Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 5-2-Metodologija_sozdanija_kompressorov

-вихреобразование в следе за лопатками (зависит от параметров выходной кромки, определяемой конструкцией, прочностью и технологическими возможностями производства).

Точка KÀÄ (PKÀÄ, TKÀÄ) характеризует состояние воздуха на выходе из компрессора при адиабати- ческом сжатии.

Точка Ê (ÐÊ, TÊ) характеризует состояние воздуха на выходе из компрессора.

Реальный процесс сжатия осуществляется одним из основных узлов ГТД – компрессором (см. Рис. 5.1)

Работу компрессора характеризуют следующие основные параметры:

-расход воздуха G (кг/с) - определяется коли- чеством воздуха, прошедшим через компрессор за одну секунду;

-степень повышения полного давления в ком-

прессоре π Ê* - отношение давления заторможенного потока воздуха на выходе из компрессора к давлению заторможенного потока на входе в компрессор

πÊ*= PÊ*/PÂÕ*;

-адиабатический к.п.д. η ÀÄ - определяется как отношение полезной адиабатической работы, затраченной на сжатие и проталкивание воздуха в компрессоре, к полной подведенной к компрессору

работе η ÀÄ = L*ÀÄ/ L*ÏÎË.

Адиабатический к.п.д. на расчетном режиме для отдельных ступеней осевых компрессоров составляет 0,89…0,92, а для многоступенчатых компрессоров 0,85…0,87.

Степень повышения полного давления в многоступенчатом компрессоре равна произведению степеней повышения давления отдельных его ступеней и определяется по формуле:

π *Ê=π *1π *iπ *n

Чем выше степень повышения давления в каждой ступени и чем больше число ступеней, тем выше степень повышения давления в компрессоре.

5.1 – Требования, предъявляемые к компрессорам

Компрессор - часть ГТД, степень аэродинами- ческого и конструктивного совершенства которого в значительной мере определяют мощность (тягу), экономичность, габаритные размеры, массу, надежность и ресурс двигателя. К компрессору предъявляются те же требования, что и к двигателю (см. раздел 2.3).

Помимо общих требований предъявляются

èнекоторые специфические требования:

-обеспечение заданного секундного расхода воздуха;

-обеспечение заданной степени повышения давления;

-обеспечение устойчивой, т.е. без помпажа

èпульсации, работы в широком диапазоне частоты вращения ротора.

Требования к газодинамическим параметрам компрессора (необходимые по режимам расход воздуха, степень повышения давления, коэффициент полезного действия и др.) определяются исходя из термодинамического расчета двигателя. При этом рассматривается взаимная работа узлов двигателя (камеры сгорания, турбины, выходного устройства) на различных режимах работы двигателя. Определенные таким образом основные параметры компрессора заносятся в технические условия на создание двигателя.

5.2 – Методология создания компрессоров

Создание компрессора связано с созданием двигателя в целом, поэтому этапы проектирования компрессора входят как составная часть в известные стадии разработки ГТД:

-разработка технического задания;

-разработка технического предложения;

-выполнение эскизного проекта;

-выполнение технического проекта;

-разработка конструкторской документации. Подробнее см. раздел 2.5.

5.2.1 - Типы компрессоров 5.2.1.1 – Осевые компрессоры

Осевой компрессор состоит из входного направляющего аппарата (ВНА) 5 и нескольких венцов последовательно чередующихся в осевом направлении рабочих лопаток 2, установленных на вращающемся роторе 1 и направляющих лопаток 3, закрепленных в корпусе компрессора 4 (см. Рис. 5.3). Совокупность одного венца рабочих лопаток и следующего за ним венца направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Рабочие лопатки одной ступени, установленные в диске, называют рабочим колесом (РК), направляющие лопатки одной ступени, закрепленные в корпусе, называют направляющим аппаратом (НА).

В осевом компрессоре направление движения воздуха, в основном, осевое. В каналах, образован-

Рисунок 5.3 – Осевой компрессор двигателя Rolls-Royce Trent 700 (Печатается с разрешения RollsRoyce plc)

1 – ротор; 2 - рабочие лопатки;

3 - направляющие лопатки;

4 – корпус; 5 - ВНА

ных рабочими лопатками, к воздуху подводится механическая энергия от турбины, в результате чего давление и скорость воздуха увеличиваются. В расположенном за рабочими лопатками НА кинетическая энергия воздуха преобразуется в потенциальную, т. е. за счет снижения скорости потока воздуха повышается его давление. НА обеспечи- вает также определенное направление потока при вхождении его в следующую ступень. Принцип работы осевого многоступенчатого компрессора целесообразно рассмотреть на примере работы его отдельной ступени, так как все ступени компрессора работают аналогично.

Осевая ступень компрессора с ВНА приведена на Рис. 5.4. На Рис. 5.5 изображена элементарная ступень компрессора, представляющая собой развертку на плоскости цилиндрической поверхности, рассекающей ступень компрессора на некотором радиусе. Полная ступень компрессора складывается из бесконечного числа ее элементарных ступеней, расположенных вдоль радиуса в п- ределах проточной части.

Решеткой профилей называется совокупность профилей всех лопаток одного лопаточного венца, полученная рассечением его цилиндрической поверхностью.

Решетка профилей характеризуется следующими аэродинамическими и геометрическими па-

Рисунок 5.4 – Схема ступени и изменение параметров состояния воздуха в ступени осевого компрессора

раметрами (Рис. 5.6):

Рисунок 5.5 – Схема решеток профилей лопаток и треугольники скоростей в ступени осевого компрессора

Рассмотрим движение воздуха через элементарную ступень.

Двигаясь в осевом направлении со скоростью ÑÎ, поток воздуха поступает в ВНА. Сужающиеся межлопаточные каналы ВНА обеспечивают увели- чение скорости от ÑÎ äî Ñ1 (см. Рис. 5.4), сопровождающееся уменьшением статического давления и статической температуры воздуха. В ВНА воздух предварительно закручивается и поступает во вращающееся РК под некоторым углом к оси компрессора. Лопатки РК перемещаются со средней окружной скоростью U (см. Рис. 5.5). В результате сложения окружной скорости вращательного движения РК - U и абсолютной скорости потока на выходе из ВНА - Ñ1, получается относительная скорость потока на входе в РК - W1. Предварительная закрутка потока в ВНА позволяет уменьшить величину скорости W1, это благоприятно сказывается на уменьшении потерь в РК.

Рисунок 5.6 – Основные параметры решетки профилей

Âрезультате поворота воздуха и благодаря расширяющейся форме межлопаточных каналов

РК поток воздуха тормозится от скорости W1 на входе до скорости W2 на выходе из РК. Уменьшение скорости в РК приводит к повышению статическо-

го давления от P1 на входе до P2 на выходе. Работа, подводимая к воздуху в РК, идет не только на повышение статического давления, но и на увеличе-

ние абсолютной скорости от значения Ñ1 äî Ñ2. Из РК воздух со скоростью Ñ2 поступает в ка-

налы НА. Вследствие диффузорности межлопаточ- ных каналов НА происходит уменьшение абсолют-

ной скорости от величины Ñ2 на входе до Ñ3 на выходе, и, следовательно, повышение статическо-

го давления от P2 äî P3. Кроме того, НА осуществляет требуемый поворот воздуха перед входом в следующее РК.

Таким образом, полный прирост статического давления в ступени составляет сумму прироста давления в РК и НА:

∆ÐÑÒ=∆ ÐÐÊ+∆ ÐÍÀ.

Âрезультате сжатия воздуха его температура

повышается от Ò1 на входе в РК до Ò3 на выходе из ступени.

Изменение параметров состояния воздуха

âступени осевого компрессора приведено на Рис. 5.4.

При движении вдоль проточной части многоступенчатого компрессора воздух сжимается и его плотность возрастает. Поэтому, чтобы обеспечить

требуемую величину осевой скорости на выходе из компрессора, которая обычно составляет 120…180 м/с, проточную часть компрессора выполняют сужающейся к выходу.

Отношение давления на выходе из ступени

êдавлению на входе в нее называется степенью

повышения давления в ступени - π *ÑÒ. Степень повышения давления многоступенчатого компрессора тем больше, чем больше степени повышения давлений отдельных ступеней и чем больше их количество.

Степень повышения давления в ступени осевого компрессора в основном зависит от средней окружной скорости лопаток. Чем больше эта скорость, тем больше степень повышения давления. Максимальная окружная скорость лопаток из условий их прочности обычно не превышает 300…450 м/с. Например, максимальная окружная скорость рабочих лопаток первой ступени КВД двигателя ПС-90А составляет 365 м/с. Диаметр ступени компрессора определяется потребным расходом воздуха, его плотностью и осевой скоростью. Осевая скорость воздуха сохраняется по всем ступеням постоянной или несколько уменьшается

êпоследним ступеням. Так как плотность воздуха на входе в первую ступень минимальная, то наибольшую площадь проточной части имеет первая ступень, далее площадь уменьшается к последним ступеням. Площадь проточной части ограничена ее наружным и внутренним диаметрами. Для уменьшения наружного диаметра первой ступени при заданной площади проточной части уменьшают внутренний диаметр, а чтобы обеспечить размещение лопаток на роторе, внутренний диаметр выбирают обычно равным 0,35…0,4 от наружного диаметра.

На последующих ступенях может быть сохранен тот же наружный диаметр, что и на первой ступени (см. Рис. 5.7, à), тот же внутренний диаметр (см. Рис. 5.7, á), или тот же средний диаметр (см. Рис. 5.7, â).

Âпервом случае потребное уменьшение площади проточной части (вследствие возрастания плотности воздуха) достигается увеличением внутреннего диаметра проточной части. При этом средние окружные скорости ступеней растут и, следовательно, увеличиваются их степени повышения давления. Но наряду с этим преимуществом указанная конструкция компрессора обладает и недостатком - меньшая длина лопаток последних ступеней. Зазор между торцом лопатки и корпусом при наличии коротких лопаток относительно больше, чем при длинных. В результате этого у компрессора с короткими лопатками увеличивается обратное

Рисунок 5.7 – Схемы профилей проточной части а) с постоянным наружным диаметром; б) с постоянным внутренним диаметром; в) с постоянным средним диаметром; г) с переменным наружным, внутренним и средним диаметрами

перетекание воздуха в зазоре и, следовательно, уменьшается степень повышения давления компрессора.

При постоянном внутреннем или среднем диаметре лопатки последних ступеней более длинные, поэтому и перетекания меньше. Степень повышения давления ступеней остается постоянной (при постоянном среднем диаметре) или уменьшается (при постоянном внутреннем диаметре), поскольку зависит от средней окружной скорости.

В целях расширения области устойчивой работы и повышения к.п.д. применяются двухкаскадные и трехкаскадные схемы осевых компрессоров. В многокаскадном компрессоре несколько последовательно расположенных роторов автономно приводящихся во вращение отдельными турбинами (см. раздел 5.4).

5.2.1.2 – Центробежные компрессоры

В центробежном компрессоре для повышения давления газа используется центробежный эффект, который позволяет увеличить степень повышения полного давления намного больше, чем в осевом компрессоре. К числу достоинств центробежных компрессоров относятся также относительная простота конструкции (существенно меньшее число деталей), более благоприятная характеристика и меньшая чувствительность к условиям эксплуатации, чем у осевых.

Рисунок 5.8 – Двухступенчатый центробежный компрессор двигателя Rolls-Royce Dart (Печатается с разрешения RollsRoyce plc)

1 - ВНА; 2 - РК; 3 - безлопаточный щелевой диффузор; 4 - лопаточный диффузор; 5 - выходной патрубок

Рисунок 5.9 - Типы рабочих колес а) открытого типа; б) закрытого типа;

в) полуоткрытого типа.

1 - втулка; 2.- рабочие лопатки;

3 - покрывной диск; 4 - диск

Рабочее колесо открытого типа состоит из втулки 1 и закрепленных на ней рабочих лопаток 2, так что межлопаточные каналы с двух торцевых сторон ограничены лишь неподвижными стенками кожуха, расположенными на небольшом расстоянии от торцов лопаток. Колесо открытого типа является малоэкономичным ввиду больших потерь от перетекания газа через торцы лопаток и из-за влияния среды в зазоре между колесами и кожухом на поток в канале колеса. Такие колеса применяются иногда в дешевых вентиляторах или дымососах.

ÓРК закрытого типа лопатки 2 с двух торцов прикрепляются к дискам 4 и 3, один из которых называется покрывным. В закрытом колесе оба торца лопаток закрыты, так что перетекания газа через торцы быть не может. Поток газа в колесе изолирован от воздействия газа, находящегося в зазоре между РК и кожухом. Ввиду этого закрытые колеса являются наиболее экономичными и применяются чаще всего в стационарных центробежных компрессорах. Лопатки закрытых колес обычно выполняют заодно с основным диском, а покрывной диск крепится к ним болтами или с помощью сварки.

Óколес полуоткрытого типа лопатки с одной стороны соединены с диском, а с другой стороны также открыты. Обычно лопатки полуоткрытых РК выполняют заодно с дисками. Полуоткрытые колеса по экономичности занимают промежуточное положение. С точки зрения механической прочности РК полуоткрытого типа имеют наибольшую прочность по сравнению с колесами закрытого типа, так как наличие покрывного диска приводит к увеличению напряжений во всех элементах основного диска.

Центробежные компрессоры могут быть с односторонним и двухсторонним входом. У компрессора с односторонним осевым входом воздух поступает на РК через неподвижный НА осевого типа.

Óкомпрессора с двухсторонним входом чаще используется кольцевой вход, а неподвижный НА представляет собой кольцевую решетку, за которой устанавливаются также направляющие тороидальные поверхности. Этот вращающийся НА иногда выполняется совместно с колесом – как одна деталь.

Недостатком центробежных компрессоров является пониженная лобовая производительность, так как сечение входа воздуха занимает лишь незначительную часть миделя (максимальной площади поперечного сечения) компрессора, особенно у компрессора с односторонним входом. Более затруднительно создание многоступенчатой конструкции, так как после выхода из предыдущей ступени

воздух может попасть на вход следующей лишь с помощью так называемого обратного канала сложной петлеобразной формы.

Использование центробежного компрессора вместо многоступенчатого осевого возможно, когда к.п.д. ступени центробежного компрессора при π K* = 6…8 достигнет η * = 0,82…0,83, т.е. приблизится к к.п.д. осевых многоступенчатых компрессоров. Более целесообразно применение осецентробежных компрессоров в двигателях малых размеров.

По аэродинамической схеме РК могут быть разделены на четыре основных группы:

-колеса низкой реактивности с лопатками, загнутыми в сторону вращения (см. Рис. 5.10);

-колеса со степенью реактивности, близкой

ê0,5, с радиальными лопатками (β 2Ë = 90°) (ñì. Ðèñ. 5.11);

Рисунок 5.10 - Схема колеса низкой реактивности

Рисунок 5.11 - Колесо полуоткрытого типа с выходным углом β 2Ë = 90°

-колеса средней реактивности с лопатками,

умеренно загнутыми в сторону, обратную вращению (β 2Ë = 40…60°);

-колеса высокой реактивности с лопатками, загнутыми в сторону, обратную вращению

(β 2Ë = 15…35°).

Колеса низкой реактивности применяют, в основном, при производстве промышленных вентиляторов. Эти колеса отличаются высоким значением коэффициента расхода и сравнительно большими значениями абсолютной скорости на выходе из колеса. Вследствие низкой степени реактивности основной процесс повышения статического давления

âмашинах с такими колесами происходит за счет диффузорного эффекта в неподвижных элементах.

Колеса со степенью реактивности, близкой к 0,5, с радиальными лопатками обычно выполняются полуоткрытого типа. В отличие от колес с изогнутыми лопатками здесь лопатки начинаются от втулки, и поворот потока из осевого направления

âрадиальное происходит в межлопаточном пространстве. Входные кромки лопаток в таких колесах обычно загибаются таким образом, чтобы их направление соответствовало направлению набегающего потока.

Вследствие отсутствия покрывного диска и благодаря прямолинейной форме и радиальному направлению лопаток напряжения в таких колесах при одних и тех же окружных скоростях значительно ниже, чем в двухдисковых колесах (с покрывным диском) с искривленными лопатками. Поэтому такие колеса пригодны для работы с большими скоростями вращения (до U = 550…600 м/с), что дает возможность получить в ступенях весьма большие напоры и расходы. Колеса этой группы нашли широкое применение в авиационных и транспортных машинах.

Колеса средней реактивности с лопатками,

умеренно загнутыми в сторону, обратную вращению

(β 2Ë = 40…60°), распространены в стационарных промышленных компрессорах для нагнетания различных газов (например, азота). Такие колеса часто называют просто колесами компрессорного типа.

Колеса высокой реактивности с лопатками,

загнутыми в сторону, обратную вращению

(β 2Ë = 15…35°), имеют широкое применение в насосостроении. В последнее время их стали применять также и в компрессорах. Благодаря высокой степени реактивности ступени с такими колесами имеют сравнительно высокий к.п.д. (до 86…87%).

Для колес этой группы характерны небольшие зна- чения коэффициента расходной скорости ϕ 2r.

Такие колеса часто используются в последних ступенях многоступенчатых компрессоров,

где в результате сжатия в предыдущих ступенях объемный расход значительно меньше, чем в на- чальных ступенях.

Ротора центробежных компрессоров состоят из РК с лопатками, вращающихся НА, вала или передней и задней цапф.

Если конструктивно РК выполнено отдельно от вала, то передача крутящего момента производится посредством цилиндрических и торцевых шлиц. Отдельные ступени соединяются между собой промежуточными валами. Передача крутящего момента осуществляется призонными болтами или шлицевым соединением в зависимости от конструкции компрессора. Валы роторов обычно изготавливают из легированных конструкционных сталей.

5.2.1.3 – Осецентробежные компрессоры

Осецентробежные компрессоры представляют собой комбинированное устройство, в котором высокий к.п.д. (≈ 83%) осевого компрессора (первые 5…7 ступеней) сочетается с высокой степенью сжатия в единственной последней центробежной ступени (см. Рис. 5.12). Центробежная ступень устанавливается вместо нескольких осевых, имеющих сверхмалые высоты рабочих лопаток, у которых особенно сказывается влияние радиальных зазоров над лопатками.

Такие компрессоры, несмотря на некоторую потерю общего к.п.д. (по сравнению с осевым компрессором такой же степени сжатия), имеют зна- чительный выигрыш по длинновым размерам и массе. Это и предопределяет главную область их использования – небольшие ТРД и ТВД для региональных самолетов.

5.2.2 – Аэродинамическое проектирование компрессора

5.2.2.1 – Общие этапы

Методологию аэродинамического проектирования всех типов компрессоров можно представить в виде блок-схемы (см. Рис. 5.13). Все расчетные работы крупно можно разделить на три этапа:

-расчет компрессора на основе одномерной математической модели;

-расчет компрессора на основе двумерной осесимметричной математической модели;

-трехмерный расчет вязкого течения в лопаточных венцах компрессора.

5.2.2.2 – Расчет компрессора на основе одномерной математической

модели

Согласно блок–схеме (см. Рис. 5.13) на первом этапе аэродинамического проектирования определяется тип компрессора:

-осевой;

-центробежный;

-осецентробежный.

После выбора типа компрессора на основании исходных данных технического задания выполняется расчет его характеристик. На первом этапе аэродинамического проектирования компрессора расчет выполняется на основе одномерной математической модели. Исходными данными для рас- чета являются:

-полное давление и температура потока на входе в компрессор;

-расход воздуха;

-степень повышения давления;

-частота вращения ротора;

-распределение коэффициента затраченной работы по ступеням.

Расчет компрессора по параметрам на среднем радиусе выполняется на основании уравнений известных из термодинамики.

На этом этапе проектирования определяются параметры компрессора для последующего расче- та характеристик компрессора:

-размеры и форма проточной части;

-изоэнтропический коэффициент полезного действия;

-масса и длина;

-распределение параметров по ступеням;

-конструктивныепараметрылопаточныхвенцов;

-углы изгиба профиля рабочих и направляющих лопаток;

-углы атаки и отставания лопаток;

-углы лопаток на среднем радиусе.

Расчет характеристик проводится для определения параметров компрессора и запасов устойчи- вости на различных эксплуатационных режимах его работы.

Расчет каждой ступени компрессора проводится последовательно от ступени к ступени. После расчета всех ступеней вычисляется суммарная степень повышения давления компрессора

Z

π*K =∏π*i

i=1

Суммарный к.п.д. компрессора определяется по методике, используемой в проектировочном расчете компрессора на среднем радиусе (см. вы-

ше). В результате выполнения первого этапа аэродинамического проектирования определяется предварительный вариант основных геометрических параметров проточной части компрессора, которые можно использовать для прорисовки его конструктивного облика.

В общем случае результаты одномерного проектирования имеют как самостоятельное значение, так и могут использоваться в качестве исходных данных для следующего этапа разработки проекта.

5.2.2.3 – Расчет компрессора на основе двумерной осесимметричной математической модели

В основу второго этапа аэродинамического проектирования положено решение обратной задачи расчета осесимметричного течения в проектной точке. Смысл проектирования, в конечном счете, состоит в определении конструктивных параметров компрессора (включая координаты профилей), обеспечивающих реализацию расчетного поля течения.

Начальные значения геометрических параметров находятся исходя из имеющегося опыта, однако уже на этой стадии предусматриваются расчетная проверка прочности наиболее ответственных деталей (лопаток и дисков ротора). При необходимости производится коррекция их геометрии и повторный расчет течения.

Важнейшей частью работ на втором этапе проектирования компрессора является расчет его характеристик на основе осесимметричной математической модели. В основу расчета положен один из вариантов так называемого «метода кривизны линий тока». В качестве исходной информации в нем используются суммарные параметры компрессора (GÂ , π *Ê , n) и данные, полученные при одномерном расчете:

-средние параметры ступеней;

-размеры проточной части компрессора. Граничными условиями на входе в компрес-

сор являются:

- радиальное распределение полного давле-

íèÿ;

-радиальное распределение температуры торможения;

-радиальное распределение угла потока. Граничными условиями на выходе из комп-

рессора являются:

-радиальное распределение угла потока;

-постоянство статического давления;

-равенство суммарного расхода воздуха в струй-

ках тока проектному значению GÂ.

Для решения обратной задачи определения параметров потока в расчетных сечениях используется система газодинамических уравнений для идеального газа, включающая дифференциальное уравнение движения и эмпирические соотношения. Эти соотношения используются для на-

хождения потерь в лопаточных венцах и учета влияния радиальных зазоров на параметры компрессора.

В результате решения обратной задачи определяются параметры потока в межвенцовых зазорах осевого компрессора, осредненные и распределенные параметры лопаточных венцов, ступеней

èкомпрессора в целом, в том числе его суммарные параметры - степень повышения полного давления

èизоэнтропический к.п.д.

5.2.2.4 – Трехмерный расчет вязкого течения в лопаточных венцах компрессора

Âсоответствии с рассматриваемой методологией на третьем этапе предусматривается дальнейшая оптимизация компрессора, основанная на совершенствовании аэродинамики трехмерного расчета вязкого течения. Для этого используются программные комплексы, в которых реализовано решение уравнений Навье-Стокса. На этом этапе может также применяться квазитрехмерный подход, базирующийся на расчете вязкого потока в межлопаточном канале в слоях переменной толщины, выделяемых на различных участках по радиусу. Для этого предварительно проводится расчет трехмерного невязкого потока.

Âкачестве граничных условий задаются:

-углы потока в окружном направлении;

-углы потока в меридиональной плоскости

âнаправлении от втулки к периферии;

-распределение по радиусу полного давления;

-распределение по радиусу температуры. На выходе должно задаваться:

-статическое давление на втулке;

-распределение давления от втулки к периферии (определяется из уравнения радиального равновесия).

Граничное условие на стенке – прилипание (скорость потока на стенке равна нулю); гранич- ные условия на периодической границе - периоди- чески повторяющиеся (параметры потока и геометрия компрессора являются периодическими – равными числу лопаток в лопаточном венце).

Расчеты с использованием трехмерного программного комплекса позволяют получать надежные качественные и количественные данные о параметрах проектируемого компрессора. Их оптимизация сводится к решению задач течения с вариацией координат профилей лопаток и проточной части в меридиональном сечении компрессора. Результат трехмерного расчета вязкого течения в лопаточных венцах проектируемого компрессора показан на Рис. 5.14.