Ступень осевого компрессора (ОК)

Ознакомление со ступенью осевого компрессора в лаборатории удобно начинать с крупногабаритных двигателей (РД‑3М, Д‑20П).

Схема ступени ОК и треугольники скоростей на входе и на выходе из РК изображены на рис. 1.2.

Ступенью ОК называется сочетание одного рабочего колеса (РК) и одного стоящего за ним направляющего аппарата (НА). Под РК понимают один ряд лопаток ротора – вращающийся лопаточный венец. Конструктивно лопатки РК могут размещаться на ободах дисков, соединенных между собой и образующих ротор компрессора (как на двигателях РД‑3М, Д‑20П, АИ‑20 и др.) или на общем барабане (как на двигателе ТВ2‑117А).

РК передается часть крутящего момента, сообщаемого ротором турбины ротору компрессора, а лопатки РК передают эту энергию воздуху.

Лопатки имеют крыловидный аэродинамический профиль, а каналы, образованные ими, представляют собой диффузоры. Под воздействием лопаток частицы воздуха вовлекаются во вращательное

- 8 -

Рис. 1.2. Схема ступени ОК и треугольники скоростей
на входе и на выходе из РК

- 9 -

движение с окружной скоростью U и движутся вдоль межлопаточного канала с относительной скоростью W, (Диффузорность канала и профиль лопаток хорошо видны, если посмотреть на лопаточный венец с торца.) При этом движении относительная скорость воздуха W уменьшается, а давление и температура несколько возрастают. Увеличивается также абсолютная скорость воздуха, т.е. его кинетическая энергия.

Если не учитывать угол атаки на входе в РК и угол отставания потока на выходе из него, то можно считать, что приблизительно вектор относительной скорости на входе в РК совпадает с направлением передней кромки лопатки, а на выходе из него – с направлением ее задней кромки.

Сравнивая треугольники скоростей в корневом и периферийном сечении лопатки РК, мы видим существенную разницу в величине и направлении векторов относительной скорости на входе и выходе из РК. Эта разница обусловлена, в первую очередь, изменением окружной скорости по радиусу и, в меньшей степени, изменением в направлении абсолютной скорости на входе C₁(этот вопрос будет рассмотрен ниже).

Если посмотреть на лопатку с торца, она оказывается как бы закрученной против часовой стрелки.

Толщина профиля пера лопатки от корня к периферии уменьшается. Это обусловлено соображениями прочности, т.к. корневому сечению приходится воспринимать наибольшие нагрузки от центробежных сил и от изгиба газодинамическими силами, действующими на перо лопатки.

Следует обратить внимание также на то, как изменяется от корня к периферии густота решетки лопаточного венца – b/t.

Видно, что она заметно уменьшается к периферии. Хорда профиля при этом либо остается неизменной, либо несколько увеличивается (с целью увеличения b/tна периферии).

Пазы в ободе диска, в которые вставляются хвостовики лопаток, расположены под углом к плоскости вращения. Направление этих пазов определяется направлением хорды корневого сечения лопатки, т.к. при этом получаются минимальные размеры сечения хвостовика лопатки. Кроме того, это позволяет разместить на ободе диска наибольшее число лопаток и обеспечить среднюю густоту решетки, близкую к оптимальной.

- 10 -

Все сказанное выше относится к дозвуковым ступеням компрессора. В современных двигателях часто применяются сверхзвуковые и трансзвуковые ступени, где рабочие лопатки обтекаются полностью или частично со сверхзвуковой относительной скорости;

Чтобы уменьшить волновые потери, возникающие при обтекании таких лопаток, надо избежать возникновения прямых скачков уплотнения на входе в РК. С этой целью применяются сверхзвуковые, с более заострённой передней кромкой, профили лопаток. Тогда на входе в РК вместо прямых скачков получается система косых скачков уплотнения и волновые потери существенно снижаются. С такими лопатками можно ознакомиться в 1-й ступени компрессора низкого давления Д‑20П.

НА ступени представляет собой ряд лопаток (лопаточный венец), закрепленных в корпусе компрессора. Конструктивно полки лопаток НА могут крепиться непосредственно к корпусу (как на двигателе РД‑3М) или к наружному бандажу (кольцу), который, в свою очередь, крепится к корпусу компрессора (на двигателях Д‑20П, АИ‑20, ТВ2‑117А).

Внутренние концы лопаток НА могут вовсе не иметь крепления (консольные лопатки на двигателе Д‑20П в компрессоре высокого давления), либо оканчиваются цилиндрическими цапфами или полками, соединенными с внутренними бандажами (двухопорные лопатки в компрессоре низкого давления Д‑20П, компрессорах двигателей АИ‑20, РД‑3М, ТВ2‑117А). Наружные и внутренние бандажи НА часто состоят из двух половин (при разъёмном корпусе компрессоре).

Чтобы вход воздуха в НА был безударным (во избежание гидравлических потерь), направление передних кромок лопаток НА должно совпадать с вектором абсолютной скорости на выходе из РК – C₂.

За счет кривизны лопаток каналы, образованные ими, представляют собой диффузоры, в которых абсолютная скорость потока уменьшается от C₂ до C₃.

Направление выходных кромок лопаток НА определяет направление вектора абсолютной скорости C₁ на входе в следующую ступень. Таким образом, в НА происходит спрямление потока, закрученного впереди стоящим РК, с одновременным преобразованием

- 11 -

части кинетической энергии закрученного потока в работу повышений давления воздуха. (Поэтому иногда НА называют также спрямляющим аппаратом.).

На выходе из НА направление и величина скорости C₃ либо не изменяется по высоте лопатки, либо изменяется незначительно, а на входе в НА скорость C₂ существенно возрастает от корня к периферии. Поэтому от корня к периферии кривизна лопаток НА возрастает и лопатка несколько закручена по часовой стрелке (ниже будет отмечен и другой способ профилирования). Хорда и толщина профиля лопаток НА обычно не изменяется по высоте лопаток.

Во всём сказанном необходимо убедиться осмотром НА и сравнением увиденного со схемой на рис. 1.2.

В последней ступени компрессора спрямление потока всегда происходит до осевого направления.

Кривизна лопаток может оказаться столь значительной, что произойдет срыв потока на спинке и, соответственно, возрастут гидравлические потери (рис.1.3, слева).

Рис. 1.3. Схема и принцип действия двухрядного НА
последней ступени ОК

Для уменьшения гидравлических потерь и повышения к.п.д. компрессора НА последней ступени часто выполняет двухрядным (рис.1.3, справа). В этом случае сдув пограничного слоя со спинок лопаток 2-го ряда препятствует отрыву потока и вихреобразованию. С таким устройством НА следует ознакомиться в компрессорах низкого и высокого давления двигателя Д‑20П.

- 12 -

При ознакомлении с ЦК уже отмечалось, и об этом следует помнить, рассматривая ступень ОК, что величина и направление скоростей на входе и на выходе из РК на нерасчётных режимах существенно отличаются от расчётных треугольников скоростей. Это приводит к увеличению гидравлических потерь и снижению к.п.д. на нерасчётных режимах работы, а в некоторых случаях – к неустойчивой работе компрессора (рассматривается ниже).

В некоторых двигателях часть ступеней имеет поворотные лопатки НА. В качестве примера с такой конструкцией можно ознакомиться в компрессоре двигателя ТВ2‑117А.

Давление воздуха за НА , а . Поэтому воздух стремится перетекать из областей повышенного давления туда, где оно ниже – через радиальные зазоры между РК и корпусом и между внутренним бандажом НА и ротором (рис.1.2). Этому перетеканию и связанному с ним росту гидравлических потерь и снижению к.п.д. стараются препятствовать, уменьшая упомянутые радиальные зазоры и применяя лабиринтные уплотнения между внутренним бандажом НА и цилиндрической стенкой ротора, на которой нарезаются гребешки (рис. 1.2).

Вследствие изменения температуры и деформации деталей от действующих нагрузок, зазоры в процессе работы двигателя от его запуска до остановки изменяются, и может произойти задевание лопаток или гребешков ротора о корпус или внутренний бандаж НА соответственно. Чтобы при этом не происходило разрушения элементов конструкции, на корпус компрессора и на внутренний бандаж НА обычно наносится мягкий, срабатываемый слой покрытия (алюмографитового, алюмоасботалькового и др.). С подобными мероприятиями можно ознакомиться в компрессорах двигателей РД‑3М, АИ‑20, TB2‑117A, Д‑20П.

Для уменьшения потерь на трение поверхности лопаток РК и НА обрабатываются с высокой степенью чистоты. Стальные и титановые лопатки полируются, а лопатки из алюминиевых сплавов, кроме того, подвергаются анодному оксидированию.

- 13 -