Ступень центробежного компрессора (ЦК)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторные занятия по курсу «Теория лопаточных машин» имеют целью дать студентам визуальное представление об устройстве компрессоров и турбин авиационных газотурбинных двигателей и, тем самым, помочь усвоению материала, излагаемого в лекциях по этому курсу.

Не вдаваясь в подробности конструкции упомянутых узлов двигателя (которая изучается позднее), студенты на этих лабораторных занятиях должны выяснить, как реализуются в элементах конструкции компрессоров и турбин различных двигателей основные теоретические положения. К ним относятся, в частности, вопросы: профилирования лопаток и образования неподвижных и вращающихся лопаточных решета, профилирования сечений проточной части компрессоров и турбин, мероприятия по повышению к.п.д. компрессоров и турбин, способы регулирования компрессоров с целью расширения диапазона их устойчивой работы, способы охлаждения лопаток и дисков турбин и некоторые другие.

Настоящие методические указания должны помочь студентам за сравнительно короткое время увидеть именно те элементы конструкции компрессоров и турбин, которые рассматривались в лекционном курсе, лучше понять физический смысл происходящих в них процессов, а также научить анализировать причины, которыми обосновано то или иное конструктивное решение. При этом имеется в виду, что на этих занятиях студенты впервые систематически знакомятся с материальной частью авиационных двигателей.

Использование настоящих методических указаний на лабораторных занятиях предполагает предварительную подготовку к ним студентов путём повторения соответствующих разделов по учебнику и конспекту лекций.

Методические указания составлены М.М.Зальцманом и отредактированы проф. Ронзиным В.Д.

- 3 -

Зелёный фон, добавления МВП сверх содержания методички

КОМПРЕССОРЫ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые или осецентробежные компрессоры. Центробежные компрессоры в настоящее время применяются в малогабаритных ГТД вспомогательного назначения и в качестве последней ступени осецентробежных компрессоров.

Из методических соображений удобнее начать ознакомление в лаборатории с центробежным компрессором.

Ступень центробежного компрессора (ЦК)

В лаборатории ознакомление со схемой и особенностями устройства центробежного компрессора удобнее всего на двигателе ВК‑1. На этом двигателе, кроме основного центробежного компрессора с двухсторонним входом воздуха, имеется небольшой центробежный компрессор с односторонним входом воздуха, выполняющий роль вентилятора в системе охлаждения горячей части двигателя.

Производительность компрессора двигателя ВК-1 на расчетном режиме составляет 48 кг/с, а степень повышения давления в нем . Заметим, что двухсторонний вход воздуха позволяет вдвое увеличить производительность ступени ЦК при тех же диаметральных размерах и сравнительно небольшом увеличении массы компрессора.

На рис. 1.1 для простоты изображена схема центробежной ступени с односторонним входом воздуха, а также треугольники скоростей в этой ступени.

Для того чтобы вспомнить принцип работы ЦК и назначение отдельных элементов его конструкции, проследим путь воздуха от входа его в двигатель и до выхода из компрессора (на примере ВК‑1).

Из воздухозаборника самолёта воздух попадает во входные патрубки (ВхП) компрессора. На входе во ВхП расположен непод­вижный направляющий аппарат (ННА), который закручивает воздуш­ный поток в направлении вращения ротора компрессора. В мери­диональном сечении ВхП представляет собой криволинейный канал,

- 4 -

Рис. 1.1 Схема ступени ЦК с односторонним входом и треугольники скоростей
на входе и на выходе из РК

- 5 -

который поворачивает поток на угол, несколько меньший 90°, и направляет его в рабочее колесо. При таком повороте потока на частицы воздуха действуют центробежные силы инерции, которые стремятся перемещать их в сторону внутренней стенки ВхП.

В результате действия этих сил поле скоростей, давлений и плотностей воздуха на входе в рабочее колесо (РК) имело бы значительную неравномерность (подумайте – какую?). Кроме того, стал бы возможен отрыв потока от наружной стенки ВхП и вихреобразование на этой стенке. Для уменьшения эффекта действия центробежных сил во ВхП установлены разделительные конусы, показанные на схеме и которые вы видите на двигателе.

Из треугольника скоростей на входе в РК видно, что относительная скорость W₁ направлена под углом  к плоскости вращения. Чтобы вход воздуха в РК был безударным, направление передних кромок лопаток должно совпадать с направлением относительной скорости W₁, а их передняя кромка должна быть клиновидной, как это показано на рис. 1.1.

В компрессорах небольших двигателей передние кромки лопаток механически деформируют, придавая нужную форму. В крупногабаритных компрессорах отогнутую часть лопаток, которую называют вращающимся направляющим аппаратом (ВНА), изготовляют в виде отдельной детали и часто из другого материала (сталь вместо дуралюмина для повышения вибростойкости).

Чтобы сообщить воздуху большую энергию в РК, необходимо иметь большую окружную скорость U₂, а при данном диаметре РК – бóльшую частоту вращения ротора. Но при этом растёт и скорость U₁ и, соответственно, относительная скорость W₁. Так как температура воздуха на входе в РК ещё низка, то относительно мала и местная скорость звука α₁. Значение скорости W₁  может приблизиться к a₁ (или ), а при этом на входе в РК возникли бы скачки уплотнений и имели бы место значительные волновые потери. Чтобы при высокой окружной скорости РК относительная скорость W₁ оставалась дозвуковой, скорость C₁ отклоняют от осевого направления в сторону вращения РК. Именно для этого и необходима предварительная закрутка воздуха, создаваемая ННА.

- 6 -

Таким образом, ННА, разделительные конуса в ВхП и ВНА РК компрессора – это элементы конструкции, уменьшающие гидравлические и волновые потери на входе в РК и повышающие к.п.д. компрессора.

В РК воздух вовлекается во вращение лопатками, которые и передают ему энергию, подводимую от турбины в виде крутящего момента M_кр. Часттицы воздуха движутся по каналам, образованным лопатками РК, поверхностью РК между лопатками и стенкой корпуса. Движение происходит под действием центробежных сил. При этом в РК повышается давление и температура воздуха и возрастает его кинетическая энергия, т.к. увеличивается абсолютная скорость C.

Треугольник скоростей на выходе из РК показан на рис. 1.1. Дальнейшее преобразование кинетической энергии воздуха в потенциальную энергию давления происходит в диффузоре.

Основной частью диффузора компрессора является лопаточный диффузор (ЛД), который представляет собой ряд каналов, образованных профилированными криволинейными лопатками. Но так как абсолютную скорость на выходе из колеса С₂ стремятся иметь как можно большей (достигает ~ 500 м/с), она может быть близка к местной скорости звука. Чтобы на передних кромках лопаток ЛД не возникали скачки уплотнения и связанные с этим волновые потери, скорость С₂ надо уменьшить. Этой цели служит безлопаточный или щелевой диффузор (БЛД или ЩД), представляющий собой кольцевое пространство между сечениями 2‑2 на выходе из РК и 2¢‑2¢ на входе в ЛД. Движение воздуха в этом пространстве подчиняется закону свободного вихря C_ur = const(пренебрегая трением). С увеличением радиуса скорость уменьшается и , т.е. дозвуковая.

В каналах между лопатками ЛД уменьшается скорость ( ) и возрастают давление и температура.

Для направления воздуха из ЛД в камеры сгорания служат выходные патрубки компрессора (ВП). Чтобы уменьшить гидравлические потери при повороте потока в ВП, в них вмонтированы направляющие лопатки (их роль аналогична роли разделительных конусов во ВхП).

- 7 -

скорость потока на выходе из компрессора C_к = 120 м/с. Кроме конструктивных мер по уменьшению гидравлических и волновых потерь добиваются снижения потерь на трение путем тщательной обработки поверхностей всей проточной части компрессора. Детали из алюминиевых сплавов подвергаются анодному оксидированию.

Следует, однако, заметить, что многократные повороты потока в ЦК сникают его к.п.д., который у рассматриваемого двигателя составляет . Надо также помнить, что рассмотренные треугольники скоростей на входе и выходе из РК соответствуют расчётному режиму работы. При отклонении от расчётного режима (например, при уменьшении частоты вращения n < n_р ) векторы  U₁  и  C₁  изменяются не пропорционально, следовательно, изменяется направление вектора W₁, отклоняясь от расчётного. Это увеличивает потери на нерасчётных режимах, а при значительном отклонении приводит к неустойчивой работе компрессора – помпажу.