Т.6. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН

Л. 10.

Компрессор в ГТД служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Применение компрессора позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя. Применение компрессора позволяет ГТД развивать тягу на месте и на малых скоростях полета.

Компрессор должен удовлетворять следующим требованиям:

- минимальные потери подводимой работы, то есть максимальный КПД;

- устойчивость работы во всем диапазоне эксплуатационных режимов;

- подвод воздуха в камеру сгорания должен производиться без пульсаций давления, расхода и скорости;

- минимальные вес и габариты;

- высокая надежность.

Основными типами компрессоров авиационных газотурбинных двигателей являются многоступенчатые осевые или осецентробежные компрессоры.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия в отдельных его ступенях.

6.1. Элементарная ступень компрессора.

В современных ГТД наиболее часто используются осевые компрессоры как более полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления и большие расходы воздуха при высоких коэффициентах полезного действия и сравнительно малых диаметральных габаритных размерах и массе.

Осевой компрессор имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.

Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом. В рабочем колесе к потоку воздуха подводится механическая энергия, отбираемая от турбины.

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток, закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:

- направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

- спрямление потока, закрученного впереди стоящим колесом, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу повышения давления воздуха.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Перед рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.

При вращении рабочего колеса за счет сообщенной внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение скорости в абсолютном движении.

Преобразование кинетической энергии воздуха, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени.

Если рассечь лопатки ступени цилиндрической поверхностью и развернуть ее на плоскость, то сечения лопаток рабочего колеса представятся в виде одинаковых и одинаково расположенных профилей, образующих решетку профилей рабочего колеса.

Поток воздуха, движущийся через проточную часть осевого компрессора можно представить

состоящим из отдельных струек тока, каждая из которых движется по поверхности, приближенной к

цилиндрической. Рассмотрим, как будут изменятся параметры воздуха в струйке тока толщиной Δh,

движущейся вдоль цилиндрической поверхности А-А (рис.2.2). Для чего рассмотрим межлопаточные

каналы ВНА, РК и НА в сечении их цилиндрической поверхностью А-А (рис.2.3).

Рассмотрим течение воздуха через решетки профилей, пренебрегая неравномерностью потока в окружном направлении. На входе в рабочее колесо скорость воздуха по отношению к корпусу компрессора (будем называть ее абсолютной скоростью) в общем случае может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени или установки перед колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки сверху вниз с окружной скоростью "u". Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток "w" применим известное правило сложения скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна сумме относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.

Треугольник, составленный из векторов "c", "u" и "w", называется треугольником скоростей на входе в колесо.

1) Шаг лопаток, t (см. рис.2.3). Оценивает расстояние между лопатками в плоскости их вращения.

2) Хорда лопатки, b — расстояние между передней и задней кромками лопаток.

Для существующих компрессоров должно соблюдаться соотношение:

t=(1,5 ÷2)b (1) .

При соблюдении соотношения (1) можно считать, что воздух движется по межлопаточным каналам, а не обтекает отдельно стоящие лопатки. Отсюда можно сделать вывод, что вектор скорости воздуха при его движении в межлопаточных каналах параллелен оси этих каналов.

3) Абсолютная скорость воздуха «С» — скорость воздуха относительно неподвижных лопаток компрессора.

4) Окружная скорость движения рабочего колеса «u». Нетрудно видеть что u =r.

где,  — угловая скорость вращения ротора компрессора.

5) Относительная скорость воздуха «W» — скорость воздуха относительно лопаток рабочего колеса.

Вектор абсолютной скорости воздуха равен сумме векторов относительной и окружной скоростей:

С = u +W.

6) Площадь межлопаточных каналов f. Из рисунка 3 нетрудно увидеть, что площадь всех межлопаточных каналов по мере продвижения воздуха будет изменяться.

7) Угол входа (выхода) α потока воздуха из межлопаточных каналов для неподвижных лопаток

ВНА и НА.

8) Угол входа (выхода) β потока воздуха из межлопаточных каналов для лопаток рабочего колеса.

Из анализа содержания рисунков 2 и 3, если принять Δh=1, можно записать:

f = t Sinα — для ВНА и НА. (6.1)

f = t Sinβ — для РК. (6.2)

9) Степень повышения давления в ступени компрессора: .

π_ст=р₃/р₁ (6.3)

или по параметрам заторможенного потока:

π^*_ст=р^*₃/р^*₁ (6.4)

Из анализа содержания рисунка 3 видно, что угол входа в межлопаточные каналы ВНА больше чем угол выхода (α_В>α₁). Поэтому с учетом (6.2) можно записать: f_В>f₁. Отсюда можно сделать вывод, что площадь межлопаточных каналов ВНА по мере движения воздуха уменьшается, т.е канал сужающийся.

Поэтому скорость движения воздуха согласно уравнению неразрывности будет возрастать (С₁>С_В), а давление согласно уравнению Бернулли  падать (р₁<р_В). Если давление в канале ВНА снижается, то согласно уравнению состояния газа температура воздуха будет снижаться (Т₁<Т_В).

Применим аналогичные рассуждения к рабочему колесу:

β₂>β₁ → f_2К>f_1К (канал расширяющийся)→W₂<W₁ → р₂ >р₁ → Т₂ >Т₁; (при этом С₂>С₁)

и к направляющему аппарату:

α₃>α₂ →f₃ > f_2А (канал расширяющийся) → С₃ < С₂ → р₃ > р₂ → Т₃ > Т₂;

Из выше сказанного можно сделать выводы:

1) В ВНА происходит падение давления, снижение температуры воздуха и закрутка потока по направлению вращения рабочего колеса.

2) В РК происходит рост давления, рост температуры, рост абсолютной скорости воздуха.

3) В НА происходит рост давления, рост температуры и снижение абсолютной скорости воздуха.

При этом абсолютная скорость на входе и выходе из ступени приблизительно равны (С₁С₃).

Изменение параметров воздуха при прохождении через ВНА и ступень компрессора показаны на рисунке 6.4.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что в ступени осевого компрессора происходит повышение давления воздуха. Рост давления объясняется разностью площадей межлопаточных каналов на входе и выходе, а значит и разностью углов входа и выхода. Поэтому можно сказать, что поток воздуха, перемещаясь по межлопаточным каналам, поворачивается на некоторый угол, равный разности между углом входа и углом выхода. Этот угол называется углом поворота потока. Угол поворота потока в межлопаточных каналах НА и РК не может превышать 30÷35 , иначе инерционные силы вызывают отрыв потока от стенок канала и рост потерь энергии. Следовательно, если угол поворота потока ограничен, то ограничена также степень повышения давления в ступени осевого компрессора. У существующих компрессоров степень повышения давления в ступени составляет π*_ст =1,2÷1,35.

С другой стороны, увеличение степени повышения давления можно достичь увеличением подвода механической энергии, т.е. увеличением угловой скорости. Рост угловой скорости ведет к росту u, величина которой на периферии больше, чем у корня лопатки и может превысить скорость звука. Из-за возможности появления локальных трансзвуковых зон на периферии степень повышения давления в ступени ограничена значением ^*_ст= 1,2 – 1,4.

В ступени компрессора к потоку воздуха подводится механическая энергия, которая преобразуется в кинетическую энергию потока. За счет расширения канала кинетическая энергия потока преобразуется в давление. В НА расширение канала приводит к переходу кинетической энергии в давление.

Влияние угла атаки на обтекание решетки профилей.

Углом атаки (i) называется угол между касательной к средней линии профиля лопатки в его передней точке и вектором скорости потока, обтекающего переднюю кромку лопатки. Воздух может подходить к лопатке, как со стороны корытца, так и со стороны спинки. В первом случае угол атаки будет положительный, во втором – отрицательный. На рисунке рис.2.5.а показано обтекание лопаток рабочего колеса с положительными углами атаки (i>0). Нетрудно заметить, что на рисунке 2.4 углы атаки профилей лопаток равны нулю.

Рассмотрим, как будет изменяться работа рабочего колеса осевого компрессора при увеличении угла атаки.

Как было сказано выше, межлопаточные каналы РК и НА выполнены расширяющимися (диффузорными), поэтому при прохождении через них воздуха происходит рост его давления. Степень расширения (диффузорности) межлопаточных каналов будет определяться не только профилем лопаток, но и положение вектора скорости потока. Как видно из рисунка 5.б, при росте угла атаки (i↑) эффективная площадь на входе межлопаточные каналы уменьшается (f 1К.ЭФ↓). Поэтому при увеличении угла атаки первоначально происходит увеличение диффузорности канала и, следовательно, растет степень повышения давления.

Однако при значительном увеличении угла атаки возникает отрыв потока на спинках лопаток (рис.2.5,в). Отрыв уменьшает эффективное выходное сечение и диффузорность межлопаточных каналов, в результате чего торможение потока в них и повышение давления резко снижаются. Угол атаки, при котором происходит отрыв потока, называется критическим углом атаки (i_кр). Для существующих компрессоров i_кр=8÷12°.

Из сказанного можно сделать вывод: для увеличения степени повышения давления в ступени компрессора угол атаки должен быть отличным от нуля, положительным, но не превышать величину критического. Такие углы атаки имеют место при обтекании лопаток как РК, так и НА и называются расчетными. У существующих компрессоров iрасч=4÷6° Необходимо отметить, что при положительных углах атаки отрыв потока происходит на спинках лопаток, при этом основной поток центробежными силами прижимается к корытцам, т.е. «уходит» от зоны отрыва (рис.2.5,в). Это способствует распространению зоны отрыва на значительную площадь межлопаточных каналов и резкому падению степени повышения давления ступени.

При отрицательных углах атаки (i<0), когда воздух натекает со стороны корытца, также возможен отрыв потока (рис.2.5.г). Отрыв произойдет, если угол атаки превысит критический, но при i<0 зона отрыва будет располагаться на корытце лопатки. В этом случае основной поток, прижимаясь центробежными силами к корытцу, будет уменьшать размеры зоны отрыва. И, следовательно, падение степени повышения давления ступени будет происходить на меньшую величину, чем при i>0. Из этого следует, что отрыв потока при положительных углах атаки более опасен, чем при отрицательных.

Уравнение сохранения энергии для ВНА и ступени осевого компрессора.

ВНА : h_ВХ+C_вх² +L_МВНА + Q_ВНА= h₁+C₁²

h_вх – h₁= C₁²/2 – C_ВХ²/2 (6.5)

РК: h₁+C₁² +L_МРК + Q_ВРК= h₂+C₂²

L_МРК=h₂ – h₁ +C₂²/2 – C₁²/2 (6.6)

НА: h₂+C₂² +L_МНА + Q_ВНА= h₃+C₃²

h₂ – h₃= C₃²/2 – C₂²/2 (6.7)

Степень реактивности ступени

Отношение статического изоэнтропического напора РК к статическому изоэнтропическому напору ступени называется степенью реактивности

Газовые силы, приложенные к ступени компрессора.

Как видно из рисунка 2.3, воздух, проходя по межлопаточным РК и НА, изменяет направление движения и величину скорости, т.е. движется с ускорением. Кроме того, давление воздуха при прохождении его через РК и НА возрастает. Следовательно, на воздух со стороны лопаток рабочего колеса будет действовать сила RК , а со стороны лопаток направляющего аппарата RА . Поэтому на лопатки будут действовать противоположные им силы, соответственно PК и PА . Наличие этих сил обусловлено ускоренным движением воздуха и перепадом давления (рис.6.6).

Согласно уравнению Эйлера (см. пособие «Основы теории авиационных турбовальных двигателей

(ТВаД)» п.1.3.9.) соответственно для РК и НА можно записать:

P_РК = G (C2− C1) (11)

P_НА = G (C3− C2) (12)

Из анализа векторной разности абсолютных скоростей (С) и перепада давления можно сделать вывод, что силы РК и РА будут направлены так, как это показано на рисунке 2.6.

Каждую из этих сил можно разложить на составляющие, направленные по направлению вращения

РК и по оси компрессора:

Р_РК = Р_РКu + P_РКa , (13)

Р_НА = Р_НАu + P_НАa . (14)

Силы P_Ka и P_Aa являются осевыми составляющими. Они направлены в сторону противоположную движению воздуха или, если привязаться к направлению полета вертолета, — «вперед». Наличие этих сил вызывает нагружение валов и корпусных деталей двигателя силами растяжения.

Сила Р_Au является окружной составляющей, действующей на лопатки направляющего аппарата.

Наличие этой силы вызывает нагружение корпусных деталей двигателя крутящим моментом.

Сила Р_Ku является окружной составляющей, действующей на лопатки рабочего колеса. Как видно из рисунка 2.6, сила Р_Ku направлена в сторону, противоположную вращению ротора. Её наличие вызывает нагружение ротора двигателя крутящим моментом.

Если на каждую из лопаток действует окружная сила Р_Ku и эта сила приложена к лопатке точке отстоящей от оси вращения на расстоянии r_CР (рис.2.7), то суммарную величину крутящего момента, необходимого для вращения компрессора можно определить по формуле:

(6.15)

где n— количество лопаток в рабочем колесе.

Вращение ротора двигателя возможно, если крутящий момент турбины (Мкр.т) по абсолютной величине будет равен крутящему моменту компрессора ( КР.Т КР.К. М = М ). Поэтому величина Мкр.к, рассчитанная по формуле (15) определяет: крутящий момент, необходимый для вращения компрессора, крутящий момент, который необходимо получить на роторе турбины, крутящий момент, которым нагружен вал, соединяющий роторы компрессора и турбины.

Гидравлические потери в ступени компрессора.

Потери энергии в ступени осевого компрессора вызывают торможение потока в пограничном слое и образование вихрей. Эта часть энергии называется гидравлическими потерями в ступени. Гидравлические потери условно делят на следующие виды:

— профильные, связанные с образованием пограничных слоев на лопатках РК и НА (рис.2.9,а);

*Рассмотрены только те потери, которые имеются при движении воздуха с дозвуковыми скоростями.

Рис. 6.8. Виды гидравлических потерь в ступени осевого компрессора:

а)— профильные; б)— концевые; в)— вторичные

— концевые, связанные с образованием пограничных слоев на стенках, ограничивающих проточную часть ступени по высоте лопаток (рис.2.9,б);

— вторичные, связанные с возникновением поперечных парных вихрей в межлопаточных каналах РК и НА, а также с перетеканием воздуха через радиальный зазор между лопаткой и корпусом (рис.2.9,.в).

Последний вид потерь обусловлен тем, что давление на выпуклой стороне лопаток (на спинке) меньше, чем на вогнутой (на корытце). Эта разность давлений приводит к перетеканию воздуха с последующим образованием вихрей. Одна пара вихрей образуется в межлопаточных каналах. Движение воздуха по такой траектории объясняется тем, что на концевых и корневых участках лопаток имеется заторможенный пограничный слой, и воздух с повышенным давлением с корытца средней части через зоны пограничного слоя перетекает к спинке рядом расположенной лопатки. Другой вихрь образуется из-за перетекания воздуха через зазор между лопаткой и корпусом компрессора.

Энергия гидравлических потерь в ступени (Lтр.ст) частично сохраняется в виде вихревых движений воздуха, частично преобразуется в тепловую энергию, которая подводится к потоку. Из -за того, что часть потерь преобразуются в тепловую энергию, происходит дополнительный нагрев воздуха. Из термодинамики известно, что чем больше температура воздуха, тем больше необходима работа для его сжатия. Поэтому для сжатия нагретого воздуха к компрессору необходимо подвести дополнительную механическую работу. Эта дополнительная работа необходимая для сжатия воздуха, температура которого повысилась из-за наличия гидравлических потерь, называется тепловым сопротивлением (ΔLтр.ст). Для ступеней существующих компрессоров ΔLтр.ст.=0,06·Lтр.ст.

Для снижения профильных потерь необходимо снижать шероховатость поверхности лопаток компрессора, изготавливать лопатки минимально возможной толщины.

Опасность концевых потерь состоит в том, что помимо затрат энергии на образования пограничного слоя, наличие этого слоя снижает эффективное проходное сечение проточной части компрессора. Поэтому снижается эффективность работы тех частей межлопаточных каналов, которые близко расположены к ротору и наружному корпусу. Причем наибольшие потери имеют место на последних ступенях компрессора, так как на этих ступенях максимальная толщина пограничного слоя и минимальная высота лопаток.

Для снижения концевых потерь необходимо снижать шероховатость поверхности деталей, ограничивающих прочную часть компрессора. Кроме того, для сохранения эффективности работы последних ступеней необходимо увеличивать высоту их лопаток (высота лопаток последней ступени должна быть не менее 15÷20 мм). У существующих компрессоров, имеющих увеличенную высоту лопаток последних ступеней, площадь проточной части компрессора в районе последних ступеней завышена. Вследствие этого абсолютная скорость воздуха на выходе из компрессора несколько меньше чем на входе.

Для снижения вторичных потерь необходимо уменьшить расстояние между лопатками. Выполнение

соотношения

t= (1,5 ÷ 2) b

(см. п.2.1.2.1) позволяет значительно снизить потери от вихреобразования в

межлопаточных каналах. Для снижения перетекания воздуха через зазор между лопаткой и корпусом компрессора необходимо уменьшить величину этого зазора. У существующих двигателей величина этого зазора составляет 0,4 мм и менее.

Нерасчетные и неустойчивые режимы работы ступени.

Ступень компрессора проектируется на один режим течения, называемый расчетным. Компрессор в составе двигателя работает во многих случаях с отклонением от расчетного режима, к которым приводят изменение частоты вращения ротора (разгон, торможение), изменение высоты и числа Маха полета. При отклонении от расчетного режима изменяются осевая и окружная скорости.

Изменение осевой и окружной скорости сказывается на величине угла атаки на лопатках рабочего колеса. Увеличение осевой скорости приводит к уменьшению, а уменьшение к увеличению угла атаки. Уменьшение окружной скорости уменьшает, а увеличение увеличивает угол атаки. Если изменения скоростей становятся значительными, достигаются критические углы атаки и в РК возникает отрыв потока.

Отрывная зона в осевой ступени охватывает обычно одновременно и колесо и частично направляющий аппарат. Поэтому отрывная зона вращается в сторону вращения колеса, но с угловой скоростью, меньшей угловой скорости вращения колеса.

Вследствие произвольных отклонений в геометрии отдельных лопаток и всегда имеющихся в реальных условиях асимметрии потока и крупномасштабной турбулентности срыв потока возникает не на всех лопатках одновременно. При этом напор, создаваемый попавшими в срыв лопатками, оказывается существенно меньшим, чем напор, создаваемый соседними элементами ступени, работающими еще без срыва. (Асимметрия и крупномасштабная турбулентность могут снижать критические углы атаки).

Из-за этого различия возникает тенденция к возвратному течению воздуха, сжатого нормально работающей частью лопаток колеса, через области срыва навстречу основному потоку, и во многих случаях действительно возникает такое течение.

В зоне срыва часто наблюдаются обратные токи воздуха, направленные навстречу основному потоку. В результате сильного дросселирующего действия мощной зоны срыва и больших потерь в ней расход воздуха через ступень и создаваемый ею напор после возникновения срыва резко падают.

В первых ступенях с относительно длинными лопатками, условия обтекания элементов, расположенных на разных радиусах, существенно различны. Поэтому здесь срыв обычно не захватывает сразу всю лопатку, а занимает сначала небольшую часть ее. В большинстве случаев критические углы атаки достигаются прежде всего в переферийных сечениях лопаток, где и располагаются первоначально возникшие зоны срыва. При этом обычно возникает не одна, а несколько (до шести, а иногда и более) равномерно размещенных по окружности зон срыва, которые вращаются со скоростью, равной 50-70% скорости вращения колеса. В зонах срыва наблюдаются обратные токи воздуха. Наличие срыва проявляется здесь лишь в снижении напора и снижении КПД ступени.

КПД ступени компрессора.

Отношение полезной работы к затраченной характеризует гидравлическое совершенство ступени и

называется КПД ступени (η_ст).

Полезная работа в ступени компрессора направлена на повышение давления воздуха и

проталкивание его по проточной части ступени. Такая работа, как было сказано выше*, называется

«политропическая работа движущегося газа» (Lпол.ст). Если при протекании воздуха через ступень не

происходит потерь энергии, то к воздуху не подводится образовавшееся вследствие этого тепло. Такой

процесс сжатия воздуха является адиабатным. Работа по сжатию и проталкиванию воздуха при

отсутствии потерь называется «адиабатная работа движущегося газа». Именно эта работа и является

полезной для ступени компрессора (Lад.ст).

Политропическая (Lпол.ст) и адиабатная работы движущегося газа (Lад.ст).связаны соотношением:

L_пол= L_ад+ L_тр (6.16)

Процессы, происходящие в ступени компрессора можно отобразить графически (рис.2.10). На

рисунке 2.10 точка «1» соответствует параметрам воздуха на входе в ступень (см. сечение 1 на рис.2.2,

2.3), точка «2» — в сечении между РК и НА, точка «3»— на выходе из ступени. В процессе сжатия

воздуха в ступени его давление возрастает (р↑), удельный объем уменьшается (v↓). Если бы сжатие

происходило без подвода тепла, параметры воздуха изменялись бы по графику 1-2ад-3ад. В этом случае

процесс сжатия был бы адиабатным и работа сжатия движущегося газа (Lад.ст) была бы эквивалентна

площади фигуры 1-3ад-в-а. Из-за наличия гидравлических потерь к воздуху подводится тепловая

энергия, потому параметры воздуха будут изменяться по графику 1-2-3. Вследствие этого работа сжатия

воздуха возрастает на величину теплового сопротивления (ΔLтр.ст). Величина ΔLтр.ст эквивалентна

площади криволинейного треугольника 1-3ад.-3. Значит, политропическая работа сжатия движущегося

газа будет эквивалентна площади фигуры 1-3-в-а

_ст=0,82 – 0,92.