книги из ГПНТБ / Конструкция и эксплуатация турбореактивных двигателей типа М-701 учеб. пособие

с;

патрубка увеличивается, в нем происходит дополнительное по­ вышение давления воздуха.

Изменение параметров воздушного потока в различных элемен­ тах центробежного компрессора приведено на рис. 24.

Рассмотрим движение воздуха по колесу компрессора. На рис. 26 изображен треугольник скоростей на входе воздуха в колес» центробежного компрессора.

Относительная скорость входа воздуха на лопатки колеса \Ѵт в соответствии с положениями теоретической механики равна гео­ метрической разности абсолютной скорости С1 и окружной ско­ рости вращения колеса U\\

Из треугольника скоростей следует, что относительная ско­ рость направлена под углом ßi к оси вращения колеса. Поэтому для безударного входа воздуха передние кромки лопаток колеса делают загнутыми по направлению вращения на угол, близкий к углу £]. С увеличением радиуса окружная скорость £/і увели­ чивается, что обусловливает для сохранения безударного входа

что вызовет возникновение волновых сопротивлений. Поэтому пе­ ред колесом для уменьшения относительной скорости устанавлива­ ют неподвижный направляющий аппарат, закручивающий воздух по направлению вращения колеса.

Неподвижный направляющий аппарат (входные патрубки ком­ прессора, см. рис. 18) состоит из концентрических колец, направ­ ляющих' воздушный поток, и лопаток, закручивающих этот поток.

30

Воздух, поступающий из направляющего аппарата в радиаль­ ные каналы колеса компрессора, начинает вращаться вместе с ко ­ лесом и под действием центробежных сил отбрасывается к его пе­ риферии. При этом вследствие сжатия центробежными силами д а в ­ ление воздуха увеличивается.

Движение воздуха в колесе складывается из переносного вра ­ щательного движения колеса и относительного движения воздухапо каналам колеса.

При движении воздуха по межлопаточным каналам вследствиеувеличения окружной скорости колеса растет абсолютная скоростьвоздуха.

Относительная скорость воздуха на одном и том же радиусе не­ одинаковая. Это объясняется большим давлением, а следователь­ но, и меньшими скоростями с набегающей стороны лопатки, чем г уходящей стороны лопатки, где меньше давление и большие ско­ рости. Это и определило на выходе из колеса отклонение вектора' относительной скорости W2 от радиального направления в1 сторону, противоположную вращению (рис. 27). Абсолютная скорость не­ выходе из колеса С2 есть геометрическая сумма относительной" скорости Wo и окружной скорости колеса U2.

§ 4. Степень повышения давления и коэффициенты полезного действия компрессора

Основными показателями компрессора, характеризующими егосовершенство и работу на двигателе, являются: степень повышения давления воздуха в компрессоре лк , секундный весовой расход воз­ духа Ga и коэффициенты полезного действия.

Степенью повышения давления компрессора л к называется отно­ шение давления воздуха на выходе из компрессора к д а в ­ лению на входе в колесо Ри то есть

31'

Степенью повышения давления двигателя л называется отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе в двигатель, то есть к атмосферному

степень сжатия двигателя в 1,5 раза превышает степень сжатия компрессора, то при М = 3 уже в 25 раз.

Совершенство центробежного компрессора может быть оценено эффективным коэффициентом полезного действия (к.п.д.).

Эффективным к.п.д. компрессора называется отношение адиа­ батической работы сжатия воздуха в компрессоре к эффективной работе, подводимой на вращение компрессора:

71 = ^SÎ

Чэ — / •

Эффективный к.п.д. характеризует эффективность использова­ ния работы, затраченной на привод компрессора при получении по­

Однако полученная кинетическая энергия на выходе из колеса компрессора в диффузоре преобразуется в давление воздуха и поэтому не может быть отнесена в полной мере к потерям.

Адиабатическим к.п.д. компрессора называется отношение адиабатической работы сжатия воздуха в компрессоре к эффектив­ ной работе, подводимой на вращение компрессора, без работы, затрачиваемой на увеличение количества кинетической энергии воз­ духа:

ß'2

Следовательно, адиабатический к. п.д. характеризует совер­ шенство гидравлики проточной части компрессора.

Адиабатический к.п.д. центробежных компрессоров составляет 0,75—0,8, а осевых несколько выше — 0,8—0,87. Эффективный к.п.д. всего лишь на 2—3% отличается от адиабатического, так как скорости воздуха на входе и выходе из компрессора отлича­ ются незначительно.

Мощность, потребная на вращение центробежного компрессора, пропорциональна расходу воздуха, проходящему через компрессор, и эффективной работе сжатия:

энергии, сообщаемой воздуху в колесе, вследствие инертности воз­ духа, протекающего в межлопаточных каналах. Физическая сущ­ ность коэффициента ц, объясняется характером изменения относи­ тельной скорости по поперечному сечению межлопаточного канала, обусловленному различным давлением на набегающей и уходящей сторонах лопатки. Это приводит, как уже указывалось в § 3 I I гла­ вы, к отклонению относительной скорости W2 на выходе из ко­

постоянной скорости вращения колеса это приводит к уменьшению

из колеса W2n =0 и ц=1 .

Для увеличения коэффициента ц необходимо уменьшить не­ равномерность относительной скорости в межлопаточных каналах. Это достигается конструктивными приемами: увеличением числа лопаток, что дает уменьшение ширины канала, и увеличением дли­ ны лопаток.

Для центробежных компрессоров |.і=0,85—0,92. Коэффициент трения диска а очень мал и составляет 0,03—0,05. Таким образом, работа, сообщаемая воздуху в компрессоре, не зависит от высоты, скорости полета и атмосферных условий, а определяется режимом работы двигателя, который характеризуется числом оборотов.

§ 5. Физическая сущность помпажа и меры борьбы с ним

Помпажом называется неустойчивая работа компрессора, со­ провождающаяся резкими колебаниями давления и скорости по­ тока воздуха при падении среднего давления за компрессором. Колебания давления вызывают повышенные вибрации двигателя Iiсопровождаются сильным характерным звуком.

Работа двигателя на помпажном режиме может привести к разрушению деталей компрессора, перегреву лопаток турбины и даже к выключению двигателя. Поэтому при возникновении пом­ пажа необходимо изменить режим работы двигателя на такой, на котором помпажные явления отсутствуют.

Физическая сущность помпажа заключается в следующем.

Рис. 28. Образование срывных явлений в элементах компрес­ сора:

7 — колесо центробежного компрессора; 7/ — диффузор центробеж­ ного компрессора; / / / — рабочее колесо осевого компрессора; IV — спрямляющие лопатки осевого компрессора

34

В процессе работы компрессора на расчетном режиме происхо­ дит плавное обтекание входных кромок лопаток рабочего колеса, лопаток диффузора н лопаток спрямляющего аппарата (рис..28,а). Отклонение расхода воздуха от расчетной величины уменьшает или увеличивает скорость воздуха, набегающего на входную кром­ ку лопаток колеса, диффузора или спрямляющего аппарата, что вызывает отклонение на входе вектора относительной скорости от направления входной кромки.

ПріИ уменьшении расхода воздуха ниже расчетного (рис. 28,s) па лопатках возникают более интенсивные завихрения, чем при больших расходах (рис. 28,1,6). В этом случае поток набегает на вогнутую поверхность, образуя завихрения на выпуклой поверх­ ности. Разрежение на этой поверхности, возникающее при обтека­ нии воздухом профиля лопатки, способствует дальнейшему рас­ пространению завихрений в глубь компрессора. При расходе воз­

возникающим на этой поверхности при обтекании воздушным по­ током.

Процесс образования завихрений, особенно при расходах воз­ духа, меньше расчетного, вызывает снижение давления в компрес­ соре, которое восстанавливается до нормального значения после срыва вихрей. Образование и срыв вихрей приводит к колебаниям давления и периодически повторяющейся закупорке воздуха в ком­ прессоре.

Колебания давления распространяются по газовоздушному' тракту двигателя, и отраженные волны возвращаются к первоис­ точнику. При совпадении максимума отраженной волны с первич­ ным возбуждением наступает явление резонанса, при котором ам­ плитуда колебания давления резко разрастает при одновременном снижении среднего давления воздуха за компрессором. Это явле­ ние сопровождается резким звуком и является помпажом.

При расходах воздуха, больших расчетного, колебания давле­ ния в проточной части двигателя затухают быстрее и обычно не вызывают помпажа. •

Условия образования завихрений в лопаточном диффузоре (рис. 28,//) аналогичны. При уменьшении расхода воздуха, по сравне­ нию с расчетным, на вогнутой стороне лопатки возникают вихри, которые, вследствие разрежения на этой поверхности, начинают ин­ тенсивно развиваться, занимая весь объем межлопаточного кана­ ла. Происходит периодически повторяющаяся закупорка компрес­ сора, вызывающая помпаж. При этом может возникнуть выброс воздуха в направлении, противоположном движению воздуха.

Возникновение помпажа в осевом компрессоре происходит вследствие образования и срыва вихрей с рабочих и спрямляющих лопаток (рис. 28,///). При расходе воздуха, меньше расчетного,, осевая скорость уменьшается быстрее, чем окружная, и поток на­ бегает на вогнутую поверхность, образуя завихрения на выпуклой

поверхности. При движении по криволинейному каналу, который образуется лопатками, поток воздуха стремится оторваться от вы­ пуклой поверхности и прижаться к вогнутой. Это определяет более благоприятные условия для возникновения и развития срывов при расходе воздуха меньше расчетного. При расходе воздуха больше расчетного срывы образуются на вогнутой стороне лопатки и ло­ кализуются поджатием воздушного потока (рис. 28JV).

Физическая сущность и динамика образования вихрей и сры­ вов в спрямляющих аппаратах аналогичны.

Рис. 29. Характеристики компрессоров: а — центробежного; б — осевого

Общее представление о работе компрессора дает его характе­ ристика (рис. 29). Она показывает зависимость степени повыше­ ния давления от объемного расхода воздуха, проходящего через компрессор, при различных значениях приведенных чисел оборотов (/zn p ). Приведенными числами оборотов называются замеренные числа оборотов двигателя, приведенные к стандартным атмосфер­ ным условиям.

одном определенном расходе воздуха — рабочей точки компрессо­ ра. Линия, соединяющая рабочие точки на различных числах обо­ ротов, является рабочей, эксплуатационной кривой.

На характеристику компрессора обычно экспериментальным пу­ тем наносят для каждых чисел оборотов точки начала помпажа. Линия, соединяющая эти точки, называется границей помпажа (рис. 29,а). Рабочая кривая при больших значениях приведенных чисел оборотов пересекает границу помпажа. Эти обороты назы­ вают критическими.

36

Левее линии помпажа расположена область неустойчивой ра­ боты компрессора — область помпажа. Правее — между рабочей линией и линией границы помпажа — имеется запас компрессора по помпажу. Этот запас принято оценивать по уравнению

"макс

г д е я К р — критические обороты; " м а к с — максимальные обороты.

Запас устойчивости у современных двигателей на расчетном ре­ жиме должен быть не менее 12—17%.

Анализ характеристик компрессоров (рис. 29) показывает, что помпаж у двигателей с центробежным компрессором может возни­ кать при значительном увеличении приведенного числа оборотов. У двигателей с осевыми компрессорами наиболее опасными в помпажисм отношении являются режимы с приведенным числом обо­ ротов, меньшим расчетного (рис. 29,6).

Приведенное число оборотов определяется по формуле:

где 7 Н и Со — температура и скорость полета на заданной высоте.

Из анализа приведенной формулы следует, что возникновение помпажа у двигателей с центробежным компрессором, вызываемое значительным увеличением ппр, происходит при полетах с макси­ мальным числом оборотов, на больших высотах и малых скоростях. Поэтому в случае появления помпажа у двигателей с центробеж­ ным компрессором необходимо снизить число оборотов, уменьшить высоту и увеличить скорость полета. В зависимости от обстанов­ ки летчик принимает конкретное решение.

Возникновение помпажа у двигателей с осевым компрессором, к которому приводит уменьшение приведенных чисел оборотов, происходит на максимальных скоростях полета или при резком дросселировании двигателя. В случае возникновения помпажа в полете необходимо снизить скорость полета илиувеличить число оборотов двигателя.

При проектировании и создании двигателя, особенно с осевым компрессором, как наиболее склонного к помпажу, в его конструк­ цию включаются агрегаты и детали, перепускающие часть воздуха из последних ступеней для увеличения расхода воздуха через пер­ вые ступени, что предотвращает возникновение помпажа. Конструк-

37

тивно противопомпажные агрегаты выполняются в виде ленты пе­ репуска (рис. 30,а), дроссельной заслонки (рис. 30,6) и перепуск­ ного клапана (рис. 30,в).

II. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

§ 1. Понятие о горении топливно-воздушной смеси

Процесс сгорания топлива представляет собой окисление кисло­ родом воздуха входящих в топливо углеводородных молекул, со­ провождающееся выделением значительного количества тепловой энергии.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сго­ рания 1 кг топлива (L0 ) составляет 14,9 кг. Однако количество воздуха, поступающего в камеру сгорания, не всегда равно теоре­ тически необходимому. Отношение количества воздуха, поступаю­ щего в двигатель на 1 кг топлива (L), к теоретически необходимо­ му называется коэффициентом избытка воздуха а.

При а<1,0 в смеси имеется избыток топлива и она называется богатой, а при а>1,0 — бедной.

Горение топливно-воздушной смеси возможно в сравнительно небольшом диапазоне значений 0=0,8—1,4. При других значениях а, как более богатых, так и более бедных, воспламенения не воз­ никает и процесс горения отсутствует.

38

Процесс горения в ГТД происходит в жаровых трубах камеры сгорания. С точки зрения обеспечения процесса горения жаровую трубу можно разделить на три зоны. Первая (по направлению движения воздушного потока) — зона подготовки смеси, вторая— зона горения и третья — зона смешения. Первые две зоны сравни­ тельно короткие, их длина составляет обычно от 1 до 1,5 диаметров жаровой трубы. Зона смешения превышает их по длине в три раза.

В зоне горения процесс сгорания происходит в узком слое топ- ливно-воздушной смеси с концентрацией а=0,8н-1,4. Внутри факела концентрация топлива значительно выше, а снаружи существенно ниже необходимой для сгорания. Поэтому воздух, не участвую­ щий в горении и омывающий стенки жаровых труб, защищает их от высоких температур горящей смеси, которые достигают 1700-ь- -И930°С.

Для снижения температуры газового потока на входе в турби­ ну к нему подмешивается холодный (вторичный) воздух, поступаю­ щий из кольцевого канала между кожухом и жаровой трубой. Коэффициент избытка воздуха повышается при этом до ос=4ч-6. В результате температура газа постепенно по мере его движения снижается, достигая на выходе из камеры сгорания 830—1130°С.

Для обеспечения указанных коэффициентов избытка воздуха в зону горения подается первичный воздух в количестве 15—25% от общего расхода, а в зону смешения — вторичный в количестве 75—85%.

§ 2. Организация процесса сгорания

Устойчивое и надежное сгорание (без срывов, затухания пла­ мени, без пульсаций и удлинения факела за пределы жаровой тру­ бы) достигается, когда поступательная скорость воздуха в зоне го­ рения соответствует скорости распространения фронта пламени, на­ правленного навстречу потоку воздуха. При больших скоростях воздуха факел будет удлиняться и может произойти срыв пламе­ ни; при меньших — факел будет уменьшаться.

рость первичного воздуха при движении по жаровой трубе продол­ жает уменьшаться, достигая в зоне горения оптимальной величи­ ны, составляющей 15—25 м/сек.

Процесс образования обратных вихревых токов осуществляет­ ся стабилизаторами, роль которых в жаровых трубах обычно вы­ полняют завихрители 1 (рис. 31). Проходя через завихритель в зону горения, .воздух получает закрутку, что уменьшает его по­ ступательную скорость, и под воздействием центробежных сил отбрасывается от оси жаровой трубы к периферии (стенкам).

39