книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет

Ю А. РЖАВИН

ОСЕВЫЕ И ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Теория, конструкция и расчет

Под ред. проф. В.И. Локая

Рекомендовано Государственным комитетом Российской Федерации

по высшему образованию в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Авиа- и ракетостроение специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки*

Москва Издательство МАИ 1995

П освящ ается памяти п р оф ессор а Г .С . Ж и р и ц к о г о — о с н о в а т е л я к аф едр ы «Т урбом аш ины * К азан ­ ского авиац ион ного ин сти тута

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемый учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплину «Теория, конструкция и расчет комп­ рессоров авиационных ГТД». Учебник базируется на общенаучных (мате­ матике, физике) и общеинженерных (механике, термодинамике, газовой динамике, сопротивлении материалов и др.) дисциплинах.

Изучение теории, расчетов и конструкции компрессоров деталей летательных аппаратов в одном курсе позволяет студентам более пол­ но и комплексно представить проблемы, стоящие перед создателями компрессоров и подготовиться к выполнению курсового проекта, учеб­ но-исследовательской работы и заключительному дипломному проек­ тированию.

В книге представлена классификация авиационных компрессоров: осевых, центробежных, диагональных и др. Достаточное внимание уделено физике явлений при течении воздуха в неподвижных и вра­ щающихся каналах лопаточных решеток. Детально изложена методи­ ка аналитических расчетов компрессоров по средним теплоемкостям, в том числе с помощью газодинамических функций. В объеме, необ­ ходимом для практического применения, приведен также эффектив­ ный метод расчета высоконапорных компрессоров с учетом перемен­ ных теплоемкостей на базе понятий о термодинамических функциях.

Достаточно полно рассмотрены теория ступени осевого компрес­ сора и основы расчета пространственного потока в них, теория и рас­ чет центробежного компрессора, характеристики осевых и центробеж­ ных компрессоров и их приближенные методы расчета, основы газо­ динамического расчета осевого многоступенчатого компрессора по методам плоских компрессорных решеток и полного моделирования, конструкция основных деталей и узлов осевых и центробежных комп­ рессоров, способы регулирования радиального зазора в ступенях ком­ прессора, а также даны методики расчета на прочность основных де­ талей авиационных компрессоров.

Отличительной особенностью учебника является использование во всех сложных расчетах методик, удобных для применения ЭВМ.

Кроме того, даны вопросы и задачи для самостоятельной подготовки студентов по материалам каждой главы.

Учебник соответствует принятой в Казанском государственном техническом университете (КГТУ) и выдержавшей испытание време­ нем методологии, по которой в едином учебном курсе рассматривают­ ся как вопросы теории рабочего процесса в компрессорах и турбинах, так и вопросы конструкции и расчетов на прочность.

Автор приносит искреннюю благодарность сотрудникам кафед­ ры турбомашин КГТУ за помощь, оказанную в период подготовки материалов, включенных в книгу, а также рецензентам: профессору О.Н. Емину и заведующему кафедрой «Авиационные двигатели» УГАТУ профессору А.М. Ахмедзянову и доцентам В.П. Алаторцеву и В.Ф. Харитонову.

а— скорость звука, м/с

а,ф — критическая скорость звука, м/с

М— число Маха

V— скорость полета, м/с

с— скорость воздуха в абсолютном движении, м/с R — газовая постоянная, Дж/(кг • К)

Re — число Рейнольдса

S— энтропия газа, Дж/К

s — осевая ширина лопатки, м

i— энтальпия газа, Дж/кг

Т— температура, К

и— окружная скорость колеса, м/с

w — относительная скорость воздуха, м/с

р— плотность, кг/м3

со — угловая скорость, рад/с Рст — степень реактивности

— степень повышения давления в компрессоре

X — приведенная скорость

a, P — углы потока в абсолютном и относительном движении, град

А: — показатель изоэнтропы

п— частота вращения, с“ 1

Р— давление, Па

т— масса, кг

Е— модуль упругости, Н/м2

Р— сила, Н

г— радиус, м

Л— коэффициент полезного действия

а— коэффициент восстановления давления

ИНДЕКСЫ

*— параметры изоэнтропически заторможенного потока (полные параметры)

—относительные параметры

л— лопатки

прессор и турбина являются основными элементами. Первый отече­ ственный турбореактивный двигатель с осевым компрессором был разработан и построен в Ленинграде (1939 г.) под руководством А.М. Люлька. Им же в 1938 г. был получен патент на широко распро­ страненный в настоящее время турбореактивный двухконтурный дви­ гатель (ТРДД).

В авиации компрессоры применяются и во вспомогательных агре­ гатах — пусковых устройствах для основного газотурбинного двигате­ ля (турбостартерах), устройствах для обеспечения летательного аппа­ рата сжатым воздухом (турбокомпрессорах).

Несмотря на то что осевые и центробежные компрессоры исполь­ зуются в авиации уже достаточно давно, вопросы разработки эффек­ тивных методов их расчета и проектирования с целью создания эконо­ мичных и высоконапорных компрессоров остаются актуальными и в настоящее время.

Глава 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ТУРБОМАШИН

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ ТУРБОМАШИН В ДЛА

Чтобы уяснить место и назначение турбомашин среди двигателей летательных аппаратов (ДЛА), необходимо рассмотреть принципиаль­

ляет в камеру сгорания КСГ. Сюда же через форсунки впрыскивается топливо, подаваемое из бака Б на­

сосом 77. Выделяемая при сгорании топлива тепловая энергия повыша­ ет температуру рабочего тела — газа (процесс 2, 5). Из камеры сгора­ ния газ входит в турбину Г, где давление его снижается (в рассматрива­ емом случае до атмосферного) (про­ цесс 5, 4). Процесс 4, 7 соответст­ вует замене горячих продуктов сго­ рания, выходящих из турбины (точ­ ка 4), холодным воздухом, который всасывается компрессором (точка 7).

Повышение давления воздуха в компрессоре требует затрат меха­ нической работы. При расширении газа в турбине на ее валу получа­ ют мощность. Эта мощность ока­ зывается большей, чем требуется

на привод компрессора и насоса. Рис. 1.2. Цикл ГТД на р, К-диаграмме

Таким образом образуется свободная мощность (энергия), которая и используется для создания тяги двигателя (в рассматриваемом случае с помощью воздушного винта В).

Следовательно, назначение авиационного компрессора — повы­ шать давление атмосферного воздуха и подавать его в требуемом ко­ личестве потребителю. В этом и состоит его полезный технический эффект. Авиационная газовая турбина производит механическую ра­ боту на валу. Насосы служат для подачи потребителю жидкостей (топливо, окислитель, масло) в требуемых количествах и заданных па­ раметров.

Рассмотрим некоторые общие для всех типов турбомашин вопросы.

1.2. УПРОЩЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ТУРБОМАШИНЫ

Реальный поток рабочего тела в проточной части турбомашин су­ щественно неравномерный и по окружности, и по высоте. Имеют место вихревые течения у цилиндрических поверхностей, ограничивающих проточную часть и за кромками каждой из лопаток. В качестве контрольных сечений в ступени компрессора (рис. 1.3,а) прини­ маются сечения: 7-7 на входе в рабочее ко­ лесо ступени, 2-2 на выходе из рабочего колеса, 3-3 на выходе из ступени. В этих сечениях фактически существуют неустановившиеся поля скоростей и неравномер­

ное поле всех других параметров.