книги из ГПНТБ / Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

■Рис. 58. Планы скоростей и решетки профилей ступени с постоянной реактивностью:

а) на внешнем диаметре; б) на. диаметре втулки

120

§39. СРАВНЕНИЕ СТУПЕНЕЙ С ПОСТОЯННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

ИПОСТОЯННОЙ РЕАКТИВНОСТЬЮ

Основываясь на сводном графике изменения различных ве* личин по радиусу в сравниваемых ступенях (рис. 59), а также на изложенных выше свойствах ступени с Г = const, можно отметить следующие ее основные недостатки по сравнению со ступенью с т = const:

1)резкое изменение чисел Мрк и МСА по длине лопаток

которое обусловливает невозможность использования больших чисел М, а следовательно, и высоких окружных скоростей на среднем радиусе; благодаря этому снижается работоспособность ступени;

закруток лопатки РК обтекаются потоком с низкой относитель­ ной скоростью wm, в то время как потребная закрутка в ко­ лесе достигает наивысших значений;

3) сильную закрученность лопаток по длине, которая, кроме технологических и конструктивных неудобств, может оказаться сопряженной с появлением в корневых сечениях РК углов вы­ хода. потока , превышающих 90°; последнее нежелательно, так как приводит к неблагоприятной форме межлопаточного

■121

канала, а именно к ненужной конфузорнОсти его выходного участка;

вовать условию получения максимального к.п .д . элементарных ступеней, что приведет к снижению к.п .д . ступени в целом.

К числу достоинств ступени с постоянной циркуляцией сле­ дует отнести безвихревой характер движения воздуха в осевых зазорах между рядами лопаток и легкость обеспечения необ­ ходимой из условия L-, = const закрутки потока в РК и СА на внешнем диаметре. Кроме того, уменьшение числа Мрк по на­

правлению к втулке позволяет использовать для корневых се­ чений лопаток РК профили со значительной относительной толщиной и тем самым облегчить выполнение требований проч­ ности.

Отметим, что существенное различие между сравниваемыми ступенями наблюдается только при низких степенях реактив­ ности на среднем радиусе (\р <^\). С увеличением \ р это раз­ личие постепенно уменьшается и при \ р = \ вовсе исчезает.

Отрицательные свойства ступени с постоянной циркуляцией особенно остро проявляются при большой относительной длине лопаток и низких значениях \р , которые присущи первым сту­ пеням авиационных осевых компрессоров. Поэтому дозвуковая ступень с Г = const, как правило, в качестве первой ступени компрессора не используется. Она применяется в первых ступе­

нях только при больших d, а также встречается в последую­ щих ступенях компрессора в связи с меньшей длиной их лопа­ ток.

В ступени с постоянной реактивностью в отличие от Г = const необходимая закрутка потока на диаметре втулки достигается легко, но зато нередко оказывается затруднительным обеспе­ чение условия Lj = const на внешнем диаметре, что объясняется низкими скоростями у концов лопаток. В связи с указанным обстоятельством в авиационных осевых компрессорах в послед­ ние годы получили также распространение ступени промежу­ точного типа между Г = const и т = const.

§40. СТУПЕНИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТИПА

Уступеней промежуточного типа один из возможных зако­ нов изменения предварительной закрутки по радиусу (часто встречающийся на практике) описывается общим уравнением

122

в котором постоянным коэффициентам Аг и А2 придаются раз­ личные значения. При известной предварительной закрутке на среднем радиусе только один из коэффициентов или Л 2 мо­ жет выбираться произвольно, так как второй однозначно опре­ деляется по уравнению (5.29), написанному применительно к среднему радиусу:

ближе будет по своим свойствам ступень промежуточного типа к ступени с Г = const.

123

§ 41. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ СТУПЕНИ

Радиальные габариты многоступенчатого осевого компрес­ сора почти всегда определяются размерами его первой ступени, на входе в которую воздух обладает наименьшим удельным весом. Поэтому именно для этой ступени наиболее важно уста­

Поскольку наибольший расход воздуха достигается при кри. тическом режиме течения и, как известно из газовой динамики, критическая плотность тока

(5.32)

где

то максимальный расход

откуда следует, что чем больше коэффициент <рл, тем меньше будут при заданном расходе воздуха диаметральные размеры ступени. Если, наоборот, задан диаметр DK, то с ростом ук бу­ дет увеличиваться расход воздуха.

1 Приводимые ниже соотношения в принципе справедливы также и для любой промежуточной ступени компрессора.

124

Для того чтобы' выявить факторы, определяющие коэффи­ циент производительности, напишем уравнение расхода для сечения на входе в РК:

произведением с1ауг следует понимать его значение, осредненное по длине лопатки. Рядом исследований показано [57], что во многих случаях с весьма; небольшой погрешностью можно счи­ тать с 1ау1 = с 1аеру]ер, т. е. определять расход по осевой скорости и удельному весу на среднем радиусе.

. Для последующих преобразований уравнения (5.34) исполь­ зуем известное из газовой динамики понятие об относительной.,

или безразм ерной , плот ност и т ока q, которая представляет собой отношение действительной плотности тока су к ее макси­

125

1 кр\ \кр

=J - D K~(1 — d а) qxmKp -£ }= . sin о,

идалее, учитывая, что Тг* = Га*, а />,* = /»в*оНА, где оНА — коэф"

фициент падения полного давления в направляющем аппарате,

сообразно, так как приведет лишь к снижению коэффициента производительности.

М1а при разных углах а1 приведен на рис. 60. Следует подчерк­ нуть, что наивыгоднейшее число М)анв в общем случае меньше, единицы и только при осевом входе М)ОЛ, = 1.

126

Гидравлические потери в НА обусловливают снижение коэффидиента производительности ук и, кроме того, некоторое сме­ щение его максимума в сторону меньших осевых скоростей по сравнению с максимумом q la, потому что при увеличении ско­ рости потока с 1 коэффициент аНА несколько уменьшается. Одна­

Рис. 60. Зависимость функции q la от числа М1о и угла си на входе в рабочее колесо

Необходимо учитывать, что в связи с конечной толщиной лопаток критический режим течения в горловине НА дости­ гается раньше, чем в сечении 1-1 перед колесом, т. е. еще при

окружной скорости колеса (при данных значениях w, и с1а), что отрицательно сказывается на работоспособности ступени. По­ этому практически число М)а для дозвуковой первой ступени обычно выбирается не свыше 0,60 — 0,62, чему в статических условиях соответствует осевая скорость порядка 2 0 0 MjceKi Если ограничения, связанные с уменьшением работоспособности ступени, отсутствуют (как, например, в сверхзвуковой ступени), то целесообразный верхний предел для числа М,„ можно счи­ тать равным 0,70 — 0,72 и соответственно для осевой скорости—: 230 — 235 м'сек.

127

Важным фактором, определяющим пропускную способность ступени, является также относительный диаметр втулки, с уменьшением которого коэффициент <рж возрастает. Следует, однако, иметь в виду, что по

§42. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В СТУПЕНИ И ЕЕ К. П. Д.

Вотличие от элементарной ступени в ступени осевого ком­ прессора имеется, кроме профильных, ряд дополнительных ги­ дравлических потерь. Основным источником этих потерь яв­

ляются радиальные зазоры на концах лопаток н стенки коль­ цевого канала, в котором происходит движение воздуха.

В радиальных зазорах благодаря наличию разности давле­ ний по обеим сторонам лопатки происходит перетекание воздуха через ее торец с вогнутой поверхности на выпуклую. Это пере­ текание приводит к образованию свободных вихрей, сбегающих

ний, которые на вогнутой поверхности направлены к периферии, а на выпуклой, наоборот,— к центру. Отметим, что возникаю­ щее при этом дополнительное сопротивление аналогично индук­ тивному сопротивлению крыла конечного размаха.

Вторичные течения у концов лопаток, кроме перетекания через радиальный зазор, создаются также и вследствие наличия пограничного слоя на поверхностях ротора и статора, образую­ щих кольцевой канал. Причины появления этих течений и их характер можно установить, рассматривая обтекание потоком

128

прямой решетки профилей, 1 ограниченной по концам лопаток плоскими стенками [9]. Трение воздуха о плоские стенки при­ водит к снижению скорости обтекания концевых сечений ло­ патки и, как следствие, к уменьшению разности давлений на ее

нию к выпуклой стороне соседней лопатки и затем переходят в радиальные течения у спинки,

направленные от концов лопатки к ее середине (рис. 63). Одновременно в ядре потока у концов лопаток образуются ком-

Рис. 63. Образование парного вихря

1 Прямая решетка образуется лопатками с постоянным профилем по дли­