Входной направляющий аппарат OK (ВНА)

На двигателях, имеющих дозвуковые или трансзвуковые первые ступени компрессоров, в передней части статора располагается ВНА. ВНА представляет собой неподвижный ряд лопаток статора, создающих предварительную закрутку потока на входе в РК первой ступени, обычно в направлении его вращения (рис.1.2).

Назначение такой предварительной закрутки, как это уже было указано при рассмотрении ступени ЦК, состоит в том, чтобы уменьшить относительную скорость W₁, на входе в РК и этим снизить волновые потери на лопатках РК. Так, например, в компрессоре двигателя РД‑3М на конце лопатки РК первой ступени окружная скорость  и без предварительной закрутки относительная скорость была бы W₁ = 350 м/с, а местная скорость звука a₁ = 330 м/с, т.е. . Предварительная закрутка позволяет сделать  при неизменной окружной скорости U.

Предварительная закрутка воздуха на входе в РК может оказаться необходимой не только для первой, но и для последующих ступеней. Однако надобность в ВНА для них уже отпадает, а его функцию выполняет НА предыдущей ступени. По мере продвижения воздуха от ступени к ступени необходимость в предварительной закрутке постепенно уменьшается, а затем и вовсе отпадает, т.к. повышается температура воздуха и значение местной скорости звука возрастает. Тогда выход воздуха из НА делается в осевом направлении. Хотя, строго говоря, направление потока перед следующей ступенью определяется таким её параметром, как степень реактивности, что рассматривается на лекциях.

В изменении предварительной закрутки от ступени к ступени можно убедиться визуально, осматривая ВНА и НА компрессора РД‑3М.

Предварительная закрутка изменяется по высоте лопаток ВНА и НА. При длинных лопатках окружная скорость РК существенно возрастает от корня к периферии, а вместе с ней растёт и относительная скорость W₁. Поэтому с точки зрения снижения волновых потерь надо предварительную закрутку увеличивать и проектировать ВНА и НА так, как это показано на рис. 1.2. Такому способу проектирования соответствуют ступени с постоянной степенью реактивности . По этому закону обычно

- 14 -

проектируется первые ступени дозвуковых ОК, в чём можно убедиться, знакомясь с двигателями, представленными в лаборатории

Там, где уменьшать W₁ уже не требуется, т.е. для последующих ступеней ОК, а также для сверхзвуковых ступеней часто применяются другие способы проектирования. Одним из них является проектирование по закону постоянства циркуляции . Напомним, что в этом случае энергия, сообщаемая воздуху РК, остаётся постоянной по высоте лопатки и этим обеспечивается такое изменение давления по радиусу, при котором нет радиального перетекания воздуха. К.п.д. ступени оказывается выше, чем при других законах изменения С_u по радиусу.

Увидеть на реальных двигателях изменение предварительной закрутки по этому закону (т.е. уменьшение её от корня к периферии) довольно трудно.

Современные ТРДД со сверхзвуковыми первыми ступенями компрессора низкого давления часто проектируются без ВНА.

Как уже отмечалось, при изменении режима работы двигателя обтекание лопаток РК отличается от расчётного, что может привести к неустойчивой работе компрессора – помпажу. Одним из способов расширения диапазона устойчивой работы ОК является регулирование угла установки лопаток ВНА. ВНА с поворотными лопатками можно увидеть на двигателе ТВ2‑117А.

При неблагоприятном сочетании температуры и влажности воздуха может произойти обледенение лопаток ВНА и других элементов конструкции, расположенных в передней («холодной») части двигателя. Поэтому передние кромки лопаток ВНА обогреваются нагретым воздухом или горячим маслом, для чего в них образуют полость. Это можно увидеть на всех двигателях.

Многоступенчатый ОК

Не вдаваясь в рассмотрение теории многоступенчатого ОК, остановимся на вопросе о формах его проточной части.

По мере сжатия воздуха его плотность от ступени к ступени возрастает. Так как расход воздуха при этом остается постоянным, то необходимо либо уменьшить осевую скорость воздуха C_a,

- 15 -

либо уменьшить площадь сечения проточной части, т.е. высоту лопаток. Снижение C_a допустимо лишь в определённых пределах, т.к. оно приводит к уменьшению закрутки воздуха в РК и, следовательно, к уменьшению адиабатической работы ступени. Поэтому во всех ОК площадь сечения проточной части и высота лопаток от ступени к ступени уменьшается.

Однако при выборе формы меридионального сечения проточной части ОК, конструктор должен учитывать ряд требований, часто противоречивых. Напомним некоторые из них.

Уменьшение высоты лопаток (особенно существенное в последних ступенях) приводит к увеличению роли концевых потерь, связанных с перетеканием воздуха через радиальный зазор.

С точки зрения энергии, сообщаемой воздуху, выгодно увеличить средний диаметр РК (больше окружная скорость U , при той же частоте вращения). Это позволяет уменьшить число ступеней (больше ) и, следовательно, массу компрессора.

Из конструктивных и технологических соображений наиболее удобными являются схемы, в которых либо наружный, либо внутренний диаметр всех ступеней одинаков. Надо также учесть возможность размещения передней опоры компрессора, диаметральные размеры которой ограничены диаметром втулки РК 1-й ступени,

Часто конструкторы применяют компромиссные схемы, где в первых ступенях изменяются и наружный и внутренний диаметры (примерно постоянным сохраняется D_ср), а в последующих – постоянны либо наружный, либо внутренний диаметр.

В двухвальных ОК надо удовлетворить указанным выше требованиям и, кроме того, учесть следующее. Воздух в компрессор высокого давления (КВД) поступает уже сжатым в компрессоре низкого давления (КНД). Кроме того, расход воздуха через КВД существенно ниже, чем через КНД (в зависимости от степени двухконтурности). Поэтому площади поперечных сечений проточной части КВД значительно меньше, чем у КНД, а диаметр втулки РК 1‑й ступени КВД значительно меньше диаметра втулки РК последней ступени КНД. Для уменьшения гидравлических потерь при переходе от КНД к КВД надо обеспечить плавное сопряжение проточных частей этих компрессоров.

- 16 -

На двигателях, имеющихся в лаборатории, представлены различные формы проточной части.

В компрессоре двигателя РД‑3М проточная часть выполнена с постоянным наружным диаметром. Большие размеры этого двигателя позволяют разместить переднюю опору. Высота лопаток последней ступени относительно велика и можно не опасаться увеличения концевых потерь. Конструкция достаточно технологична и проста.

Компрессор ТВД АИ‑20 имеет проточную часть с постоянным наружным диаметром, кроме первых ступеней, где наружный диаметр уменьшается, а внутренний увеличивается. Если бы наружный диаметр первой ступени компрессора был меньше, было бы труднее разместить детали передней опоры и лабиринтные уплотнения.

В компрессоре двигателя ТВ2‑117А проточная часть выполнена аналогично, т.е. наружный диаметр постоянный, кроме первых двух ступеней. При малых диаметральных размерах этого двигателя, очевидно, были трудности с размещением передней опоры и пришлось увеличивать диаметр втулки РК первой ступени, а одновременно и наружный диаметр. В последних ступенях этого компрессора лопатки короткие и концевые потери в них относительно больше, но, по-видимому, предпочтение отдано лучшей технологичности выбранной формы проточной части.

На двигателе Д‑20П в КНД проточная часть выполнена с постоянным внутренним диаметром, за исключением первой ступени, где внутренний диаметр РК увеличивается, а наружный уменьшается ( ). Такая схема обеспечивает лучшую компоновку входной части компрессора, размещение передней опоры и лучшее сопряжение проточных частей на выходе из КНД и на входе в КВД. Подумайте над тем, как выглядело бы это сопряжение при постоянном наружном диаметре КНД?

Одновременно получается более технологичной конструкция РК 2‑й и 3‑й ступеней и НА 1‑й и 2‑й ступеней.

Проточная часть КВД выполнена с постоянным наружным диаметром, кроме некоторого увеличения диаметра 1‑й ступени. По-видимому, это сделано также для лучшего сопряжения проточных частей КВД и КНД.

- 17 -

Регулирование компрессоров

Рассматривая ступень ОК мы уже упоминали о том, что на нерасчётных режимах нарушается плавное обтекание лопаток РК вследствие отклонения направления вектора относительной скорости W₁ от расчётного. При увеличении угла атаки больше критического срывные явления на спинке профиля приводят к неустойчивой работе (помпажу).

В многоступенчатом ОК неустойчивая работа (помпаж) возникает вследствие рассогласования в работе первых и последних ступеней на нерасчётных режимах (подробнее этот вопрос рассматривается в лекционном курсе). При этом чем больше степень повышения давления воздуха , тем больше это рассогласование.

Для уменьшения рассогласования ступеней многоступенчатого ОК на нерасчётных режимах и улучшения его работы в различных условиях эксплуатации применяются различные способы регулирования компрессоров.

Кроме расширения диапазона устойчивой работы, такое регулирование повышает к.п.д. компрессора на нерасчётных режимах, уменьшает вибрацию лопаток и вибронапряжения в них, облегчает запуск двигателя (меньше потребная мощность стартера).

Основными способами регулирования компрессоров являются:

– перепуск воздуха из проточной части в атмосферу или в наружный контур ТРДД;

– поворот лопаток ВНА, НА (в турбовентиляторных двигателях иногда поворот рабочих лопаток вентилятора);

– изменение соотношения между частотами вращения ступеней (путем применения 2- и 3‑вальных ОК).

На некоторых двигателях применяются одновременно несколько способов регулирования (в литературе встречается также термин–механизация компрессора).

В лекционном курсе дано обоснование каждого из этих способов регулирования. Для напоминания на рис. 1.4 приведены схемы, поясняющие принцип восстановления расчётного обтекания каждым из указанных способов регулирования.

- 18 -

Рис. 1.4. Треугольники скростей на входе в РК 1-й ступени
и их изменение при различных способах регулирования

- 19 -

На двигателях, представленных в лаборатории, можно ознакомиться со всеми основными способами регулирования компрессоров.

На двигателе ВК‑1 применяемый ЦК имеет сравнительно низкую степень повышения давления   и регулирования не требует. Кроме того, центробежные компрессоры более устойчивы к помпажу из-за работы центробежных сил.

На двигателе РД‑3М – , регулирование осуществляется перепуском до 15% воздуха из компрессора в атмосферу. Окна перепуска расположены в корпусе компрессора за третьей ступенью и закрываются лентой перепуска. При частоте вращения ротора  окна перепуска открыты, а при достижении , они автоматически закрываются лентой ( ). Соответственно, при уменьшении частоты вращения лента открывает окна. Сигнал на открытие и закрытие ленты перепуска выдается центробежным датчиком (расположен на корпусе компрессора сверху), а механическое воздействие на ленту осуществляется пневмомеханизмом (расположен на корпусе компрессора справа). Лента перепуска закрывается и удерживается в закрытом положении сжатым воздухом, а открывается пружиной, находящейся внутри пневмоцилиндра.

Перепуск воздуха наиболее простой способ регулирования компрессора. Восстановление расчётного обтекания лопаток РК при перепуске воздуха происходит за счёт увеличения расхода воздуха через первые ступени и, вследствие этого, увеличения скорости C₁(рис.1.4, а). Основной недостаток его в большой потере сжатого воздуха, что приводит к снижению тяги и увеличению удельного расхода топлива при открытых окнах перепуска. Следует также иметь в виду, что перепуск воздуха облегчает запуск двигателя.

На двигателе АИ‑20 – , регулирование осуществляется перепуском воздуха в атмосферу через 4 окна в корпусе компрессора, по два за 5‑й  и за 8‑й ступенями. Воздух выпускается через клапаны, которые открыты при частоте вращения ротора: для первых двух  и для вторых –   ( . Управление клапанами автоматическое, сигнал выдается командно-топливным агрегатом системы регулирования двигателя.

- 20 -

На двигателе ТВ2‑117А –  регулирование осуществляется поворотными лопатками ВНА и НА 1‑й, 2‑й и 3‑й ступеней, а также перепуском воздуха за 6‑й ступенью компрессора в атмосферу через 2 клапана перепуска. Более сложное регулирование этого двигателя, по сравнению с предыдущими, объясняется высокой частотой вращения ротора турбокомпрессора этого двигателя ( ).

При регулировании поворотом лопаток ВНА и НА расчётное обтекание лопаток РК обеспечивается изменением направления вектора абсолютной скорости C₁(рис. 1.4, б). Эффективность регулирования только поворотом лопаток ВНА и НА недостаточна, что приводит к необходимости дополнять его перепуском воздуха. Угол поворота лопаток ВНА и НА изменяется плавно в пределах от –30° до 0° при изменении приведенных оборотов ротора от 75 до 100% от n_max. Управление лопатками осуществляется гидромеханизмом, сигнал выдаётся командным агрегатом системы регулирования двигателя. Клапаны перепуска открыты при оборотах ротора компрессора ниже 53% от n_max.

На двигателе Д‑20П – , регулирование происходит, во‑пер­вых, за счёт 2‑вальной схемы компрессора, и, во‑вторых, путём перепуска воздуха в наружный контур через 2‑окна в корпусе КВД. Окна, расположенные за 3‑й и 4‑й ступенями, закрываются двумя заслонками, которые управляются гидроцилиндрами, установленными на переднем наружном кожухе камеры сгорания; слева. Сигнал на автоматическое открытие и закрытие заслонок выдается центробежным регулятором при .

Напомним, что регулирование за счёт 2‑вальной схемы происходит благодаря тому, что при уменьшении частоты вращения обоих роторов угол атаки при обтекании рабочих лопаток ротора КНД увеличивается, нагрузка на лопатки возрастает, происходит относительное торможение этого ротора, т.е. уменьшение окружной скорости U и благодаря этому постоянно восстанавливается расчётное обтекание лопаток (рис. 1.4, в). Регулирование при этом происходит плавно.

Степень повышения давления в КНД ( ) невысока и поэтому в этом компрессоре никаких дополнительных противопомпажных мер не требуется.

- 21 -

В 8‑ступенчатом КВД ( ), как указано выше, применяется перепуск воздуха для предотвращения срывных явлений на лопатках первых ступеней этого компрессора.

Как видим, при 2‑валъной схеме ОК регулирование проще, чем при одновальной. Благодаря этому 2‑вальная схема позволяет реализовать более высокие степени повышения давления и при этом иметь достаточно широкий диапазон устойчивой работы. Преимуществом этой схемы является также и то, что при запуске двигателя приходится раскручивать только ротор турбокомпрессора высокого давления и меньше потребная мощность стартера.

Дальнейшим развитием ТРДД  Д‑20П является ТРДД Д‑30. У этого двигателя степень повышения давления компрессора  ( ; ). Обратите внимание что произведение  оказывается больше, чем , попробуйте объяснить это. КНД этого двигателя регулируется только благодаря 2‑вальнэй схеме.  КВД, кроме заслонок перепуска, имеет ВНА с поворотными лопатками. Конструкция компрессоров 2‑валъной схемы в целом сложнее, чем одновальных.