Лопаточные машины / сборка (готово)

52.Анализ влияния кинематической степени реактивности на планы скоростей ступени

осевой турбины.

̅ ̅

8.2.1. «Активная» ступень (ρт = 0)

В такой элементарной ступени турбины весь теплоперепад срабатывается в СА ступени, т. е. в нем происходит понижение давления, равное понижению давления во всей ступени. Давление в осевом зазоре в этом случае равно давлению за ступенью и в РК

Характерной особенностью такой активной ступени является ра венство углов

что при и равенстве скоростей w1 = w2 однозначно определяется в соответствии с выражением (8.7) и планом скоростей (см. рис. 8.8). Поэтому теоретические профили решѐтки РК имеют характерную форму — они симметричны.

Типичный профиль решѐтки РК активной турбинной ступени приведѐн на рис. 8.9. В

ступенью: с2 и = 0; с2 = с2 а , а2 = 90°) показан на рис. 8.8, а. У этой ступени условия w2 =

w1 и w2 u = w1 u определяют, что с1 и = 2и и, следовательно, ρт = 1 — (с1 и — с2 и )/(2и) = 0, а коэффициент теоретической работы Lu = си /и = 2,0.

Таким образом, уже здесь возможно сделать важный вывод, ко торый будет повторяться и в дальнейшем, о том, что введение за крутки потока за ступенью турбины против направления вращения, т. е. когда а2 < 90° или с2 и > 0, увеличивает коэффициент теоретической работы. При заданном значении окружной скорости (опреде ляемом, например, конструктивными соображениями) это будет соответствов ать и получению большей теоретической работы.

Сопоставление планов скоростей (см. рис. 8.8, а и б) указывает, что реализация закрутки за ступенью (при неизменных значениях и и са ) приводит к возрастанию угла поворота потока в РК , выходной скорости с2 и чисел М в проточной части. Однако, как будет показано далее, это может обусловить снижение КПД самой ступени, а закрутка за ступенью ( ) точнее за последней ступенью турбины, ухудшает работу затурбинных

устройств. Поэтому закрутки за последней ступенью обычно избегают или применяют пониженную величину с2 и .

Существенная закрутка потока в осевом зазоре турбины (значе ние аг — мало, а с1 а — велико) приводит к значительному возрастанию давления в осевом зазоре от корня (от внутреннего диаметра) к периферии (к наружному диаметру ступени), хотя существуют способы уменьшения градиента давления по высоте проточной части.

При этом обычно и степень реактивности в отдельных элементар ных ступенях существенно возрастает по радиусу проточной части от втулки к периферии.

Поэтому элементарные ступени с ρт 0 могут применяться только в корневых сечениях проточной части турбины с относительно длинными лопатками, так как в настоящее время избегают отрицательных степеней реактивности, при которых в СА происхо дит перерасширение, а затем в РК повышение давления. Происходящее при этом торможение потока в относительном движении (w2 <w1 ) приводит к повышенным потерям, и КПД таких ступеней получается пониженным. Кроме того, течение в межлопаточных каналах решѐтки РК активной ступени осуществляется при высоком уровне скоростей (w2 немногим меньше, чем w1 ), а это также приводит к увеличению потерь и снижению КПД.

У турбины с относительно короткими лопатками (в частности, при Dср/hл1 > 20), которые используются, например, в ТНА ЖРД открытых схем, изменение степени реактивности по радиусу проточной части столь незначительно, что условно можно считать их «активными» во всех сечениях проточной части.

Турбины ГТД с относительно длинными лопатками, у которых степень реакти вности существенно изменяется по радиусу, являются турбинами с переменной по радиусу степенью реактивности. Однако обычно степенью реактивности полной ступени называют степень реактивности ее элементарной ступени на расчѐтном среднем радиусе (диаметре) проточной части. Такие ступени с ρт.ср > 0 называют «реактивными» ступенями, хотя в корневых сечениях этих ступеней ρт.корн может быть и равно нулю. Изменение степени реактивности по радиусу проточной части зависит от закона профилирования ло патки по высоте проточной части.

Достоинства ρт = 0 (активной турбины)

Активная турбина имеет и ряд достоинств. Равенство p1=р2 приводит к уменьшению перетекания в радиальном зазоре, отсутствию или снижению осевого усилия на диск РК. Однако главным преимуществом активной турбины является возможность получения высокого КПД при малых окружных скоростях.

8.2.2. Ступень с ρт = 0,5

Втакой ступени половина общей работы расширения приходится на СА, а половина

—на РК.

треугольники скоростей такой ступени симметричны (рис. 8.11).

скорость за СА равна скорости за РК (с1 =w2 ),

скорость на входе в РК равна скорости на входе в СА: w1 = с0 = с2 .

В случае наличия закрутки за ступенью против направления вра щения (а2 < 90°) из плана скоростей следует (см. рис. 8.11, а) с1 u — c2 u = u и ρт = 1 — (с1 и —

с2 и )/(2и) = 0,5.

Коэффициент теоретической работы такой ступени:

Уступени с ρт = 0,5 без закрутки на выходе (а2 = 90°, с2 и = 0), как следует из рис. 8.11, б,

с1 и =и=Δ си и Lu = 1,0. Это подтверждает ранее сделанный вывод о том, что введение закрутки за

ступенью против направления вращения увеличивает коэффициент теоретической работы, что при определѐнном значении окружной скорости озна чает также увеличение теоретической работы.

рис 8.11. Планы скоростей ступени с рТ = 0,5:

а) с закруткой на выходе против направления вращения, б) без закрутки на выходе (с осевым выходом)

Сопоставление ступеней с рт = 0 и рт = 0,5 показывает, что при одинаковых условиях (например, при а2 = 90°, т. е. при с2 и = 0 когда нет закрутки за ступенью), у ступени с

... 3) может оказаться целесообразным выбирать р т.ср = 0,5 на среднем радиусе, чтобы не

получить у корня отрицательной степени реактивности. Для ло паток с умеренной относительной длиной (Dср/hл = 10 ... 5) обычно достаточно иметь на среднем радиус е рт. ср = 0,25 ... 0,35. Поэтому элементарные ступени со степенью реактивности р т = 0,5 располагаются между средним и периферийным сечениями лопатки.

8.2.3. Ступень с Рт = 1,0

В такой ступени вся работа расширения приходится на РК, т. е. в нем происходи т понижение давления, равное понижению давления во всей ступени (πРК = p1 /p2 равно πт = p0 /p2 ). Пренебрегая потерями в СА полагают, что в нем не происходит и изме нение

скорости, т. е. с1 = с2 ( 0 ) , и так как с1 и = с2 и то

Однако си > 0 и Lu > 0, такая ступень турбины совершает некоторую работу при закрутке на выходе против вращения (с2 а > 0) (рис. 8.13, а).

Ступень с ρт = 1,0 может рассматриваться как промежуточная ступень многоступенчатой турбины. В СА такой ступени выходная скорость предыдущей ступени с2(i-1) = с0I меняет своѐ направление без изменения величины и становится скоростью с1 для рассматриваемой ступени.

Такие элементарные ступени турбины в авиационных ГТД не встречаются даже в периферийных сечениях относительно длинных лопаток. Как правило, даже в этих сечениях степень реактивности не превышает значений ρ т.пер = 0,6 ... 0,7. Ступени со степенью реактивности ρт = 1,0 встречаются в турбинах специальных схем, некоторые из

Это так называемый случай «вырождения» турбины, рабочая решѐтка которой вырождается в решѐтку прямых пластин. На режиме с нулевым углом атаки (при w2 = w1 ) Δwu = 0, и решѐтка не осуществляет силового взаимодействия с потоком, а развиваемый ступенью момент и мощность также равны нулю (рис. 8.13, б).

б)

Рис. 8.13. Планы скоростей ступени с ρт = 1,0:

а— с закруткой на выходе против направления вращения; б — без закрутки на выходе — случай «вырождения» ступени (пунктир — треугольник скоростей ветряка)

реактивности, при прочих равных условиях, снижает коэффициент теоретической работы ступени турбины.

53. Атакоустойчивость профиля и решетки профилей компрессоров и турбин. Характеристика компрессора по потерям (КПД). Факторы, определяющие атакоустойчивость.

Потери в компрессорной решетке оцениваются коэффициентом потерь

Характер течения в решетке и подводимую (отводимую) величину работы в ней оценивают углом поворота потока

Атакоустойчивость профиля при малых скоростях потока

невыгодным. При увеличении угла атаки возрастает угол поворота потока, закрутка потока, а следовательно и подводимая к воздуху работа. КПД решетки при этом растет, т.к. сопротивление решетки растет медленнее, чем .

увеличение угла атаки до и выше приведет к срыву потока, резкому возрастанию сопротивления решетки и уменьшению . Для создания запаса устойчивости профиля

Атакоустойчивость профиля с учетом влияния .

При увеличении в пределах достижения местной скорости звука на поверхности профиля характеристики профиля меняются не сильно и вызваны изменением сжимаемости и распределением давлений по контуру профиля. Кривая возрастает более резко по сравнению с малыми скоростями

Дальнейшее увеличение скорости потока ведет к образованию местных зон сверхзвуковых скоростей. Последующее торможение потока сопровождается скачками уплотнения, волновыми потерями и отрывом пограничного слоя. С некоторого значения числа наблюдается резкое увеличение и уменьшение угла поворота потока Δβ. Наибольшие

когда область местных сверхзвуковых скоростей занимает все поперечное сечение межлопаточного канала.

В осевых компрессорах роль работы трения диска ничтожна (менее 0,5 % ) и практически ею можно пренебречь, полагая

∫

Режимы работы компрессора

При определении характеристик компрессора на стенде можно получить почти всевозможные режимы работы компрессора. При работе компрессора в системе ГТД той или иной схемы реализуется лишь часть этих возможных режимов, занимающая некоторую область в поле характеристики компрессора - область рабочих режимов. Значения π , соответствующие какому-либо конкретному рабочему режиму, изображаются на характеристике компрессора рабочей точкой. Важное значение в теории ГТД имеют точки, соответствующие установившимся режимам работы двигателя, т.е. постоянным во времени значениям частоты вращения, подачи топлива и других параметров и факторов, которые могут влиять на работу элементов двигателя.

Для большинства схем авиационных ГТД каждому значению приведенной частоты вращения на установившихся режимах соответствует при заданных условиях регулирования двигателя только одна рабочая точка. Соединив такие рабочие точки, относящиеся к различным значениям , получим рабочую линию (линию рабочих режимов). Таким образом, рабочая линия представляет собой совокупность всех установившихся режимов работы компрессора в системе конкретного ГТД при заданных условиях его регулирования.

Форма расположения рабочей линии в поле характеристики компрессора зависит от расчетных параметров компрессора, типа двигателя и условия (закона) регулирования. На рис 4.32 показано типичное расположение рабочей линии на характеристике нерегулируемого компрессора (с высокой расчетной степенью повышения давления).

Рабочая линия пересекает границу устойчивой работы компрессора в двух точках н и в. Первая из них лежит в области значений ,меньших расчетного, и поэтому соответствующее ей нарушение устойчивой работы компрессора (при

Нарушение устойчивой работы компрессора ГТД (часто называемое потерей газодинамической устойчивости) является одним из наиболее опасных отказов авиационной силовой установки. Поэтому в эксплуатации работа на режимах, где рабочая точка располагается вблизи границы устойчивости, т.е. где запас устойчивости мал, недопустима.

Количественную оценку запаса устойчивости компрессора при каждом значении

запас устойчивости по π . Если напорная линия близка к горизонтали, то собственно эти величины характеризуют запас устойчивости по расходу воздуха. В общем

нельзя, т.к. они должны неизбежно использоваться в процессе запуска двигателя и вывода его на основные эксплуатационные режимы. Поэтому в двигателях с высоким значением π компрессор выполняется регулируемым.

55. Особенности характеристик центробежных компрессоров с различной формой лопаток.

Рассмотрим центробежную ступень с радиальными лопатками рабочего колеса. У

входе согласно формуле:

эффективная работа такой ступени не будет зависеть от расхода воздуха и характеристика ступени будет иметь:

Характеристика центробежного компрессора при В этом случае максимумы будут совпадать и, кроме того, режим

нулевого напора , очевидно, будет достигаться позднее (при большем увеличении осевой скорости по сравнению с оптимальной), чем для осевых ступеней с обычными значениями коэффициента нагрузки . В этом смысле говорят, что центробежная ступень имеет пологую характеристику, чем осевая.