книги из ГПНТБ / Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие

Каждому числу оборотов, соответствует некоторый минималь­ ный расход воздуха, при котором наступает неустойчивая работа (помпаж) компрессора. В этом случае происходит периодиче­ ское перетекание воздуха в направлении входа в компрессор, по­ является пульсация воздушного потока, возникают резкие коле­ бания давления и скорости воздуха. Внешне помпаж сопровож­ дается вибрацией лопаток и своеобразным, не свойственным нор­ мальной работе компрессора шумом. При.помпаже резко падает коэффициент полезного действия компрессора. Помпаж может

привести к остановке двигателя в связи с прекращением горе­ ния топлива в камерах сгорания, а также к разрушению элемен­ тов компрессора.

Характеристика компрессора охватывает широкий диапазон режимов работы по расходу воздуха и оборотам. Если компрес­ сор находится в системе газотурбинного двигателя, расход воз­ духа изменяется лишь за счет оборотов, которые ограничиваются определенными пределами. В связи с этим каждому значению числа оборотов соответствует лишь одна точка, характеризующая расход воздуха. Совокупность этих точек в пределах допустимых оборотов определяет линию Б (рис. 2.6, а) эксплуатационных (рабочих) режимов компрессора в системе газотурбинного дви­ гателя.

20

Компрессоры турбореактивных двигателей работают при различных условиях на входе (изменяется высота и скорость по­ лета). В связи с этим для определения эксплуатационных качеств компрессора необходимо иметь большое количество нормальных характеристик. Такое усложнение в оценке компрессора устра­ няется, если использовать универсальную характеристику. Она справедлива для различных условии на входе в компрес­ сор.

Универсальная характеристика выражает зависимость между степенью повышения давления я*, к. п. д. компрессора rj* , па­

ристика строится по данным нормальной характеристики на базе теории подобия физических явлений.

Согласно теории подобия режимы компрессора оказываются^ подобными, если-в любом проходном сечении число М потока' имеет одно и то же значение. Число М потока может быть пред­ ставлено по любой скорости, например по скорости Сіа (опреде­ ляет объемный расход воздуха), по скорости wi и т. д.

Таким образом, подобие воздушных потоков при изменении температуры воздуха на входе в компрессор имеет место при ус­

ловии —— =const и Сіа ■= const. УГі УГі

Расход воздуха через компрессор

Рі — плотность воздуха на входе в рабочее колесо; Сіа — осевая скорость воздуха.

21

Из представленного выражения следует, что сіа= mTiR По­ piFi

этому условия подобия режима работы компрессора представ­ ляются в следующем виде:

п

const

ѵтх

(2.13)

тѴТ\ const

Р\

На подобных режимах работы компрессор обеспечивает одина­ ковую степень повышения давления и имеет один и тот же к. п. д.

= 760 мм рт. ст.; температура воздуха Т = 288° К. Если известно, что на входе в компрессор давление воздуха р*, температура

Т*, расход воздуха тзйм, а число оборотов пзам, то подобный ре­

жим в стандартных условиях имеет место при соблюдении ра­ венств

Из равенств можно определить приведенный расход воздуха

Шпр—^зам 1

22

приведенное число оборотов

Так как теплообмен через стенки входного устройства двигателя незначителен, можно считать равными температуры полностью заторможенного потока на входе в компрессор и невозмущенного

В настоящее время получили распространение характери­ стики компрессора, выражающие зависимость я* и г|* от при­

веденного расхода воздуха т Пр при различных значениях приве­ денных оборотов ппр (рис. 2.8).

§4. Неустойчивая работа (помпаж) компрессора

Вмногоступенчатом компрессоре на расчетном режиме ра­ боты существует строгая согласованность между проходными се­ чениями, плотностью воздуха и его скоростями. Взаимная связь отмеченных величин, например для сечения первой ступени ком­ прессора и сечения последней ступени компрессора, представля­ ется уравнением расхода

in — F]p]cu = F 2p2c2a,

где Сіа и Сга — осевая скорость на входе в первую и последнюю ступени компрессора; рі и рг — плотность воздуха в соответст­ вующем сечении.

Для безударного обтекания профилей согласуются утлы на­ бегающего потока и углы установки лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата (вектор скорости совпадает с направле­ нием передней кромки профиля). Переход на нерасчетный режим создает предпосылки к нарушению отмеченной согласованности между отдельными величинами и возникновению помпажа.

Из уравнения неразрывности следует, что для любого режима

Изменение режима работы компрессора обусловлено откло­ нением /гпр (формула 2.16) от расчетного значения, например

23

соответствующего точке В на рис. 2.8, в результате изменения числа оборотов /гзам, скорости и высоты полета (изменяется 7*). Если, например, при неизменных условиях полета снизить

число оборотов двигателя пзам, т. е. снизить япр, то это вызовет

уменьшение лк, в связи с чем возрастет отношение -----за счет

Ста более интенсивного снижения скорости сіа' по сравнению с с2а.

При снижении як уменьшается плотность рг (увеличивается удельный объем іь), и площадь F2проходного сечения последней

Рис. 2.9. Схема обтекания лопаток рабочего колеса компрессора при уменьшении оборотов по сравнению с расчетным (пунктир)

режимом: а — первая ступень, 6 — последняя ступень. |

ступени оказывается меньше требуемой. Значительное снижение плотности р2 приводит к «запиранию» последних 'ступеней по расходу воздуха. В результате этого снижается осевая скорость с)а воздуха на входе в первую ступень, и площадь F\ проходного сечения первой ступени оказывается больше необходимой.

Непропорциональное изменение осевых скоростей на первых, и последних ступенях компрессора по сравнению с окружной ско­ ростью приводит к изменению угла атаки лопаток (рис. 2.9). На первых ступенях угол атаки лопаток становится больше рас­ четного, происходит срыв потока на выпуклых поверхностях ло­ паток, образуется зона вихрей, которая развивается по проточ­ ной части ступени. На последних ступенях угол атаки становится меньше расчетного, происходит удар о выпуклую сторону, лопа-. ток и срыв потока с вогнутой стороны. Однако развитие вихре­ вой зоны ограничивается,' так как поток по инерции прижимается к вогнутой поверхности. Режим работы средних ступеней изме­ няется незначительно по сравнению с расчетным. В результате

24

сложившихся условии воздух с определенной периодичностью прорывается через образующиеся срывные зоны первых ступеней ко входу в компрессор, возникает пульсация воздушного потока.

Таким образом, при снижении числа оборотов по сравнению с расчетным значением создаются предпосылки для помпажа на первых ступенях. На последних ступенях при значительном от­ клонении режима от расчетного угол атаки может оказаться даже отрицательным. В таком случае на последних ступенях компрессора вместо сжатия воздуха будет происходить его рас­ ширение (турбинный режим). К-П.д. компрессора падает.

Увеличение числа оборотов лзаы по сравнению с расчетным при неизменных условиях полета приводит к увеличению степени повышения давления як и росту плотности р2. Площадь' А2 про­ ходного сечения последней ступени оказывается больше потреб­ ной для данных условий. В результате этого возрастает скорость Сіа и понижается плотность рі. Площадь Fi проходного сечения на входе в первую ступень компрессора оказывается недоста­ точной. В итоге создаются предпосылки к возникновению пом­ пажа на последних ступенях компрессора.

Появление помпажа при постоянных оборотах возникает в случае изменения температуры Т 0 окружающей среды и числа М0 полета. Помпаж на первых ступенях-компрессора может по­ явиться в связи с повышением температуры Т0 окружающего воздуха и числа М0 полета, так как при этих условиях снижается приведенное число оборотов (рис. 2.8). Предпосылкой к помпажу >на последних ступенях компрессора является понижение темпе­ ратуры То окружающей среды и уменьшение числа М0 полета.

Эксплуатационные режимы газотурбинных двигателей обычно -■ оказываются такими, при которых не наблюдается помпаж на последних ступенях компрессора.

§ 5. Регулирование компрессора

При эксплуатации компрессора возникает необходимость в изменении как степени повышения давления як, так и расхода пг воздуха. В системе газотурбинного двигателя изменение як и щ осуществляется путем изменения числа оборотов ротора ком­ прессора, т. е. путем регулирования режима работы турбины. Осевые компрессоры, имеющие як>5, снабжаются системами автоматического регулирования для поддержания высокого зна­ чения к. п.д. при работе на нерасчетных режимах и для предот­ вращения помпажа.

Автоматические устройства имеют различное конструктивное оформление. Управляющим Сигналом этих устройств служит си­ гнал, пропорциональный физическому числу оборотов п, приве­

денному числу оборотов tim или величине П- - .

і т *

25

В практике используют следующие приемы регулирования.

1. Перепуск части воздуха из одной или нескольких промежу­ точных ступенек компрессора в атмосферу при достижении режима, при котором возникает помпаж. Перепуск воздуха в ат­ мосферу приводит к увеличению расхода воздуха через первые ступени и уменьшению ^— через последние. Первые ступени пере­ водятся с неустойчивого режима на устойчивый, а на последних

прулп

Рис. 2.10. Возможная принципиальная схема Рис. 2.11. Возможная управления перепуском воздуха в компрессоре, принципиальная схема управления лопатками спрямляющих аппаратов.

снимается режим «запирания». Окна перепуска воздуха 5 (рис. 2.10), имеющиеся в корпусе компрессора-, перекрываются клапанами или стальной лентой 4. Управление клапанами или лентой 4 осуществляется, например, по сигналу измерителя чи­ сла оборотов п.

При запуске двигателя и на малых оборотах окна перепуска открыты (лента перепуска отведена от корпуса компрессора), часть воздуха перепускается из компрессора в окружающую среду.

Когда число оборотов достигает значения ппt (более близкого к расчетному), по сигналу измерителя оборотов срабатывает уп­ равляющее устройство 1 (электромагнитный клапан, система зо­

2.6

лотников и т. п.), и рабочая жидкость (сжатый воздух, топливо или масло) а направляется в сервомотор 2. Под давлением рабо­ чей жидкости поршни сервомотора, преодолевая упругость пру­ жины 3, перемещаются навстречу друг другу, стальная лента 4 обжимает корпус компрессора и перекрывает окна перепуска 5. Перепуск воздуха прекращается.

Работа системы при снижении оборотов двигателя от макси­ мальных до малого газа протекает в обратном порядке. Когда обороты двигателя достигают л,„2, по сигналу измерителя оборо­ тов срабатывает управляющее устройство 1 таким образом, что полость сервомотора 2 сообщается со сливом б. Поршни серво­ мотора под влиянием упругости пружины 3 перемещаются в про­ тивоположных направлениях, вытесняют рабочую жидкость на

Рис. 2.12. Принципиальная схема двухкаскадного (двухвального) компрессора.

слив и отводят ленту 4 от корпуса компрессора. Часть воздуха из компрессора через окна 5 перепускается в окружающую среду.

Разница между оборотами пп\ и п,г2 зависит от особенностей измерителя оборотов, для измерителя центробежного типа не превышает 50 об/мин.

В системе предусматривается и ручное управление лентой пе­ репуска (РУЛП). Этим управлением пользуются, например, при проведении регламентных работ на неработающем двигателе, когда во избежание попадания посторонних предметов (гайки и др.) в двигатель окна перепуска воздуха должны быть закрыты.

2. Поворот лопаток направляющего и опрямляющих'аппаратов. При изменении режима работы компрессора (числа оборо­ тов, условий полета) -исполнительный механизм 3 системы авто­ матики (рис. 2.11) поворачивает подвижное кольцо 4, которое шарнирно соединено с рычагами лопаток 5. В результате этого лопатки спрямляющих аппаратов устанавливаются в такое поло­ жение, при котором вектор относительной скорости воздуха на входе в рабочее колесо совпадает с направлением передней кромки лопаток, т. е. создаются условия работы первых и по­ следних ступеней, близкие к расчетному. Сигналы от измерителя

27

числа оборотов п и температуры Т* поступают в устройство 1,

формирующее управляющий сигнал /іщ, или —г— • Этот сигнал

I T *

с помощью устройства 2 управляет работой сервомотора 3. По­ следний устанавливает лопатки спрямляющих аппаратов в соот-

п

ветствии со значением Пщ, или —— .

ІТ*

3. Применение двухкаскадного (двухвального) компрессора (рис. 2.12) взамен одновалы-юго. Из каскада низкого давления 1, приводимого в действие от второй ступени турбины 4, воздух на­ правляется на каскад высокого давления 2, работающего от пер­ вой ступени турбины 3. При одиовальном компрессоре на нерас­ четных режимах возникает несоответствие в изменении осевых скоростей воздуха на первых и последних ступенях и .окружной скорости ротора. Для устранения этой несогласованности необ­ ходимо, чтобы первые и последние ступени работали на различ­

следних. Это автоматически обеспечивается при использовании двухкаскадного (двухвальногр) компрессора вместо одновального.

к расчетному, в связи с чем отпадает потребность в специальных лротивопомпажных устройствах.

Глава III

КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

'§ 1. Виды и устройство камер сгорания

Вкамерах сгорания сжигается топливо, чтобы получить энер­ гию, необходимую для работы двигателя. В воздушно-реактив-

'ных двигателях применяются три вида камер сгорания: индиви­ дуальные (трубчатые), кольцевые, трубчато-кольцевые.

2S

Индивидуальные (трубчатые) камеры сгорания располага­ ются вокруг корпуса двигателя (рис. 3.1, а). Число камер сгора­ ния у двигателя обычно бывает от 6 до 12. В корпусе 1 камеры сгорания (рис. 3.2) находится жаровая труба 2, в которой разме­ щается стабилизатор пламени 3, топливная форсунка 4 и завих­ ритель 5. Форсунка, обычно центробежного типа, предназначена

Рис. 3.1. Схема расположения камер сгорания в поперечном сечении газотурбинного двигателя: А — зона горения; Б — зона

,вторичного воздуха. •

для распыла топлива, которое ' подается под давлением 60— 90 дан!см2. Воздух, поступающий в камеру сгорания, имеет отно­ сительно большую скорость (100ч-120 м/сек). С целью уменьше­ ния габаритов камеры сгорания и лучшей организации рабочего

Рис. 3.2. Схема индивидуальной камеры сгорания.

процесса поток воздуха во вхддной части (диффузоре) камеры притормаживается до 50—70. м/сек, а затем разделяется на два потока. Одна часть воздуха (от 20 до 40%) поступает во внутрь жаровой трубы (первичный воздух), а остальная направляется в пространство между корпусом камеры и жаровой трубой (вто­ ричный воздух). Первичный воздух обеспечивает сгорание рас­ пыленного топлива. Он подается в таком количестве, которое позволяет получить наилучшую полноту сгорания топлива (а = = 1,1—1,8). При эуих условиях достигаются высокие скорости

29