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

входной части, осевого компрессора, камеры сгорания, газовой тур­ бины и реактивного сопла.

Рабочий процесс двигателя в статических условиях протекает следующим образом. Атмосферный воздух засасывается через вход­ ную часть компрессором, сжимается в нем и подается в камеру сго­ рания. Сюда же через специальные форсунки непрерывно впрыски­ вается в мелкораспыленном виде топливо. Образовавшаяся топли­ во-воздушная смесь воспламеняется от постоянно имеющегося в ка­ мере сгорания факела пламени и сгорает при практически постоян­ ном давлении. Выделяющееся при этом тепло воспринимается в ос­ новном самим потоком, благодаря чему его температура резко по­ вышается. В турбине, расположенной после камеры сгорания и слу­ жащей для вращения компрессора, протекает процесс, обратный тому, который совершается в компрессоре, а именно: газ расши­ ряется, отдавая при этом часть своей энергии рабочему колесу тур­ бины и тем самым приводя его во вращение.

Так как из-за подвода тепла в камере сгорания энергия газа пе­ ред турбиной существенно превышает энергию воздуха на выходе из компрессора, то при условии полного расширения продуктов сго­ рания в турбине до атмосферного давления ее мощность превосхо­ дила бы мощность, потребляемую компрессором. В действительно­ сти на равновесном режиме работы ТРД его турбина развивает мощность, в точности равную мощности, потребляемой компрессо­ ром и вспомогательными агрегатами двигателя. Поэтому в турбине происходит не полное, а лишь частичное расширение продуктов сго­ рания. Дальнейшее понижение давления продуктов сгорания с соот­ ветствующим нарастанием их скорости происходит в реактивном сопле, из которого они затем с большой скоростью вытекают в ат­ мосферу.

В результате описанных процессов в ТРД происходит ускорение газовоздушного потока, которое вызывается силой воздействия дви­ гателя на поток и приводит к появлению равной и противоположно направленной реактивной силы или тяги.

Аналогично работает ТРД и в условиях полета с той лишь раз­ ницей, что в этом случае начальная скорость движения потока от­ носительно двигателя равна скорости полета самолета. Благодаря этому воздух сжимается не только в компрессоре, но и за счет свое­ го начального скоростного напора еще до входа в последний.

Перейдем теперь непосредственно к рассмотрению устройства и принципа работы осевого компрессора. Многоступенчатый осевой компрессор, как видно из рис. 1, представляет собой несколько по­ следовательно чередующихся рядов подвижных и неподвижных ло­ паток, которые помещены внутри открытого с обеих сторон кольце­ вого канала. Лопатки расположены радиально и в каждом ряду на­ ходятся на одинаковых расстояниях друг от друга. Подвижные, или рабочие, лопатки соединены с ротором компрессора, а неподвиж­ ные, или спрямляющие, лопатки закреплены в его корпусе. Каждый ряд подвижных лопаток вместе с несущим их элементом называется

10

рабочим колесом, а неподвижных — спрямляющим аппаратом. Со­ вокупность рабочего колеса и установленного за ним спрямляющего аппарата называется ступенью компрессора.

При вращении ротора компрессора лопатки рабочих колес, воз­ действуя на воздух подобно лопастям воздушного винта, закручи­ вают его и одновременно заставляют двигаться вдоль оси по на­ правлению к выходу из компрессора. Благодаря этому на входе в компрессор создается разрежение, которое обеспечивает непрерыв­ ное поступление в него воздуха из окружающей среды. У лопаток рабочих колес линия изгиба их профилей всегда бывает обращена выпуклостью в сторону, противоположную вращению ротора. По­ этому в образованных ими каналах поворот потока осуществляется по вращению, а момент аэродинамических сил, действующих на ло­ патки, оказывается соответственно направленным против вращения. Это обстоятельство обусловливает затрату механической энергии на вращение колеса и ее передачу лопатками протекающему через ком­ прессор воздуху. Вследствие подвода внешней механической энер­ гии в рабочем колесе одновременно увеличиваются и абсолютная скорость воздуха, и его статическое давление. Рост последнего до­ стигается путем придания межлопаточным каналам колеса диффу-

зорной формы.

Вустановленном за колесом спрямляющем аппарате происходит поворот потока против вращения ротора с тем, чтобы было обеспе­ чено необходимое его направление при входе в следующую ступень. При этом одновременно изменяются и параметры состояния воздуха. Межлопаточные каналы спрямляющего аппарата, так же как и ра­ бочего колеса, обычно имеют диффузорную форму; поэтому в спрям­ ляющем аппарате происходит преобразование кинетической энергии потока, приобретенной в колесе, в потенциальную, что приводит к дальнейшему повышению давления.

Восевом компрессоре воздух движется примерно по цилиндри­ ческим поверхностям, ось которых совпадает с осью вращения ро­ тора, лишь незначительно перемещаясь с одного радиуса на другой, чем и обусловлено наименование компрессора.

На рис. 2 представлена принципиальная схема ТРД с центро­ бежным компрессором. Двигатель состоит из тех же основных эле­ ментов и работает точно так же, как и предыдущий, отличаясь от него только типом компрессора. Установленный на данном двига­ теле центробежный компрессор с двухсторонним входом 1 включает в себя входную часть, или входное устройство, рабочее колесо, диф­ фузор и выходные патрубки. Главной частью такого компрессора является рабочее колесо, на торцовых, поверхностях которого распо­ ложены прямые радиальные лопатки (они могут выполняться и изогнутыми). Рабочее колесо жестко связано с валом, приводимым во вращение газовой турбиной, и находится внутри неподвижного

1 Центробежные компрессоры выполняются также и с односторонним вхо­

дом.

11

корпуса, к которому с обеих сторон примыкают входные устройства. При вращении рабочего колеса воздух, находящийся в его ка­ налах, отбрасывается под действием центробежных сил к перифе­ рии, благодаря чему на входе создается разрежение и устанавли­ вается непрерывное течение воздуха через проточную часть ком­ прессора. Так как в колесе к воздуху извне подводится механиче­ ская энергия (в виде работы, совершаемой аэродинамическими си-

Рис. 2. Принципиальная схема ТРД с центробежным компрессором

лами, действующими на поток со стороны лопаток), то он покидает колесо с повышенным статическим давлением и увеличенной ско­ ростью.

Дальнейшее увеличение статического давления воздуха за счет снижения его скорости происходит в диффузоре и частично в вы­ ходных патрубках, служащих для подвода воздуха к камерам сго­ рания.

Отличительным признаком рассматриваемого типа компрессора является движение воздуха в каналах рабочего колеса в радиальном направлении от центра к периферии, т. е. в направлении действия центробежных сил, чем и объясняется его наименование.

Общность принципа действия осевого и центробежного компрес­ соров заключается в повышении полного давления воздуха за счет механической энергии, подводимой к нему извне с помощью рабо­ чего колеса. Различие же состоит в том, что в колесе осевого ком­ прессора статическое давление воздуха возрастает в результате пре­ образования кинетической энергии потока в относительном движе-

12

нии в потенциальную, >а в колесе центробежного компрессора — в основном за счет воздействия центробежных сил.

Рассмотрим теперь устройство и принцип действия турбины. Осевая газовая турбина представляет собой обращенный осевой компрессор и аналогично последнему состоит из нескольких рядов подвижных и неподвижных лопаток, находящихся внутри кольцевого канала. В каждом ряду лопатки имеют одинаковую форму и равноудалены друг от друга.

Ряд неподвижных лопаток вместе с кольцевыми бандажами, слу­ жащими для их крепления, называется сопловым аппаратом, а ряд подвижных лопаток вместе с несущим их диском, жестко связанным с валом турбины, — рабочим колесом. Рабочее колесо в совокупно­ сти с предшествующим ему сопловым аппаратом образует ступень турбины.

Авиационные газовые турбины выполняются как одноступенча­ тыми (рис. 2), так и многоступенчатыми (рис. 1).

Лопатки осевой турбины во многом сходны с лопатками осевого компрессора и отличаются от последних главным образом располо­ жением по отношению к плоскости вращения колеса, очертанием образованных ими каналов и более сильной изогнутостью профиля. Межлопаточные каналы как соплового аппарата, так и рабочего ко­ леса турбины в отличие от осевого компрессора имеют конфузорную форму, что необходимо для обеспечения расширения газа.

Рабочий процесс газовой турбины протекает следующим обра­ зом. Газ, обладающий повышенным давлением и температурой, вхо­ дит в каналы соплового аппарата, где происходит его расширение

иодновременно осуществляется поворот потока на некоторый угол

сцелью придания ему наклонного направления перед входом в ко­ лесо. В результате расширения давление и температура газа умень­ шаются, а скорость соответственно возрастает. Обычно в сопловом аппарате расширение газа полностью не заканчивается (т. е. давле­ ние на выходе из соплового аппарата превышает давление за турби­ ной) и частично продолжается в колесе.

По выходе из соплового аппарата поток газа с большой ско­ ростью поступает в рабочее колесо. При протекании через каналы

колеса газ изменяет направление и величину скорости своего дви­ жения, оказывая на рабочие лопатки силовое воздействие, что и приводит колесо во вращение.

У лопаток рабочего колеса турбины в отличие от осевого ком­ прессора линия изгиба профиля всегда бывает обращена выпук­ лостью в сторону вращения. Поэтому поворот потока в колесе осу­ ществляется в сторону, противоположную вращению, а окружные составляющие полных аэродинамических сил, действующих на ло­ патки, оказываются направленными по вращению колеса. Совер­ шаемая этими составляющими механическая работа сообщается ло­ паткам и затем через диск колеса передается на вал турбины.

Механическая энергия вращения колеса получается частично за счет кинетической энергии, приобретенной потоком в сопловом ап-

13

парате. Кроме того, в рабочем колесе, как правило, продолжается процесс расширения газа, который приводит к дополнительному пе­ реходу его потенциальной энергии в кинетическую. Часть последней также используется для совершения механической работы. В ре­ зультате указанных преобразований газ покидает колесо со значи­ тельно меньшей скоростью, а также с более низким давлением и температурой, чем входит в него из соплового аппарата.

§2. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ОБЩИХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ОСНОВ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН

Компрессоры и газовые турбины с самого начала их применения на авиационных двигателях развивались чрезвычайно быстрыми темпами и в течение короткого срока достигли высокой степени со­ вершенства. Этим они обязаны, во-первых, предшествовавшему мно­ голетнему опыту создания лопаточных машин для других отраслей техники, во-вторых, обширным теоретическим и экспериментальным исследованиям этих машин и, в-третьих, современным достижениям газовой динамики.

Первыми предшественниками авиационных компрессоров и тур­ бин являлись гидротурбомашины, которые в своем простейшем виде были известны свыше 2000 лет тому назад. Однако разработка стро­ гой научно обоснованной теории этих машин стала возможной только после того, как в XVIII веке появилась наука о движении жидких и газообразных тел — гидродинамика. Первостепенная роль в создании этой науки принадлежит Российской Академии наук в лице ее двух выдающихся академиков: Леонарда Эйлера (1707— 1783) и Даниила Бернулли (1700— 1783).

Л. Эйлер в 1755 г. в трактате «Общие принципы движения жид­ костей» впервые составил общие уравнения движения идеальных жидкостей, сформулировал законы количества движения и момен­ тов количества движения в гидродинамической форме и вывел урав­ нение неразрывности, представляющее собой закон сохранения мас­ сы для жидкого тела. Одна из крупнейших заслуг Эйлера в области прикладной гидродинамики заключается в выводе уравнения для определения вращающего момента, действующего на рабочее коле­ со турбомашины. Это уравнение легло в основу так называемой струйной теории турбомашин, которая на многие годы стала фунда­ ментом для их прогресса и не потеряла своего значения до настоя­ щего времени.

Д. Бернулли в 1738 г. опубликовал трактат «Гидродинамика», в котором вывел известную теорему, устанавливающую связь между давлением, высотой уровня и скоростью движения несжимаемой жидкости. Теорема эта, обобщенная в XIX веке на случай сжимае­

мого газа, является одной из фундаментальных теорем гидродина­ мики.

Работы Эйлера, Бернулли, а также крупного французского уче­ ного Д ’Аламбера (1717— 1783) привели к почти законченному фор-

14

мироваииго гидродинамики идеальной жидкости, представляющей собой основной раздел механики жидкости и газа.

В конце XIX и начале XX века в промышленности и на тран­ спорте начинают все более широко применяться турбомашины, ра­ ботающие на сжимаемом газе: вентиляторы, воздуходувки, газодувии, центробежные и осевые компрессоры, паровые и газовые тур­ бины. Ввиду значительного изменения плотности газа и существен­ ной роли тепловых процессов в этик машинах создание удовлетво­ рительных методов их расчета оказалось невозможным без учета законов термодинамики и нового специального раздела гидродина­ мики— динамики сжимаемого газа.

Этот важнейший в современной гидродинамике раздел зародился одновременно с динамикой вязкой жидкости в начале XIX века и разрабатывался параллельно с последней. Мощный скачок в раз­ витии динамики сжимаемого газа знаменовало собой появление в начале нашего века теории крыла самолета, созданной крупнейши­ ми русскими учеными Н. Е. Жуковским {1847— 1921) и С. А. Чап­ лыгиным (1869— 1942).

Циркуляционная теория подъемной силы крыла, опубликован­ ная Жуковским в 1906 г., получила мировое признание и далеко продвинула вперед разрешение почти всех основных гидродинами­ ческих проблем того времени. К числу выдающихся исследований Жуковского относятся также выполненные им в период 1912— 1918 гг. работы по вихревой теории винта и осевого вентилятора, которые явились прочной базой для разработки аэродинамических методов расчета лопаточных машин. В этих работах Жуковский, в частности, доказал применимость своей теоремы о подъемной силе изолированного профиля к решетке профилей, обтекаемой идеаль­ ной несжимаемой жидкостью.

Ряд крупных исследований в области теории крыла выполнил ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Чаплыгин. В 1914 г. Чаплыгин изложил теорию решетчатого крыла, которую в 1933 г. обобщил для случая решетки, составленной из произволь­ ных профилей. Исключительная по глубине идей докторская диссер­ тация Чаплыгина «О газовых струях» (1902) явилась крупнейшим вкладом в науку о движении газа и составила основу всей современ­ ной газовой динамики.

Фундаментальные идеи Жуковского и Чаплыгина были в даль­ нейшем развиты воспитанниками созданной ими отечественной шко­ лы аэродинамиков. Результаты их исследований по актуальным проблемам гидродинамики широко используются в настоящее время при решении прикладных задач, выдвигаемых практикой турбома­ шиностроения.

Для совершенствования лопаточных машин огромное значение имеет глубоко разработанная советскими учеными на основе работ

.Жуковского и Чаплыгина гидродинамическая теория решеток. Раз­ личные случаи обтекания решетки профилей потоком жидкости и газа с большой полнотой исследованы в трудах Н. Е. Кочина,

15

Часть первая

КОМПРЕССОРЫ

V

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОМПРЕССОРА

§ 3. СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОМПРЕССОРА

Одним из важнейших выходных параметров компрессора, с по­ мощью которого оценивается его способность увеличивать давление протекающего воздуха, является степень сжатия.

0 - 1)

Р а

При этом входным или начальным сечением а-а будем счи­ тать: у осевого компрессора— сечение перед первым рядом ло­ паток (рис. 1)^ а у центробежного компрессора — сечение перед входным устройством собственно самого компрессора (рис. 2).

тия по полным давлениям является наиболее целесообразным и получило в технической литературе последних лет преобла­ дающее распространение. . _______

At / ^ М

Используя известную из газовой динамики формулу для пол­ ного давления, нетрудно получить следующее соотношение, связывающее степени сжатия ек* и ек [35]:

МЛ и М*— числа М потока в сечениях соответственно а-а и k-k. Обычно число Мй < Mfl и поэтому степень сжатия гК* < ек.

Однако численно разница между ек* и е( у существующих ком­ прессоров невелика.

По аналогии со степенью сжатия всего компрессора вводится также понятие о степени сжатия его отдельной ступени как отношении полных (или статических) давлений на выходе и на входе в ступень.

Степень сжатия у выполненных авиационных компрессоров колеблется в довольно широких пределах и существенно зависит от типа компрессора и режима его работы. При работе на рас­ четном режиме на месте на уровне моря (при стандартных атмосферных условиях)1 осевые компрессоры газотурбинных

соры с прямыми радиально-расположенными лопатками обес­ печивают еЛ* stJ 3,3 4,9.

Кроме степени сжатия важнейшим параметром компрессора является его производит ельност ь, которая характеризуется весовым расходом воздуха G, т. е. числом килограммов воздуха, протекающего через компрессор в единицу времени (как пра­ вило, в одну секунду).

О производительности компрессора иногда судят также объемному секундному расходу V. Однако в этом случае до­ полнительно должен указываться соответствующий удельный

вес, так как V = — . Вдоль проточной части компрессора объем­

ный расход в отличие от весового изменяется. Поэтому объем­ ным расходом для характеристики производительности компрес­ сора, как правило, не пользуются.

Выполненные осевые компрессоры имеют весовой расход воздуха от нескольких единиц до 180 KzjceK и более, а центро­ бежные компрессоры — до 55 -ч- 60 Kzjcetc [30].

1 Применительно к этим условиям приводятся ниже и все остальные стати' стические данные, за исключением специально оговариваемых случаев.

18

§ 4. ТЕРМОДИНАМИКА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ИДЕАЛЬНОГО НЕОХЛАЖДАЕМОГО КОМПРЕССОРА

Идеальным неохлаждаемым компрессором будем называть такой компрессор, в котором отсутствуют гидравлические по­ тери и теплообмен с окружающей средой. Процесс сжатия при

Рис. 3. Процесс сжатия в идеальном неохлаждаемом компрессоре

Термодинамический анализ процесса сжатия в идеальном неохлаждаемом компрессоре имеет своей главной целью опре­ деление той минимальной работы, которую требуется затратить на сжатие воздуха до заданного давления при наилучших усло­ виях. Знание этой работы необходимо для того, чтобы на осно­ вании сравнения с ней работы, действительно затрачиваемой на сжатие воздуха в реальном компрессоре, можно было бы оце­ нить совершенство последнего. *

Для решения поставленной задачи применим к 1 кг воздуха, протекающего через идеальный неохлаждаемый компрессор, известное из газовой динамики уравнение энтальпии