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

сравнению со схемами II и III. Недостатком ее является опасность получения слишком коротких лопаток в последних ступенях, обус­ ловленная увеличением среднего диаметра. Это недопустимо пото­ му, что из-за сближения стенок кольцевого канала и возрастания относительной величины радиального зазора короткие лопатки при­ водят к увеличению вторичных и кольцевых потерь и в результате к падению к. п. д. ступени. .Кроме указанного недостатка, при схе­ ме / несколько усложняется крепление рабочих лопаток на дисках или барабане.

Сохранение постоянного диаметра втулки (рис. 83, II) упрощает конструкцию узлов крепления лопаток, но вместе с тем ведет к уве­ личению числа ступеней компрессора из-за снижения их работоспо­ собности. Вероятность получения недопустимо коротких лопаток в последней ступени при схеме II наименьшая.

Проточная часть с уменьшающимся наружным и возрастающим внутренним диаметром (рис. 83, III) занимает по своим свойствам промежуточное положение между двумя предыдущими схемами.

Одновременное увеличение обоих диаметров (рис. 83, IV) обес­ печивает максимальную работоспособность последующих ступеней компрессора. Однако эта схема связана с наибольшими конструк­ тивными затруднениями н, кроме того, с сильным укорочением по­ следних рядов лопаток.

На существующих компрессорах наиболее часто встречается

Во всех рассмотренных случаях относительный диаметр d от ступени к ступени увеличивается, причем наиболее интенсивно

уменьшалась. Однако для достижения больших коэффициентов закрутки в последующих ступенях и, следовательно, для повы­ шения их работоспособности (при данном значении и) необхо­ димо осевую скорость, наоборот, сохранять достаточно высо­ кой. Поэтому уменьшение осевой скорости по длине компрес­ сора производится с осторожностью (настолько медленно, на­ сколько позволяют величина скорости ck и длина лопаток по­ следней ступени) и обычно не более чем на 12 — 15 -м /сек в

170

одной ступени. Нередко в первых двух-трех ступенях, имеющих длинные лопатки, осевая скорость снижается незначительно или даже остается постоянной, а затем падение ее убыстряется.

Увыполненных компрессоров соотношение между осевыми

скоростями на выходе и на входе — лежит в пределах 0,5 — 0,9.

шаться в меньшей степени, чем при других схемах. Общее

постоянной. С точки зрения максимума к.п.д. желательно, чтобы все ступени имели примерно одинаковую степень реак­ тивности, по возможности близкую к т = 0,5. Однако стремле­ ние повысить степень сжатия последующих ступеней может

тающую функцию т. Увеличение степени реактивности целесо­ образно также потому, что при этом уменьшается скорость с8ц на выходе из последнего колеса и, следовательно, облегчается раскрутка потока до осевого направления.

Возрастание т практически достигается за счет уменьшения предварительной закрутки на входе в колесо и потому должно быть по длине компрессора плавным. Иначе отклоняющая спо­ собность СА, закрутка потока в котором должна превосходить закрутку в предыдущем РК, может оказаться недостаточной. Чрезмерно интенсивное увеличение т неприемлемо также из-за возможности превышения допустимых чисел Мрк на входе в РК

последующих ступеней.

При малых отношениях =^- « 0 ,8 ) повышение степени реак-

тивности не позволяет увеличить степень сжатия ступени и по­ этому нецелесообразно.

171

в однороторной схеме. В этом отношении выгоднее двухротор­ ная схема компрессора, где благодаря различным угловым ско­ ростям вращения роторов повышенные скорости иер для послед­ них рабочих колес могут быть получены не только без увели­ чения, но даже при уменьшении наружного диаметра ротора, целесообразном с точки зрения удлинения последних рядов лопаток. Двухроторная схема обладает также некоторыми дру­ гими важными преимуществами, рассматриваемыми ниже. Не­ достатком ее является усложнение конструкции компрессора.

щих ступеней может иметь более высокое значение, чем у пре­ дыдущих. Это обусловливается, во-первых, тем, что вследствие

возрастания d одной и той же предельно допустимой густоте у

точной части, может быть повышена сама предельная густота у

разом принятым распределением общей работы сжатия между ступенями. Чем интенсивнее возрастает работа Lt по ступеням, тем в большей степени увеличивается и густота решетки.

длину и снизить вес компрессора. Уменьшение хорды возможно потому, что благодаря меньшей длине лопаток, а также увели­ ченному диаметру втулки (допускающему размещение большего числа лопаток) требования прочности в последующих ступенях удовлетворяются легче, чем в предыдущих. Необходимая гу­ стота решетки при этом обеспечивается за счет соответствую­ щего уменьшения шага, в связи с чем число лопаток РК и СА

барабана). Во избежание чрезмерного увеличения числа лопа­ ток, особенно при возрастающей густоте, хорда профиля умень-

172

проектировании многоступенчатого осевого компрессора, отно­ сится рациональное разделение общей степени сжатия или одной

компрессора дополнительных элементов, а также от выбора его начального и конечного сечений, и всегда равна сумме внутрен­ них работ ступеней. Ввиду неодинаковых условий работы и

сора в области нерасчетных режимов. Эта ступень имеет к тому же и наиболее тяжелые условия работы, заключающиеся в са­ мой низкой температуре поступающего воздуха и максимальной длине лопаток. Пониженная температура приводит при данном числе Мрк к уменьшению окружной скорости вращения колеса,

пени по сравнению с другими ступенями влияет на к.п .д . ком­ прессора. В связи с изложенным первые одна-две ступени обычно выполняются с наименьшей внутренней работой.

Непрерывное повышение температуры воздуха, уменьшение дли­ ны лопаток и особенно более слабое влияние режима работы двига­ теля на показатели средних ступеней создают необходимые предпо­ сылки для осуществления этих ступеней с увеличенной внутренней работой по сравнению с первыми. Такая закономерность большей частью и встречается на выполненных конструкциях.

Последние ступени компрессора чувствительнее к изменению ре­ жима работы ГТД, чем средние, имеют самые низкие осевые скоро­ сти и, кроме того, из-за малой длины лопаток обладают понижен­ ным к. п. д. Попытка сильно нагрузить эти ступени привела бы к ощутимому падению к. п. д. компрессора и отрицательно сказалась

173

бы на его работе на нерасчетных режимах. Поэтому в двух послед­ них ступенях внутренняя работа часто снова уменьшается.

Степень возрастания внутренней работы в средних ступенях зависит от большого числа различных факторов. Во многом она определяется параметрами первой ступени: чем сильнее нагру­ жена эта ступень, тем меньше возможность увеличения работы в последующих ступенях. Существенное влияние оказывают

p2am>9U° не допускает существенного увеличения густоты ре­

шетки ( — ) . В этом случае возможности повышения рабо-

V 1 /РК ср

тоспосоОности средних ступеней оказываются весьма ограничен­ ными. Поэтому схему с D em = const предпочтительнее использо­ вать лишь при сравнительно большой внутренней работе у пер­ вой ступени. Несравненно более интенсивное возрастание внут­

детального газодинамического расчета. Принципиальная особен­

ступени. Более или менее произвольно, но также в ограничен­ ных пределах, могут выбираться только степень реактивности и густота решетки РК на D cp. В остальном газодинамический расчет последующих ступеней ничем не отличается от расчета первой ступени.

При приближенных расчетах число ступеней компрессора и распределение внутренней работы между ними устанавливаются

ступени превышает работу первой ступени не более чем на 15—25%, а при постоянном наружном диаметре указанное пре­ вышение доходит до 25—40% . Можно рекомендовать увеличи­ вать внутреннюю работу главным образом в передних двух-трех

174

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦЕНТРОБЕЖНОМ КОМПРЕССОРЕ

§ 57. УСТРОЙСТВО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Принципиальная схема центробежного компрессора (с односто­ ронним входом) с обозначением его характерных сечений и основ­ ных геометрических размеров изображена на рис. 84.

Рис. 84. Принципиальная схема центробеж­ ного компрессора с односторонним входом

Главной частью компрессора, как указывалось во введении, яв­ ляется рабочее колесо (РК ), или крыльчатка, представляющее со­ бой диск с прилегающими к нему с одной или с двух сторон торцо­ выми лопатками. В целях обеспечения так называемого «безудар­ ного» входа воздуха в РК передние кромки его лопаток загибаются в сторону вращения. Эта часть колеса называется вращающимся направляющим аппаратом (ВНА).

Ротор компрессора опирается на подшипники качения и нахо­ дится внутри корпуса, к которому примыкает входная часть (ВЧ), служащая для подвода воздуха извне к колесу.

Внутри входной части нередко располагаются неподвижные ло­ патки с отогнутыми выходными кромками, назначение которых со­ стоит в придании потоку определенного направления при входе в ко­

175

лесо. Эти лопатки называются неподвижным направляющим аппа­ ратом (ННА) и могут устанавливаться как на начальном участке входной части (рис. 85), так и в непосредственной близости к РК

(рис. 84).

Кольцевое пространство между стенками корпуса, расположен­ ное против выхода из колеса, является диффузором., служащим для преобразования скорости потока в давление. Во многих компрессо­ рах в диффузоре устанавливаются неподвижные лопатки, делящие

ществу два параллельно работающих центробежных компрессора с односторонним входом, конструктивно объединенных в одном агрегате. Внешний вид центробежного компрессора с двухсторон­ ним входом одного из существующих ТРД представлен на рис. 86.

Сжатие воздуха в центробежном компрессоре так же, как и в осевом, может осуществляться в одной или нескольких последова­ тельно расположенных ступенях. Однако из-за многократных пово­ ротов потока многоступенчатые центробежные компрессоры обла­ дают низким к. п. д. и, кроме того, отличаются большой конструк­ тивной сложностью. Поэтому на газотурбинных двигателях до на­ стоящего времени используются почти исключительно одноступенча­ тые и лишь в единичных случаях двухступенчатые компрессоры.

Основные данные центробежных компрессоров некоторых из авиационных ГТД приведены в таблице 3.

Введем следующие обозначения основных сечений центро­ бежного компрессора (рис. 84 и 85): а-а — на входе в компрес­ сор; а'-а' — m входе в ННА (рис. 84); b-b — на выходе из ННА (рис. 85); 1-1 — на входе в РК; 2-2 — между РК и БЛД; 3-3 —

*76

между БЛД и ЛД; 4 -4 — между ЛД и выходными патрубками; k-k — на выходе из компрессора.

Главными геометрическими размерами центробежного ком­ прессора являются (рис. 84 и 85): D 0 — диаметр втулки или диа-

Pnc.f86. Центробежный компрессор турбореактивного двигателя ВК-1:

1 — рабочее колесо; 2 — лопаточный диффузор; 3 — вал компрессора; 4 — лопатки*, рабочего колеса; 5 — неподвижный направляющий аппарат; 6 — вы­ ходные патрубки; 7 — предохранительная сетка на входе в компрессор; 8 —на­ правляющие лопатки для уменьшения потерь при повороте; 9 — вращающийся направляющий аппарат; 10 — колоколообразные перегородки во входной части

для уменьшения потерь при повороте

метр ступицы; D x— диаметр входного отверстия колеса; Д> — наружный, или внешний, диаметр колеса; D 3— выходной диаметр БЛД; D,(— выходной диаметр ЛД; Ьг — ширина лопаток РК на диаметре D j; b3 — ширина БЛД на входе; Ь3— ширина БЛД на выходе; ЬА— ширина ЛД на выходе.

Т а б л и ц а 3

Основные данные центробежных компрессоров

Важнейшим геометрическим параметром компрессора, в зна­ чительной степени определяющим все остальные его размеры, является наружный диаметр крыльчатки D 2. Поэтому очень часто, желая охарактеризовать геометрию компрессора, указы­ вают не абсолютные его размеры, а их отношения к D 2, напри-

D0 D_3 h

мер; ^ ,

D 2

§ 58. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

Центробежные компрессоры в отличие от осевых стали приме­ няться в авиационных двигателях тогда, когда в других областях техники уже был накоплен значительный опыт производства и экс-

178

плуатации этих машин, обусловивший довольно высокий уровень их развития.

Предшественниками центробежных компрессоров следует счи­ тать центробежные насосы; которые начали использоваться в про­ мышленности еше в XVIII веке, и созданные в XIX веке центробеж­ ные вентиляторы. Одним из первых творцов центробежных вентиля­

струировал несколько работоспособных образцов вентиляторов, по­ лучивших практическое применение в промышленности.

Особенно быстро центробежные вентиляторы стали развиваться после того, как в начале XX века Н. Е. Жуковский распространил на них созданную им вихревую теорию гребного винта. Эта теория позволила разработать совершенные методы аэродинамического расчета вентиляторов, резко повысившие их эффективность. Боль­

напорности центробежного вентилятора явилось создание центро­ бежного компрессора, который был впервые выпущен в 1900- г. фир1 мой Рато. Благодаря ряду своих существенных преимуществ цен­ тробежный компрессор быстро вытеснил поршневой из очень мно­ гих отраслей промышленности и нашел также применение на назем­ ном транспорте. В течение первых двух десятилетий XXвека в ряде западноевропейских стран было налажено серийное изготовление одно- и многоступенчатых центробежных компрессоров для самых различных целей, причем наибольших успехов в этом отношении до­ стигли швейцарские фирмы Рато, Броун-Бовери (в работах этой фирмы деятельное участие принимал выдающийся чешский ученый Стодола) и Эшер-Висс, немецкая фирма Егер, английские фирмы Парсонс, Фрезер и Чальмерс и др.

Внашей стране производство центробежных компрессоров было организовано на ряде заводов только после установления советской власти в связи с потребностями первых пятилеток. Однако развива­ лась эта отрасль машиностроения очень быстрыми темпами и в ко­ роткие сроки достигла больших успехов. Особые заслуги в создании уникальных конструкций центробежных компрессоров, превосходя­ щих по своим параметрам лучшие заграничные образцы, а также в развитии их теории принадлежат Невскому машиностроительному заводу им. Ленина, который с 1933 г. стал главным поставщиком этих машин для различных отраслей народного хозяйства.

В20-х годах текущего столетия центробежные компрессоры на­ чали широко применяться в авиации в качестве агрегатов наддува поршневых авиадвигателей. Однако получить высоконапорные, эко­ номичные и вместе с тем легкие конструкции центробежных ком­ прессоров для наддува, или, как их часто называют, центробежных нагнетателей, удалось не сразу. В вашей стране этому предшество­ вали обширные исследования отдельных элементов нагнетателей,