка воздуха ха рактеризуется величиной окружной составляющей сіи скорости сі, вторая составляющая скорости сі — осевая ща (рис. 2 .2). За крутка воздуха может происходить как в направлении враще ния, так и против вращения рабочего колеса. Предварительная закрутка воздуха позволяет при данной относительной скорости Wi воздуха на входе в рабочее колесо (величина гец представля ется геометрической разностью абсолютной скорости щ и окружной
12
Рис. 2.2. Схема ступени осевого компрессора.
скорости и рабочего колеса) иметь более высокую окружную скорость и (в допустимом пределе), в связи с чем увеличивается степень повышения давления в ступени. Из направляющего ап парата воздух поступает в первую и последующие ступени ком прессора. Ступень компрессора состоит из одного ряда лопаток, установленных на рабочем колесе {РК), и следующего за ним ряда лопаток спрямляющего аппарата (СА). При вращении ра бочего колеса лопатки воздействуют на протекающий воздух, вызывая при адиабатическом процессе увеличение потенциальной и кинетической энергии потока в соответствии с первым законом термодинамики
|
с2 |
dla!l==di —j—d —^—. |
|
Таким образом, работа колеса |
компрессора .затрачивается |
на повышение энтальпии потока |
(растут давление и темпера |
тура) и увеличение кинетической энергии абсолютного движения воздуха (абсолютная скорость воздуха на выходе из колеса с2 больше абсолютной скорости щ).
Воздух входит на рабочее колесо с относительной скоро стью Wi. На расчетном режиме вектор относительной скорости Доі совпадаете направлением передней кромки лопатки рабочего колеса. В дозвуковой ступени относительная скорость wі меньше скорости звука аі. В межлопаточном канале рабочего колеса про исходит поворот потока: площадь сечения струйки воздуха на выходе из рабочего колеса оказывается большей, чем на входе. Поэтому относительная скорость w2на выходе из рабочего колеса оказывается меньше скорости іщ, а энтальпия газа /2>г'і. Абсо лютная скорость Со воздуха на выходе из рабочего колеса нахо дится как геометрическая сумма относительной скорости ш2 и окружной и. Окружная составляющая абсолютной скорости с2 -после рабочего колеса составляет величину с2„. В таком случае величина закрутки воздуха на рабочем колесе Аси^=с2и— сіи = =Wiu — wou= iS.Wu. Воздух, имея скорость с2, поступает в каналы спрямляющего аппарата {СА).
Межлопаточный канал спрямляющего аппарата может быть выполнен таким образом, что площадь сечения струйки воздуха на выходе оказывается большей, чем на входе (рис. 2.2). В таком случае канал обеспечивает не только необходимую закрутку по тока, но и торможение (сз<с2), в процессе которого повышается потенциальная энергия (энтальпия) воздуха, так как di=
На расчетном режиме вектор скорости с2 совпадает с напра влением передней кромки лопаток спрямляющего аппарата. От ношение работы адиабатического сжатия на рабочем колесе
14
к работе адиабатического сжатия на ступени |
называется сте- |
|
пенью реактивности р ступени |
|
|
Р = |
Си. рк |
(2.1) |
-7------• |
||
|
гад. ст |
|
Если р = 1,0, сжатие газа осуществляется только на рабочем ко лесе; если р = 0, сжатие газа происходит лишь в спрямляющем аппарате. Обычно степень реактивности ступени составляет р»0,5. Рабочий процесс в последующих ступенях компрессора аналогичен отмеченному.
Уменьшение размера и веса компрессора может быть достиг нуто за счет повышения осевой составляющей скорости са на входе в компрессор и окружной скорости и рабочего колеса. В таком случае относительная скорость ац на входе в рабочее колесо может оказаться сверхзвуковой. Для того чтобы умень шить потери и добиться расположения скачка уплотнения в меж лопаточном канале, лопатки выполняются с заостренными кром ками.
После скачка уплотнения относительная скорость wo стано вится дозвуковой, скорость Со оказывается меньше а2> в связи с чем профиль лопаток спрямляющего аппарата соответствует дозвуковой ступени. Если же абсолютная скорость с2 оказыва ется больше скорости а* звука, лопатки спрямляющего аппарата будут иметь заостренные передние кромки.
Повышение окружной скорости рабочего колеса в сверхзву ковой ступени по сравнению с дозвуковой ступенью позволяет иметь более высокую степень повышения давления яет в ступени, у сверхзвуковой ступени лст — 1,6-г-1,8 вместо лст= 1,2-=-1,4 до звуковой ступени.
В связи с наличием скачков уплотнения к. п. д. сверхзвуковой ступени на 2—4% ниже к. п. д. дозвуковой ступени. Тем не менее у современных компрессоров’первые ступени часто выполняются сверхзвуковыми. В этом случае удается увеличить степень повы шения давления и производительность компрессора без сущест венного снижения к. п.д. и изменения размеров компрессора.
§ 2. Основные показатели и зависимости для компрессора
Важнейшим показателем работы ступени и компрессора в це лом является степень повышения давления. Степень повышения давления в ступение лст и в целом в компрессоре як выражает отношение давления газа на выходе из ступени или компрессора к давлению газа на входе. Степень повышения давления в комп рессоре
Р2 |
it: |
|
|
Р%$ > |
(2.2) |
||
|
|||
Р\ |
°вхР0 |
|
15
где p^ — давление заторможенного потока воздуха на выходе из компрессора; р* — давление заторможенного потока воздуха
на входе в двигатель; aDX— коэффициент восстановления пол ного давления во входном устройстве двигателя.
Степень повышения давления в компрессоре может быть вы ражена через степень повышения давления в ступенях компрес
сора |
я* = я* ,я* „я* „...я* |
||
г |
К |
ст. І СТ. 2 СТ. 3 |
ст. п |
В идеальном компрессоре сжатие газа протекает по адиа бате 1—2 (рис. 2.3). Работу, которую необходимо затратить на
Рис. 2.3. Процесс сжатия воз духа в компрессоре.
адиабатическое сжатие 1 кг газа в компрессоре, можно опреде лить из уравнения
dl^n= di-}-d 2~
\ |
k - i ) > |
(2,3) |
где я* — степень повышения давления в компрессоре.
Величина этой работы изображается в определенном масш табе площадью 1 — 2ад— а — b — 1 в диаграмме р — ѵ (рис. 2.3).
В реальном компрессоре энергия, затрачиваемая на преодо ление гидравлических сопротивлений в процессе сжатия, преоб разуется в тепло, которое усваивается сжимаемым газом. Его температура при том же давлении оказывается выше, чем при адиабатическом сжатии, сжатие происходит по политропе 1—2 с показателем п== 1,46— 1,52 (для воздуха). Работа, затрачивае мая на политропическое сжатие газа, отображается на диаграмме р — V площадью 1—2—а—Ь—1.
Потери энергии в компрессоре обусловливаются |
1 |
|
1) |
трением воздуха о стенки каналов, а также взаимным тре |
|
нием слоев воздуха; |
|
|
2 ) |
скачками уплотнённа в местах сверхзвуковой скорости; |
|
3) |
образованием вихрей в связи с отклонением направления |
|
вектора скорости от расчетного на входе в межлопаточные ка налы рабочего колеса и спрямляющих аппаратов.
Потери, вызванные первыми двумя причинами, условно назы ваются потерями на трение, а потери, обусловленные отклоне нием вектора скорости от расчетного положения, — потерями на удар. Отмеченные потери зависят от расхода воздуха. Если по тери на трение увеличиваются с ростом расхода (скорости) воз духа, то потери на удар растут как при увеличении, так и при уменьшении расхода по сравнению с расчетным. Все виды потерь энергии,' включая и механические (потери в подшипниках), оце ниваются коэффициентом полезного действия rj* компрессора
(2-4)
где Ік — эффективная работа компрессора.
Для современных осевых компрессоров г|* =0,82—0,87. Таким образом,
|
*к= £ д4 - |
|
|
(2.5) |
|
или |
|
|
|
|
|
|
Я 7 ? и ~ - і ) 4 - . |
(2 .6) |
|||
|
|
|
|
IK |
|
При отсутствии потерь тепла во входном устройстве |
двига |
||||
теля Т* —Т* и |
|
|
|
|
|
k |
RTl |
|
|
(2.7) |
|
k— \ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг |
воздуха в компрессоре, |
||||
примерно пропорциональна квадрату,числа оборотов* |
|
||||
Из (2.7) следует, что |
4 « Л /г2. |
|
(2 .8) |
||
|
|
|
/г |
|
|
|
|
/г — 1 1к\ |
|
||
* |
' |
У* |
(2.9) |
||
7Г,с= |
1 |
kR |
К |
|
|
|
|
|
|||
- Степень повышения давления іх* |
в |
компрессоре зависит не |
|||
только от величины работы /к и потерь энергии, учитываемых!]*, но и от Г*,, которая определяется скоростью и высотой полёта-.
2 Заказ №520 |
""" "Я|««| |
17 |
Г ё/ |
, \4Jt |
|
|
■Сор |
|
I |
ДЯР |
|
При неизменной величине /„ степень повышения давления в компрессоре монотонно снижается по мере увеличения скоро сти Со полета (рис. 2.4) в связи с ростом Т* и увеличивается с вы
сотой полета, так как снижается Т* (до 11 км) . Степень повы шения давления я* во входном устройстве растет с увеличением
скорости со и высоты Я (до 11 км) полета. В связи с этим увели чивается''общая степень повышения давления я* = я* я* по мере
ІіХ К |
1 |
увеличения скорости Со и высоты Я (до 11 км) полета.
Рис. 2.4. Изменение я*х,
и я* от скорости Сп полета н высоты Н полета.
Мощность, затрачиваемая на привод компрессора при произ-
кг |
|
|
водительности m -------, составляет |
|
|
сек - |
|
|
|
N K= m/ад —іг- ■ |
(2.10) |
|
\ |
|
Так как производительность компрессора |
примерно пропор |
|
циональна числу' оборотов |
|
|
. |
7nzüBn, \ |
(2.11) |
то мощность, затрачиваемая на привод компрессора, примерно пропорциональна кубу оборотов
N K^ Du3. |
(2.12) |
18
§ 3. Характеристики компрессора
Эксплуатационные качества компрессора устанавливаются по его характеристике. Различают нормальные и универсальные характеристики.
Нормальная характеристика — это графическое изображение зависимости между степенью повышения давления я* , расходом
воздуха V, к. п. д. компрессора т]* й числом оборотов п при дан
ных атмосферных условиях (рис. 2,5, а). Нормальная характери стика компрессора строится по данным испытания, проводимого на специальной установке. Характеристика осевого компрессора
Рис. 2.5. Характеристики компрессора: а — нормальная; б — универсальная; А — границы помпажа; Б — эксплуатационная (рабочая) кривая компрес сора в системе газотурбинного двигателя.
показывает, что степень повышения давления я* при п = const
растет по мере снижения расхода воздуха, особенно в области высоких значений чисел оборотов. Эта закономерность напорной характеристики обусловливается характером изменения эффек тивной работы ступени и потерь энергии от расхода воздуха. Эф фективная работа ступени lCT=Awuii растет по мере снижения расхода воздуха в связи с увеличением закрутки Дwu воздуха на рабочем колесе при постоянной окружной скорости и. Поэтому при отсутствии потерь энергии я ст компрессора повышается по мере снижения расхода воздуха (рис. 2.6, кривая А). Потери энергии при снижении расхода воздуха до расчетного значения уменьшаются (снижаются потери на трение и на удар), а после расчетного значения — увеличиваются (потери на трение умень шаются, а на удар — увеличиваются). В связи с этим соответст вующим образом изменяется и я ст от расхода воздуха (рис. 2.6, кривая Б и В) .
2* |
19 |