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

проведенные под руководством Б. С. Стечкина в ЦАГИ. Опираясь на эти исследования, Стечкин разработал основы теории и расчета авиационных нагнетателей, которые опубликовал в 1934 г.

Огромную роль в дальнейшем совершенствовании отечественных нагнетателей сыграли их систематические теоретические и экспери­ ментальные исследования, проводившиеся в течение многих лет, на­ чиная с 1930 г., в ЦИАМ им. Баранова. Эти исследования возглав­ лялись В. И. Дмитриевским, который в 1935 г. опубликовал фунда­ ментальную монографию «Нагнетатели и наддув авиационных дви­ гателей», значительно дополненную и переработанную совместно с Холщевниковым в 1939 г. [13]. В этом труде были настолько глубо­ ко н полно разработаны важнейшие вопросы теории и расчета авиа­ ционных нагнетателей различного типа, что он на многие годы стал настольной книгой для каждого авиационного инженера.

Ценный вклад в теорию центробежных компрессоров внес в этот период также В. И. Поликовакий, написавший 'капитальное сочине­ ние «Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры», которое в даль­ нейшем неоднократно переиздавалось.

Вконце 30-х годов текущего столетия центробежный компрес­ сор впервые получает применение на авиационных газотурбинных двигателях. Первый авиационный газотурбинный двигатель с цен­ тробежным компрессором, разработанный английским конструкто­ ром Уиттлом, прошел испытания в 1937 г. Вскоре после окончания второй мировой войны ГТД с центробежными компрессорами стали широко использоваться в авиации.

ВСоветском Союзе тщательное исследование особенностей круп­ норазмерных авиационных центробежных компрессоров в целях по­ вышения их эффективности было проведено в ЦИАМ. Больших ус­ пехов в разработке отечественных конструкций центробежных ком­ прессоров для ГТД достиг также коллектив конструкторов, возглав­ лявшийся В. Я. Климовым. Благодаря совместным усилиям конструк­ торских бюро и научно-исследовательских институтов в нашей стране были созданы высококачественные центробежные компрес­ соры для ГТД, которые удовлетворяли самым жестким требованиям

иполучили широкое практическое применение.

Всвязи с непрерывным ростом степени сжатия и быстрым со­ вершенствованием осевых компрессоров последние годы характери­ зуются существенным ослаблением интереса со стороны конструк­ торов ГТД к центробежным компрессорам и значительным сокраще­ нием их выпуска. В настоящее время новые ГТД с центробежными компрессорами во всех странах почти не проектируются, а произ­ водство ранее созданных двигателей или прекращено полностью, или сведено к минимуму. Поэтому вопросы теории и расчета центро­ бежных компрессоров излагаются в сокращенном виде.

180

Г Л А В А Д Е С Я Т А Я

РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА НА РАСЧЕТНОМ РЕЖИМЕ

§ 59. ВХОДНАЯ ЧАСТЬ

Входная часть центробежных компрессоров ГТД выполняется в виде или короткого прямого патрубка (рис. 84), или кольцевого коленообразно'го патрубка с углом поворота потока, достигающим

90° (рис. 85).

К входной части предъявляются следующие основные требова­ ния: 1) минимальные гидравлические потери, 2) обеспечение необ­ ходимой величины и направления скорости воздуха перед РК, 3) осесимметричиость потока и отсутствие сильного искажения поля скоростей и давлений в сечении перед РК под воздействием присте­ ночного пограничного слоя.

Для обеспечения возможно большей равномерности потока пе­ ред колесом и уменьшения всех видов гидравлических потерь во входной части ей всегда придается конфузорная форма, а ее внут­ ренние поверхности отделываются с особой тщательностью (до зер­ кальной гладкости).

При коленообразной форме входной части особое внимание уде­ ляется борьбе с потерями на вихреобразование при повороте, кото­ рые составляют основную долю гидравлических потерь в ВЧ. По­ этому участок поворота стараются скруглять возможно большими радиусами. С этой же целью иногда применяется разделение потока неподвижными лопатками или специальными колоколообразными перегородками из тонкого листового материала (рис. 85) на отдель­ ные струи с увеличенным отношением радиуса кривизны к высоте канала, что способствует уменьшению интенсивности вихреобразования. Наивыгоднейшее очертание входной части окончательно всегда устанавливается экспериментальным путем.

Движение воздуха во входной части вследствие ее конфузорной формы носит ускоренный характер и, кроме того, является практи­ чески энергоизолированным. Поэтому возрастание скорости сопро­ вождается расширением воздуха, т. е. снижением его статического давления, температуры и удельного веса. Полная температура при этом, естественно, остается постоянной, а полное давление несколь­ ко уменьшается.

Если ННА во входной части отсутствует, то вход воздуха в ко­ лесо осуществляется в осевом направлении. При наличии ННА по­ ток получает в нем предварительную закрутку и поступает в Р,К с некоторым наклоном по отношению к плоскости ©ращения. Предва­ рительная закрутка обычно бывает направлена в сторону вращении РД.

Вслучае выполнения ВЧ по схеме, изображенной на рис. 85

и87, воздух после выхода из ННА, прежде чем попасть в ко­

лесо, должен еще миновать участок поворота Ь-1, где получен-,-

181

ная им предварительная закрутка и параметры состояния пре­ терпевают изменение. Учитывая слабое влияние трения воздуха о стенки каналов на кинематику потока и отсутствие момента внешних сил, можно приближенно считать, что на участке Ь-1 движение отдельных струек подчиняется закону „свободного вихря“ и поэтому

где с,„ — предварительная закрутка в сечении 1-1 на текущем радиусе г.

Сечение по d - d

Давление /?, можно определить по уравнению политропы, приняв в качестве начальных полные параметры состояния воз­ духа перед входной частью:

182

няющей точки а* и 1, величина которого находится по уравне­ нию потерь

главным образом от скорости движения воздуха и потому обыч­ но подсчитываются по формуле

и обычно составляет (0,25-f-0,35)м2- Предварительная закрутка с 1и может выбираться или определяться расчетом (см. ниже).

Давление воздуха на входе в колесо можно также определять, исходя из величины известного для выполненных компрессоров коэффициента падения полного давления овх во входном устрой­

1 Радиальная составляющая у скорости с\ обычно отсутствует или прене­ брежимо мала.

183

подсчитать полное давление /V*, а затем уже найти статическое давление р х. У компрессоров ГТД agJ.т 0,97 -*- 0,99.

Площадь F 1 сечения на выходе из ВЧ определяется по урав­ нению расхода, а площадь заборного отверстия F a обычно вы­ бирается в соответствии с данными статистики, согласно кото­ рым Ая= (1,25 -ч- 1,40)/V При этом скорость са ^ 80 н- 100 Mjcen.

§ 60. ВХОД В РАБОЧЕЕ КОЛЕСО

Для того чтобы выяснить условия входа воздуха в РК, мыс­

скоростью Wi и отрицательным направлением оси и. Угол входа

Треугольник скоростей можно построить и на любом другом радиусе входного отверстйя колеса. При этом благодаря изме­ нению окружной скорости ttj и предварительной закрутки с га

1 8 4

кромке с отрицательным направлением оси и. Очевидно, что во избежание срыва потока при входе в ВНА и появления допол­ нительных потерь передняя касательная к профилю должна при­ мерно совпадать с направлением скорости wv Экспериментально установлено, что минимум гидравлических потерь при входе в ВНА достигается при условии $и — р, + (2 -ч- 4°), т. е. при не­ большом положительном угле атаки. На основании последнего соотношения и определяется необходимый угол загиба входных кромок лопаток. В соответствии с указанным выше изменением угла рл вдоль радиуса в наибольшей степени приходится заги­ бать лопатки на внешнем диаметре и в наименьшей — у втулки. Вход потока в колесо под наивыгоднейшим углом атаки часто условно именуется .безударным входом".

Гидравлические потери в ВНА существенно зависят также

Так как вдоль радиуса скорость Wy увеличивается, то наивысшее значение числа Mj достигается на диаметре Dy. Во избежание больших потерь в ВНА при проектировании компрессоров обыч­ но стараются осуществить вход в колесо так, чтобы максималь­ ное число М: не превосходило 0,75 -ь 0,95. В редких случаях число Мг повышается до 1,0 — 1,1.

Согласно треугольнику скоростей(рис. 8 8 )окружная скорость

А

откуда после подстановки Uy = u2jP и простых преобразований

D*).

^2

получим

Из уравнения (10.11) видно, что повышение числа Мь нежела­ тельное с точки зрения к. п. д. компрессора, вместе с тем является средством уменьшения его диаметральных размеров. При прочих, равных условиях с ростом Mi диаметр D2 уменьшается, что объяс­ няется следующим образом: согласно (10.10) увеличение числа М» приводит к возрастанию окружной скорости иу или при данном диа­

185

метре D\, определяемом из уравнения расхода, к повышению числа оборотов компрессора; последнее обстоятельство при постоянной скорости и%, потребной для обеспечения заданной степени сжатия, и обусловливает снижение диаметра Do.

Уравнение (10.11) позволяет в известной мере вскрыть также роль предварительной закрутки на входе в РК. Нетрудно ви­ деть, что при данном числе М[ и прочих равных условиях вве­ дение предварительной закрутки по ходу позволяет снизить на­ ружный диаметр колеса. При данном же диаметре D 2 увеличе­ ние с 1а дает возможность уменьшить число Мх на входе в ко­ лесо. Применение закрутки по ходу целесообразно также потому, что при этом уменьшаются потребные углы загиба ло­ паток ВНА.

стоятельство требует увеличения окружной скорости и2 и поэтому в действительности диаметр Do с увеличением с Хи уменьшается только до определенного предела. Кроме того, при больших предварительных закрутках сильно увеличиваются гидравлические потери в ННА, снижается пропускная способ­ ность колеса и может возникнуть необходимость в загибе ло­ паток у втулки против вращения, что конструктивно нежела­ тельно. В связи с изложенными соображениями авиационные центробежные компрессоры обычно выполняются или с осевым входом, или со сравнительно небольшими предварительными закрутками по ходу, соответствующими значениям угла ах на периферии не менее 70—72°.

В межлопаточных каналах ВНА осуществляется поворот потока на значительный угол (до осевого направления) и одновременно вследствие увеличения площади проходного сечения снижается его скорость. Криволинейный и диффузорный характер течения небла­ гоприятно сказывается на потерях в ВНА. Поэтому желательно, что­ бы ширина межлопаточного канала увеличивалась по его длине плавно и возможно медленнее. Но так как это требует значитель­ ного удлинения загнутой части лопаток, неприемлемого по конструк­ тивным соображениям, то обычно гидравлические потери в ВНА оказываются весьма существенными. В целях уменьшения толщины входных кромок лопаток, придания более благоприятной формы межлопаточным каналам, обеспечения тщательной отделки стенок каналов, а также соблюдения требований прочности ВНА часто из­ готовляется в виде отъемлемой от остальной части колеса детали (из более прочного материала).

При проектировании компрессора диаметральные размеры вход­ ного отверстия РК определяются по уравнению расхода, написан­

186

откуда

отношение является одним из важных геометрических парамет­ ров компрессора, в большой мере влияюших на его работоспо­

§ 61. РАБОЧЕЕ КОЛЕСО

Рабочие колеса центробежных компрессоров делятся на откры­ тые, полузакрытые и закрытые (рис. 89).

Рис. 89. Типы рабочих колес:

а) открытое; гб) полузакрытое; в) закрытое; г) полузакрытое с двухсто­ ронним входом, д) закрытое с двухсторонним входом

Открытое колесо (рис. 89а) несложно в изготовлении и хорошо сопротивляется действию центробежных сил. Недостатком его яв­ ляется низкий к. п. д., обусловленный большими дисковыми поте­ рями, в связи с чем открытое колесо в настоящее время в авиаци­ онных компрессорах не применяется.

Полузакрытое колесо (рис. 896) отличается от открытого нали­ чием диска, закрывающего лопатки с тыльной стороны. Полузакры­ тое колесо несколько .сложнее в производстве и хуже противостоит нагрузкам от центробежных сил, чем открытое, но имеет значитель-

187

но меньшие потери йа трение диска. Этот тип колеса получил в авиационных компрессорах преобладающее распространение.

У закрытого колеса (рис. 89в), кроме заднего диска, имеется еще передний, так называемый покрывающий диск с отверстием в центральной части для входа воздуха. Основное достоинство этого колеса — высокий к. п.д., связанный с небольшими дисковыми по­ терями. К числу недостатков относятся большая сложность изготов­ ления и худшая сопротивляемость центробежным силам. В компрес­ сорах ГТД закрытое колесо, как правило, не используется.

Рабочие колеса рассмотренных трех типов могут выполняться как с односторонним, так и с двухсторонним входом. На рис. 89г, например, изображено колесо с двухсторонним входом полузакры­ того типа, а на рис. 89д — закрытого типа.

Лопатки РК по форме можно разделить на прямые и изогнутые

сорах применяются почти исключительно рабочие колеса с прямыми радиальными лопатками, которые в основном и составляют предмет дальнейшего изучения.

Рассмотрим теперь течение воздуха в каналах колеса. По выходе из ВНА воздух проходит участок поворота, где напра­ вление его скорости изменяется примерно на 90°, и далее, на­ чиная с диаметра Du движется практически в радиальном на­ правлении. С целью снижения гидравлических потерь участок поворота всегда выполняется с постепенно уменьшающейся пло­ щадью проходного сечения. Это приводит к соответствующему возрастанию скорости и потому у выполненных компрессоров радиальная составляющая с 1г абсолютной скорости на диаметре

после поворота составляет примерно (1,11) -ч- 1,15)с1о. Воздух, находящийся в каналах колеса, вовлекается его ло­

патками во вращательное движение и одновременно под дей­ ствием центробежных сил течет в направлении к периферии. Поэтому на каждом радиусе абсолютная скорость потока с определяется как геометрическая сумма окружной скорости вращения РК и и скорости относительного движения w. Вдоль радиуса скорость w несколько уменьшается, а абсолютная ско­ рость вследствие роста скорости переносного движения увели­ чивается.

Для пояснения характера движения воздуха в РК предполо­ жим вначале, что оно имеет бесконечно большое число лопа­ ток, лишенных толщины. В таком колесе воздушный поток был бы разделен на элементарные струйки, совершающие одинако­ вое движение и строго следующие направлению канала между лопатками. Поэтому в любом промежуточном сечении, и в том числе на выходе из колеса, относительная скорость w была бы направлена по радиусу, а ее величина и соответственно давле­ ние воздуха вдоль окружности данного радиуса не изменялись

188

СОцоо — Wo*

Вколесе с конечным числом ло­

ная скорость уменьшается, а за лопаткой, где скорости указанных потоков имеют одинаковое направление, увеличивается. Поэтому

Рис. 91. Течение воздуха в колесе с конечным числом лопаток

относительная скорость по ширине канала в направлении враще­ ния возрастает, а статическое давление соответственно умень­ шается.

189