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

отдельных дисках (рис. 11), либо на одном, общем для всех рядов лопаток барабане (.рис. 12). Диски обычно насаживаются на вал (рис. 11), от которого они воспринимают вращение, а иногда выпол-

Г 1

1 1

Рис. 11. Осевой компрессор с ротором дисковой конструкции

няются с валом за одно целое. В некоторых конструкциях компрес­ соров диски соединяются друг с другом и образуют составной ба­ рабан, по концам которого размещаются опорные цапфы (рис. 13).

Лопатки спрямляющих аппаратов также изготавливаются от­ дельно и затем тем, или иным способом заделываются своими кон­ цами во внутренний и внешний кольцевые бандажи. Последние в

свою очередь закрепляются в корпусе компрессора. Встречаются также конструкции компрессоров, в которых спрямляющие лопатки крепятся консольно только к внешнему кольцу или непосредственно к корпусу компрессора.

40

При переходе от одного ряда лопаток ас другому число их и очертайме в общем случае изменяются. Наглядное представление о рас­ положении лопаток дает рис. 14, на котором изображен внешний вид осевого компрессора одного из выполненных турбореактивных двигателей. Длина лопаток от ступени к ступени уменьшается. Это достигается соответствующим изменением либо одного из диамет­ ров кольцевого канала — наружного или внутреннего (называемого диаметром втулки), либо обоих диаметров одновременно.

Под ступенью осевого компрессора будем, как указывалось, понимать сочетание рабочего колеса и следующего за ним спрямляю­ щего аппарата. Нумерация ступеней всегда производится по на­ правлению от входа к выходу из компрессора.

Условимся в дальнейшем первый ряд неподвижных лопаток (пе­ ред первым колесом) рассматривать отдельно от всех ступеней ком­ прессора, как самостоятельный элемент, и называть входным на­ правляющим аппаратом или просто направляющим аппаратом

(НА). У некоторых компрессоров этот аппарат отсутствует и воз­ дух из входной части попадает непосредственно на рабочее колесо.

41

Ротор компрессора, как правило, опирается на подшипники ка­ чения. Неподвижная часть компрессора, включающая в себя кор­ пус, направляющий и спрямляющие аппараты, называется его ста­

тором.

В некоторых конструкциях авиационных осевых компрессоров, получивших в последние годы заметное 'распространение, рабочие колеса связаны не с одним общим валом, а разделены на две груп­ пы, вращающиеся с различными угловыми скоростями (рис. 15). Каждая из этих групп колес образует отдельный ротор, приводимый во вращение самостоятельной газовой турбиной. Подобные ком­ прессоры называются двухроторными или двухзальными.

Основные данные некоторых авиационных осевых компрессоров приведены в таблице 1.

Т а б л и ц а 1

Основные данные осевых компрессоров

§ 12. ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ ТЕОРИИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Ввиду большой сложности рабочего процесса осевого компрес­ сора, при разработке его теории и методов расчета приходится всег­ да в той или иной степени схематизировать действительные явле­ ния. Эта схематизация заключается в том, что из совокупности боль­ шого числа зависимостей, характеризующих работу компрессора, выделяются главные, определяющие, зависимости и не учитываются второстепенные. В соответствии с этим принимаются различные до­ пущения и составляется расчетная схема машины.

4 3

Основные допущения, принятые в излагаемой ниже теории осе­ вых компрессоров, кроме упомянутого выше отсутствия теплооб­ мена между сжимаемым воздухом и окружающей средой, и пред­ положения о стационарности потока, состоят в следующем.

Воздушный поток в проточной части компрессора имеет слож­ ную пространственную структуру. Движение воздуха, строго говоря, происходит не по соосным цилиндрическим поверхностям, а сопро­ вождается некоторым его перемещением вдоль радиуса. Это пере­ мещение вызывается рядом различных причин, как-то: уменьшением высоты кольцевого канала по длине компрессора, действием центро­ бежных сил на поток, утечками воздуха через радиальные зазоры, сжимаемостью воздуха, образованием так называемых парных вих-

Рис. 16. Цилиндрические решетки профилей осевого компрессора

рей и т. д. Однако радиальное перемещение представляет собой те­ чение вторичное, сопутствующее основному (винтовому) потоку, и внутри одной ступени сравнительно невелико, в то время как учет его достаточно сложен. Поэтому при изучении процессов в отдель­ ных ступенях компрессора обычно радиальными течениями пренеб­ регают и в соответствии с этим считают, что поверхности тока имеют цилиндрическую форму.

Для того чтобы облегчить изучение рабочего процесса и упро­ стить расчет компрессора, мысленно разрезают его лопатки на не­ котором радиусе двумя бесконечно близкими цилиндрическими по­ верхностями, соосными с ротором. Вырезанные этими поверхностя­ ми элементы лопаток образуют несколько рядов профилей, каждый из которых представляет собой так называемую решетку профилей (рис. 16), т. е. совокупность одинаковых профилей, расположенных на равных расстояниях друг от друга. Так как в данном случае про­ фили располагаются на цилиндрической поверхности, то решетка называется цилиндрической или кольцевой.

У лопаток осевого компрессора форма профиля, его размеры, расстояние между профилями и их углы установки в общем случае

4 4

вдоль радиуса изменяются. Следовательно, различным радиусам со­ ответствуют и различные решетки профилей.

Совокупность решеток профилей рабочего колеса и следующего за ним спрямляющего аппарата, расположенных на данном радиусе, называется элементарной ступенью. Важнейшая особенгюсть эле­ ментарной ступени заключается в том, что образующие ее решетки профилей имеют бесконеч­ но малую высоту (высотой или длиной решетки назы­ вается ее протяженность в направлении нормали к по­ верхности расположения профилей, в данном случае вдоль радиуса). Поэтому при изучении элементарной ступени приходится иметь дело не с пространствен­ ным (т. е. трехмерным), а с более простым двухмерным движением воздуха в тон­ ком кольцевом слое.

Очевидно, что ступень компрессора представляет собой совокупность беско­ нечно большого числа раз­ личных элементарных сту­ пеней.

В целях дальнейшего упрощения цилиндрические решетки профилей элемен­ тарной ступени путем раз­

вертки на плоскость условно заменяются плоскими решетками (рис. 17). При этом каждый ряд профилей продлевается в обе стороны до бесконечности, так как в соответствии с замкнутостью заменяемой цилиндрической решетки условия обтекания всех про­ филей в эквивалентной плоской решетке должны быть одинако­ выми.

В протекании воздуха через цилиндрическую и плоскую решетку профилей нет, конечно, полной идентичности. Несмотря на это, тео­ рия и опыт показывают, что при отсутствии радиальных перетеканий поток воздуха в элементарной ступени подчиняется в основном тем же закономерностям, что и течение в соответствующих плоских ре­ шетках. Поэтому теория и расчет осевого компрессора опираются главным образом на результаты исследований плоских решеток, а все явления, обусловленные кольцевой формой и вращением реше­ ток, рассматриваются как вторичные и учитываются соответствую­ щими поправочными коэффициентами.

4 5

В реальном компрессоре параметры состояния и скорость воз­ духа за рабочими колесами и спрямляющими аппаратами изме­ няются как в радиальном, так и в окружном направлении. Однако поскольку после выхода из решетки параметры потока по окружно­ сти довольно быстро выравниваются, при расчетах его неоднород­ ностью в этом направлении пренебрегают и считают, что в зазорах между РК и СА поток обладает осевой симметрией. Соответственно этому на каждом радиусе вводят в рассмотрение осредненные по длине окружности величины.

Кроме перечисленных, имеются и другие, менее существенные допущения, которые будут отмечены в процессе изложения самой теории компрессора.

§ 13. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Прежде чем рассматривать рабочий процесс осевого компрес­ сора, введем следующие обозначения его характерных сечений (рис. 11): а-а — на входе в НА; 1-1 — между НА и РК; 2-2 — меж­ ду РК и СА; 3-3 — на выходе из СА; k-k — на выходе из компрес­ сора. Для указания сечения, в котором определяется какая-либо ве­ личина, будем приписывать к буквенному символу этой величины соответствующий индекс внизу.

К осевому компрессору авиационного ГТД воздух ив атмосферы или воздухозаборных каналов самолета подводится через входную часть двигателя, которая представляет собой специально спрофили­ рованный канал. Во избежание снижения к. п. д. компрессора под­ вод воздуха должен осуществляться так, чтобы перед входом в НА поле скоростей и давлений было возможно более равномерным. С этой целью участок входной части, непосредственно предшествую­ щий компрессору, обычно выполняется в виде конфузора, благодаря чему обеспечивается ускоренное движение потока [31].

В направляющий аппарат, который служит для подвода по­ тока под необходимым углом к лопаткам рабочего колеса, воз­ дух входит с некоторой скоростью са (рис. 17), имеющей осе­ вое направление. Протекая через криволинейные межлопаточные каналы НА, воздух подвергается силовому воздействию лопаток,

4 6

также строго осевой вход в колесо (в этом случае НА отсут­ ствует).

Так как обычно осевая составляющая сХа^ с а< то скорость с х на выходе из НА превосходит по величине скорость са на вхо­ де в него, т. е. поток в НА ускоряется, чему соответствует конфузорная форма его межлопаточных каналов. В направляю­ щем аппарате полная энергия воздуха остается неизменной 1 и имеет место только переход его потенциальной энергии в кине­ тическую. Поэтому в результате увеличения скорости давле­ ние, температура и удельный вес уменьшаются, т. е. воздух расширяется.

По выходе из НА воздух со скоростью сх поступает во вра­

и вызывает увеличение его полной энергии. Внешняя работа в опре­ деленной пропорции распределяется между изменениями потенци­ альной и кинетической (в абсолютном движении, т. е. по отноше­ нию к .неподвижной системе координат2)1 энергии потока, чем обус­ ловливается соответствующее изменение статического давления и абсолютной скорости. Практически обе последние величины всегда увеличиваются, т. е. воздух одновременно и сжимается, и разго­ няется. Распределение подводимой работы между изменением по­ тенциальной и кинетичеокой энергии потока является важной харак­ теристикой ступени, определяющей многие ее свойства.

Если рассматривать движение воздуха относительно рабочих лопаток:, то в этом случае подвод внешней энергии к потоку отсут­ ствует и поэтому соотношение между скоростью и статическим дав­ лением получается более простым. А именно, если относительная скорость уменьшается (что обычно и имеет место), то давление уве­ личивается.3 На этом основании можно заключить, что повышение статического давления в рабочем колесе осевого компрессора дости­ гается за счет преобразования кинетической энергии относительного движения в потенциальную. Как отмечалось в § 1, для обеспечения этого преобразования межлопаточным каналам колеоа придают

1 Это положение справедливо по отношению к любому неподвижному эле­ менту компрессора.

2 Неподвижная система координат связана со статором компрессора и поз­ воляет определять абсолютные скорости потока С\, Сг и т. д. В отличие от этого подвижная или относительная система координат связана с вращающимся ра­ бочим колесом и служит для нахождения относительных скоростей потока, т. е. скоростей по отношению к колесу.

3 В случае очень небольшого снижения скорости статическое давление из-за влияния гидравлических потерь может не возрастать, а оставаться постоянным и даже уменьшаться.

4 7

диффузорную форму. Вследствие сжатия воздуха его температура я удельный вес в РК увеличиваются.

Выйдя «з РК со скоростью с2, воздух далее поступает в спрям­ ляющий аппарат, назначение которого заключается в придании по­ току определенного направления перед входом в -следующее колесо. Кроме того, в СА в качестве сопутствующего процесса происходит преобразование приобретенной в предыдущем колесе кинетической энергии в потенциальную.

Под воздействием лопаток СА скорость воздуха постепенно изменяется и на выходе из него становится равной с3. Разность

величине примерно, а иногда и точно, равна закрутке,создавае­ мой колесом. Благодаря этому скорости с х и сл мало отличаются друг от друга, т. е. исключается возможность получения резко различных кинематических условий на входе в отдельные рабо­ чие колеса.

Характер изменения статического давления воздуха в СА, ввиду постоянства его полной энергии, определяется изменением скорости, которая, как правило, уменьшается (с3 < с2). Поэтому СА работает с диффузорным эффектом, участвуя вместе с ко­

иногда (при большом значении с2и) приходится за последним РК

к. п. д.

Обобщая все изложенное, можно заключить, что в многоступен­ чатом осевом компрессоре воздушный .поток протекает через систе­ му вращающихся и неподвижных криволинейных каналов, имеющих диффузорную форму (за исключением каналов НА). В каждом из этих каналов скорость воздуха (относительная в РК и абсолютная в СА) снижается, за счет чего собственно и достигается повышение статического давления, т. е. осуществляется процесс сжатия.

Внешняя энергия, подведенная к воздуху в РК (в абсолютном движении), частично расходуется на работу сжатия в самом ко­ лесе, а частично —•на увеличение 'кинетической энергии потока. Но так как в последующем СА скорость воздуха снижается до значе­ ния с3 ^ си то в ступени в целом кинетическая энергия потока прак­ тически не изменяется. Поэтому затраченная работа, в конечном ито­ ге расходуется исключительно на увеличение потенциальной энер­ гии потока, т. е. на повышение его статического давления.

48

Диффузорный характер течения в межлопаточных каналах ра­ бочих колес и спрямляющих аппаратов является одной из важных отличительных особенностей осевого компрессора. Благодаря поло­ жительному градиенту давления диффузорное течение связано с быстрым увеличением толщины пограничного слоя у стенок канала в, как следствие, с возможностью отрыва потока, который приводит к-резкому увеличению потерь. Опасность отрыва в осевом компрес­ соре дополнительно усиливается еще из-за криволинейной формы каналов. Поэтому к профилированию и обработке лопаток компрес­ сора предъявляются весьма жесткие требования. Кроме того, во из­ бежание отрыва потока приходится ограничивать его углы поворота в межлопаточных каналах и в соответствии с этим выполнять ло­ патки сравнительно слабоизогнутыми. Это обстоятельство приво­ дит к снижению работоспособности, или, как обычно говорят, напорности, ступени осевого компрессора и создаваемой ею степени сжатия.

§ 14. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ. ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Принципиальная схема многоступенчатого осевого компрессора была известна еще в конце XIX века, и тогда же англичанином Пар­ сонсом были, предприняты первые попытки его практического осуще­ ствления. Однако низкий уровень развития аэродинамики и техно­ логии производства того времени не позволил получить компрессор с удовлетворительным к. п. д. и потому работа над его созданием была временно прекращена.

Пути преодоления затруднений, стоявших перед конструкторами осевых компрессоров, удалось найти значительно позже: во вто­ ром десятилетии XX века, после того как был достигнут достаточно высокий уровень развития ближайшего предшественника осевого компрессора — осевого вентилятора. Именно из осевого вентилятора в результате постепенного повышения его степени сжария, которое ‘достигалось за счет увеличения окружной скорости вращения ко­ леса и числа его лопаток, а также за счет последовательного соеди­ нения нескольких ступеней в единую конструкцию,, в . дальнейшем развился осевой компрессор.

Успехи прикладной аэродинамики в. области осевых вентилято­ ров" и, воздуходувок в сочетании с непрерывным улучшением техно­ логии 'производства постепенно подготовили почву для практиче­ ского осуществления идеи многоступенчатого осевого компрессора. В начале сороковых годов XX столетия осевые компрессоры были в ряде стран освоены производством и стали поступать в промышлен­ ную эксплуатацию. Наибольшее внимание осевой компрессор при­ влекал к себе в связи с разработкой газотурбинных силовых устано­ вок различного назначения, где он сулил значительные выгоды и где поэтому главным образом и применялся. Все же вплоть до второй4