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

ботоспособность, обусловленная небольшой окружной скоростью вращения колеса.

Для того чтобы установить причины перехода к сверхзвуко­ вым скоростям обтекания решеток, обратимся к выражению (6.5) для внутренней работы, согласно которому при а г = const

Рис. 79. Зависимость внутренней работы от осевой скорости и числа М на входе в колесо

дает существенного прироста L t и одновременно приводит к падению к. п. д. и появлению конструктивных трудностей. Можно показать, что в случае т = 0,5 и w l = с%= const (т. е. Мрк = const)

160

Из рис. 79 также видно, что при Мрк<(1 увеличение скорости

невозможно из-за сильного падения работы L t. Этим объяс­ няется пониженная пропускная способность дозвуковой ступени.

Наиболее эффективным средством повышения работоспособ­ ности и одновременно производительности ступени является увеличение числа Мрк, т. е. переход к сверхзвуковым ско­

ростям обтекания решеток. Как видно из рис. 79, даже неболь­ шое повышение числа Мрк позволяет существенно увеличить

работу L ; , скорость с 1а или обе величины одновременно. Это обстоятельство и обусловило появление сверхзвуковой ступени.

Рабочие процессы сверхзвуковой и дозвуковой ступеней разли­ чаются только тем, что в межлопаточных каналах решетки, обтекае­ мой сверхзвуковым потоком, возникают один или несколько (в за­ висимости от формы профиля) скачков уплотнения, через которые осуществляется переход сверхзвуковой' скорости в дозвуковую. В этих скачках в основном и сжимается воздух. Обычно при по­ строении сверхзвуковой решетки ограничиваются одним прямым скачком или системой, состоящей из косого и замыкающего прямого скачков уплотнения.

Наличие скачков, которые привыкли рассматривать как вредное явление, связанное с дополнительными потерями, может привести к представлению о том, что сверхзвуковая ступень должна обладать очень низким к. п. д. Действительно, процесс, происходящий в скач­ ках, является необратимым и, как таковой, сопровождается возра-' станием энтропии и снижением полного давления. Однако наблю­ даемые при этом большие потери объясняются не столько возраста­ нием энтропии в скачке, сколько стимулируемым им отрывом погра­ ничного слоя. Полное давление в самих скачках уплотнения при не­ больших сверхзвуковых скоростях потока снижается сравнительно мало и к. п. д. скачка оказывается достаточно высоким..

Подтверждением сказанного может служить рис. 80, на ко­

батический к.п.д. скачка уменьшается, но вплоть до значитель­

Из сказанного следует, что при умеренных сверхзвуковых скоро­ стях преобразование кинетической энергии потока в потенциальную непосредственно в скачках уплотнения происходит с достаточно вы­ соким к. п. д. и основная проблема сверхзвуковой ступени заклю-

Рис. 80. Степень сжатия и к. п.д. прямого скачка в функции коэффициента скорости перед скачком

чается в предотвращении отрыва пограничного слоя от стенок ка­ нала после скачков.

в зависимости от того, в каких характерных сечениях и какие именно скорости превышают местную скорость звука. В такого рода клас­ сификации основными являются следующие типы ступеней: со сверх­ звуковым РК, со сверхзвуковым СА и со сверхзвуковыми РК и СА.

На первом этапе развития сверхзвуковых компрессоров внима­ ние исследователей привлекала главным образом ступень второго типа, так как экспериментальное изучение сверхзвукового течения в неподвижном СА проще, чем в РКОднако в связи с повышенной чувствительностью сверхзвукового потока к нестационарности и не­ однородности поля скоростей и давлений, создаваемым предшест­ вующим колесом, условия работы СА у рассматриваемой ступени оказались весьма неблагоприятными и характеризовались больши­ ми потерями энергии. Поэтому первые же испытания выявили очень низкий к. п. д. ступени второго .типа [49] и тем самым показали ее практическую непригодность.

Не получила практического применения также ступень третьего типа — со сверхзвуковыми РК и СА. Эта ступень в принципе в со­ стоянии обеспечивать наивысшие степени сжатия, ню одновременно

162

должна обладать и самым низким к. п. д., потому что ее СА работает

числом Мрк, близким к единице. Трансформацию этого плана при переходе к сверхзвуковым числам Мрк произведем;, ^ р ас­

четом одновременного увеличения как пропускной способности, так и работоспособности ступени.

ии

Рис. 81. План скоростей и решетки профилей сверхзвуковой ступени с осе­ вым входом

придадим скорости сг осевое направление.

Для повышения работоспособности ступени увеличим окруж­ ную скорость вращения колеса и, сохранив при этом закрутку потока Аси неизменной. Увеличение указанной скорости огра­ ничивается, во-первых, чрезмерным возрастанием числа Мрк и,

как следствие, сильным снижением к. п. д. ступени и, во-вторых, соображениями прочности. Однако обычно предельное значение и по числу Мрк достигается раньше, чем по прочности. Так,

она может достигать 500 Mjceic. Отметим также, что если по­ зволяет отклоняющая способность решетки РК, то одновре­ менно со скоростью и можно увеличить и закрутку потока. Это приведет к дополнительному повышению внутренней рабо­ ты ступени.

ток выходит с дозвуковой относительной скоростью w 2, а также

колесом по сравнению с ее значением с 1а перед ним. Это объясняется следующими причинами: 1) в колесе сверхзвуковой ступени благодаря повышенной ее работоспособности сильно возрастает удельный вес воздуха, что при одинаковых осевых скоростях с 1а и с2а привело бы к резкому укорочению лопатки РК на выходе и, как следствие, к неблагоприятной форме меж­

боваться чрезмерно быстрое снижение осевой скорости в после­ дующих ступенях компрессора (для обеспечения приемлемой

сле скачка будет происходить с сильным замедлением и сопро­

Ifi4

У сверхзвуковой ступени в противоположность дозвуковой скорость с3 на выходе из СА может сильно отличаться от си так как ее величина и направление определяются необходи­ мостью получения принятых условий работы для следующей ступени компрессора, которая большей частью выполняется до­ звуковой.

Типичный план скоростей рассматриваемой сверхзвуковой ступени с осевым входом изображен на рис. 81 сплошными ли­ ниями; здесь же представлены соответствующие ему решетки профилей РК и СА.

Принципиально говоря, сверхзвуковая ступень может выпол­ няться не только с осевым входом, но также и с предваритель­ ной закруткой. Предварительная закрутка по ходу позволяет при данном числе Мрк увеличить окружную скорость вращения

колеса и тем самым еще в большей степени, чем при осевом входе, повысить внутреннюю работу ступени или уменьшить потребный угол поворота потока в РК, что благоприятно сказы­ вается на к.п.д. Однако по мере увеличения скорости с1а ее отрицательное влияние на пропускную способность ступени ста­ новится все ощутительней и, кроме того, появляется опасность получения сверхзвуковых скоростей в СА. При больших числах МРК закрутка по ходу может привести также к превышению

допустимого предела для окружной скорости РК по условию прочности. Поэтому введение небольшой предварительной за­ крутки по вращению целесообразно только при умеренных числах Мрк в случае стремления получить в сверхзвуковой сту­

пени максимальную степень сжатия, хотя бы и в ущерб ее пропускной способности.

Предварительная закрутка против хода невыгодна, потому что она приводит к одновременному снижению как производи­ тельности ступени, так и ее работоспособности (вследствие уменьшения скорости и при данном числе Мрк).

В ступени со сверхзвуковым РК при использовании ее в качестве первой ступени компрессора обеспечивается наимень­ шая по сравнению с другими схемами неоднородность потока перед скачками уплотнения. Объясняется это в случае с1и Ф О конфузорным характером течения в НА, способствующим луч­ шему выравниванию потока, а при осевом входе — небольшим возмущением потока до колеса только во входной части дви­ гателя. Поэтому, как показывают экспериментальные данные, рассматриваемая ступень обладает и наиболее высоким к. п.д., сравнительно немного уступающим при умеренных числах Мрк < 1,6 1,7 к.п .д . дозвуковой ступени. Например, в сверх­

звуковой ступени, испытанной в NACA (Rep. № 974, 1950 г.) и имевшей число Мрк= 1,72, число М„ = 1,57 и d = 0,75, была

получена степень сжатия е = 1,8 при т] = 0,8 (без учета потерь в СА).

165

щего сверхзвукового потока. Угол заострения клина и протяжен­ ность прямолинейных участков должны обеопечивать реализацию расчетной системы скачков уплотнения, а очертание хвостовой ча­ сти профиля должно обеопечивать принятую кинематику потока на дозвуковом участке межлопаточного канала.

Один из возможных вариантов выполнения решетки сверхзвуко­ вого РК с прямым скачком уплотнения схематично представлен на рис. 82. Передняя клиновидная часть профиля изготавливается на­ столько тонкой, насколько это допустимо по условиям прочности и

нала увеличивается и потому образуется прямой скачок уплотне­ ния. Точка В должна находиться на таком удалении от передней кромки, чтобы фронт прямого скачка проходил через вершину соседнего профиля. Прямолинейный участок АС нижней поверх­ ности профиля отклоняет поток от его первоначального направле­ ния, но так как за фронтом прямого скачка скорость уже дозву­ ковая, то косого скачка в точке А не возникает. В рассмотренном случае профили решетки почти на всем протяжении обтекаются дозвуковым потоком с плавно изменяющимися параметрами и по­ тому решетка работает с достаточно высоким к. п.д.

На участке межлопаточного канала после скачка уплотне­ ния во избежание отрыва потока не допускаются большие по­ ложительные градиенты давления. В связи с этим сверхзвуко­ вые решетки обычно выполняются со слабоизогнутыми профи­

способствующей снижению градиента давления и возрастанию

допустимых углов поворота потока. Повышение - j могло бы

быть достигнуто за счет уменьшения шага. Однако сравни­ тельно малый относительный диаметр втулки и высокая окруж­

1 6 7

ная скорость вращения РК исключают возможность его изго­ товления с большим числом лопаток. Поэтому одной из харак­ терных особенностей сверхзвуковой ступени является большая ширина ее рабочих лопаток.

Заметим, что наряду с описанным выше существуют также и другие методы профилирования сверхзвуковой решетки, основанные на образовании скачка уплотнения перед профилем и потому не тре­ бующие обязательного выполнения его передней части в виде ост­ рого клина.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

§ 54. П Р Е Д В А Р И Т Е Л Ь Н Ы Е З А М Е Ч А Н И Я

Осевые компрессоры авиационных ГТД практически всегда вы­ полняются многоступенчатыми, потому что степень сжатия, созда­ ваемая одной ступенью (не более 1,30— 1,35 в дозвуковой ступени), значительно меньше потребной для двигателя. Ввиду отсутствия не­ обходимости в резких поворотах потока при его подводе от преды­ дущей ступени к последующей создание многоступенчатого осевого компрессора не встречает принципиальных трудностей и не сопря­ жено с ощутимым падением к. п.д. Число ступеней z у существую­ щих осевых компрессоров изменяется в довольно широких преде­ лах: от 5 до 20.

Многоступенчатый осевой компрессор нельзя рассматривать как простое механическое соединение нескольких отдельных ступеней. При совместной работе ступеней возникает ряд специфических яв­ лений, обусловленных их взаимным влиянием, которые отсутствуют в изолированной ступени. Условия на входе в каждую последую­ щую ступень определяются параметрами состояния и кинематикой потока на выходе из предыдущей ступени, причем эти условия рез­ ко изменяются в завиоимости от режима работы компрессора. По­ этому при создании многоступенчатого компрессора параметры от­ дельных ступеней для обеспечения их согласованной работы долж­ ны тесно увязываться друг с другом.

Рабочий процесс многоступенчатого компрессора, особенно на нерасчетных режимах, изучен в настоящее время менее глубоко, чем работа изолированной ступени. Теоретическое определение наивы­ годнейших параметров отдельных ступеней, при которых была бы гарантирована нормальная работа компрессора на всех режимах, встречающихся в процессе эксплуатации, весьма затруднительно, в силу чего эти параметры приходится существенно корректировать в процессе доводки компрессора.

168

§ 55. ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТУПЕНЕЙ ПО ДЛИНЕ КОМПРЕССОРА

Основные параметры ступеней — относительный диаметр втулки и независимые элементы плана скоростей на Dcp , как-то: осевая ско­ рость, степень реактивности, окружная скорость и густота решет­ ки — должны изменяться по длине компрессора таким образом, чтобы наиболее полно удовлетворялись важнейшие из предъявляе­ мых к авиационному компрессору требований. К числу последних обычно относятся: легкость и малогабаритность компрессора, его высокий к. л. д. и возможно более согласованная работа ступеней на различных режимах. Кроме того, компрессор должен быть простым в конструктивном отношении, так как это удешевляет стоимость его производства и ремонта.

Рис. 83. Формы проточной часпГмногоступенчатых осевых компрессоров

Изменение относительного диаметра втулки по длине компрес­ сора определяется изменением площади поперечного сечения про­ точной части и формой последней в меридиональном сечении.

В связи с возрастанием удельного веса воздуха в последующих ступенях и невозможностью компенсировать это возрастание соот­ ветствующим снижением осевой скорости площадь поперечного се­ чения кольцевого канала (и, следовательно, длина лопаток) вдоль компрессора уменьшается. По этой причине относительный диаметр втулки при прочих равных условиях должен увеличиваться и тем в большей степени, чем сильнее уменьшается указанная площадь.

Формы проточной части, встречающиеся на выполненных ком­ прессорах, схематично представлены на рис. 83. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.

Схема I с постоянным наружным диаметром (рис. 83) выгодна тем, что она обеспечивает увеличение скорости и в последующих ступенях, а следовательно, и повышенную их работоспособность по

169