книги из ГПНТБ / Наумец С.М. Основы теории и устройства авиационных силовых установок конспект лекций

На рис. 20, а показан трехскачковый диффузор (воздухоза­ борник) с внешним сжатием и круглым центральным телом.

Требуемая система скачков создается центральным телом, выдвинутым навстречу набегающему потоку и имеющим фор­ му ступенчатого конуса, от каждого -излома которого отходит косой скачок. При работе диффузора на расчетном режиме все косые скачки уплотнения сходятся на передней кромке обечай­

На рис. 20,6 показана зависимость коэффициента сохране­ ния полного давления заторможенного потока от числа М поле­ та и числа скачков перед входом.

Для обеспечения устойчивой работы диффузора канал его делают сначала суживающимся, а затем расширяющимся. В этом случае течение воздуха во внутреннем канале происхо­

ковым. Внутри канала возникает прямой скачок уплотнения,

Рис. 21. Регулируемый сверхзвуковой диффузор со сверх­ звуковой зоной за горлом

Сверхзвуковая зона за горлом и скачком задерживает воз­ мущения, идущие со стороны двигателя, так как возмущения, распространяющиеся со скоростью звука, не могут переме­ щаться против сверхзвукового потока. Величина сверхзвуковой зоны зависит от режима работы двигателя и выбирается из условия обеспечения устойчивой работы диффузора в требу­ емом диапазоне изменения режимов работы двигателя.

40

Режим работы входного устройства может изменяться в зависимости от скорости и высоты полета, температуры возду­ ха и режима работы двигателя, а также при изменении углов атаки, так как при этом меняется направление набегающего потока воздуха. Это обстоятельство вызывает необходимость делать входные устройства регулируемыми.

печения расчетного режима работы воздухозаборника цент­ ральное тело делают управляемым (см рис. 21). При

При полете на скорости, большей расчетной, скачки уплот­ нения смещаются внутрь входного устройства, и это также ведет к росту потерь (рис. 23). В этом случае конус выдвигает­ ся против потока до восстановления расчетного режима ра­ боты.

41

в атмосферу. Однако при открытии створок, регулирующих перепуск воздуха, увеличивается лобовое сопротивление двига­ теля из-за возникновения скачков уплотнения во внешнем по­ токе как на самих створках, так и на вытекающей воздушной струе.

На режимах разбега и взлета, когда сжатия воздуха во входном устройстве почти не происходит, пропускная способ­ ность горла для обеспечения требуемого расхода воздуха мо­ жет оказаться недостаточной. В этом случае во входном устройстве открываются дополнительные отверстия, позволя­ ющие подать воздух непосредственно в двигатель.

Форма входных устройств зависит от расположения их на летательном аппарате. Лобовые диффузоры имеют, как прави­ ло, круглую форму, а боковые — плоскую (рис. 24).

В качестве центрального тела у боковых воздухозаборников делают иногда панель, которая или перемещается вдоль кана­ ла, или только деформируется, изменяя его проходное сечение.

Иногда применяют воздухозаборники, расположенные в крыле (крыльевые). Отрицательным свойством боковых и крыльевых заборников является возможность попадания в воз­ душные каналы пограничного слоя, образовавшегося при обте­ кании частей самолета, к которым прилегают воздухозаборни­ ки. Попадание в воздухозаборник заторможенного течения, характерного для пограничного слоя, уменьшает коэффициент сохранения полного давления а„. Для повышения а„ боковых

§ 2. КОМПРЕССОРЫ ТРД

Компрессор предназначен для сжатия воздуха, забираемого из атмосферы, и подачи его в камеру сгорания.

Сжатие воздуха компрессором осуществляется за счет ме­ ханической работы, поступающей от турбины.

42

Компрессоры ТРД должны отвечать следующим требова­ ниям:

—обеспечивать необходимое повышение давления при воз­ можно меньшей подводимой работе;

—устойчиво и надеж­

бежных сил инерции ча­ стиц его при вращении колеса и за счет расширяющихся

межлопаточных каналов (рис. 26,а).

Для обеспечения безударного входа воздуха с целью умень­ шения потерь лопатки компрессора со стороны входного па­ трубка загнуты по вращению (рис. 26,6).

С рабочего колеса воздух поступает в диффузор в, где ско­ рость его течения уменьшается, а давление за счет этого воз­ растает.

Сжатый воздух по выходным патрубкам поступает в каме­ ры сгорания.

Центробежные компрессоры у существующих ТРД имеют одно рабочее колесо (например, у двигателей типа ВК-1).

43

бежный компрессор должен иметь две и больше ступеней, т. е. иметь 2 рабочих колеса и соответственно 2 диффузора, рабо­ тающих последовательно. Однако многоступенчатые центро­ бежные компрессоры не нашли применения для ТРД из-за не­ приемлемо высокого веса и размеров при сравнительно низком к. п. д.

Рис. 26. Рабочее колесо центробежного компрессора

В настоящее время подавляющее большинство ТРД имеют многоступенчатые осевые компрессоры благодаря их преиму­ ществу по сравнению с центробежными:

- более высоким к. п.д.;

— значительно меньшим диаметральным размером (при одинаковом расходе воздуха) и меньшим весом.

^.Осевым компрессором называется такой компрессор, у кото­

аппарат (СА). Развертка на плоскости лопаток РК и СА пока­ зана на ршс. 28.

Конструктивно РК представляет собой металлический диск (стальной или из сплава алюминия), по периметру которого расположены специально спрофилированные лопатки, располо­ женные под некоторым углом к плоскости диска.

44

Сопловой -аппарат состоит из двух колец (внутреннего и внешнего), между которыми расположены аналогичные по про­ филю лопатки, мо установленные под углом противоположного знака угл\ лопаток РК-

Площадь проходных сечений от ступени к ступени, начиная

межлопаточные каналы являются расширяющимися, поэтому происходит торможение потока, давление повышается, а ско­ рость уменьшается до W2< W V

В спрямляющем аппарате происходит дальнейшее торможе­ ние потока (за счет расширяющихся каналов) и спрямление

45

его до направления, параллельного оси компрессора. Далее воздух поступает на следующую ступень, где цикл торможения повторяется.

Степень повышения давления в дозвуковой ступени осевого компрессора составляет:

-ет-1,2-1,3.

Всовременных компрессорах для повышения степени сжа­ тия первые ступени выполняют сверхзвуковыми.

В соответствии со свойством сверхзвукового потока — тор­ мозиться в сужающемся канале— межлопаточные каналы РК и СЛ выполняются суживающимися (рис. 29).

ляет при меньшем числе ступеней получить более высоконапор­ ный компрессор, однако из-за ряда существенных недостатков сверхзвуковых ступеней широкого применения они пока не по­ лучили.

менном числе оборотов компрессора зависит от ряда эксплуа­ тационных факторов.

46

Так, степень повышения давления в компрессоре и* зави­

сит от работы, подводимой к 1 кГ воздуха в компрессоре, темпе­ ратуры окружающего воздуха Тп и числа М полета. При неиз­ менной подводимой работе тс* возрастает с понижением

температуры Ти и уменьшается с увеличением числа М полета.

Все виды потерь механической энергии в компрессоре учи­ тываются эффективным коэффициентом полезного действия процесса сжатия т|к (см. формулу (6 ).

Для многоступенчатых компрессоров tjk= 0,82-Г0,88. Основные показатели ТРД л* и т(к, влияющие на тягу дви­

гателя и экономичность его, в сильной степени зависят от ре­ жима полета, атмосферных условий и от числа оборотов двига­ теля, которые в эксплуатации непрерывно меняются.

к максимальным. На расчетных оборотах к. н.д. максимальный, но на них обеспечивается устойчивая работа двигателя в весь­ ма небольших пределах. На оборотах, отличных от расчетных, возникают условия неустойчивой работы компрессора, умень­ шается 7)к и падает тс*.

Рассмотрим физическую сущность явлений, вызывающих неустойчивую работу компрессора.

На рис. 30 показаны различные варианты схем обтекания воздушным потоком лопаток рабочего колеса осевого компрес­ сора.

лопатки, г. е. вектор скорости Wl совпадает с касательной к средней линии межлопаточного канала. Потери механической энергии наименьшие. При увеличении абсолютной скорости C'i выше расчетной (при неизменных оборотах и —const) воздуш­ ный поток подходит к лопаткам под отрицательным углом ата­ ки. Компрессор вместо того, чтобы отдавать работу воздуху, тормозится потоком, на корытце лопаток наблюдается срыв потока (см. б). Срыв потока на корытце называется локальным (местным), он частично закупоривает межлоиаточный канал вихревой зоной. Компрессор работает в этом случае в турбин­ ном режиме.

Потери энергии резко возрастают (г)к падает), степень по­ вышения давления тс* падает.

47

Рис. 30. Схема обтекания рабочих лопаток компрессора при различных значениях осевой скорости потока Сх и числа оборотов (окружной скорости и)

Аналогичная картина обтекания (турбинный режим) на­ блюдается при уменьшении числа оборотов (окружная ско­ рость уменьшается) при условии сохранения расчетной вели­ чины С| (см. в).

Наиболее опасным режимом работы компрессора является режим, при котором воздушный поток подходит к лопатке под большим положительным углом атаки (см. г). Такой режим обусловливается уменьшением абсолютной скорости потока С\ и сопровождается срывом потока на спинке лопатки, вихревая зона которого полностью закупоривает межлопаточный канал. Такой срыв называют помпажным.

При помпажном срыве компрессор полностью теряет рабо­ тоспособность, т. е. резко падает тс*, двигатель, как правило,

останавливается. Эго явление называют помпажом, или не­ устойчивой работой компрессора.

Непосредственной причиной неустойчивой работы компрес­ сора является рассогласование в работе первых и последних ступеней его при изменении оборотов и температуры воздуха.

Для анализа этого явления (рассогласования) напишем уравнение неразрывности для входа и выхода компрессора:

GBl= 0 B,

48

или

= ®L_ { £*Л' = ( К Г ,

1. Уменьшение числа оборотов при V—const. Уменьшение п приводит к уменьшению it*, а следовательно, к уменьше-

п Ь V с г f I .