Теория газотурбинных двигателей

Абсолютная скорость «с» на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника скоростей. Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.

Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток в обратную сторону. Форма лопаток подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости за ступенью соответствовало направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо. При этом, увеличивается поперечное сечение струи, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость потока в направляющем аппарате падает, а давление увеличивается.

Независимо от скорости набегающего на лопатки воздуха и формы проточной части, течение потока через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости потока в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Основными элементами центробежной компрессорной ступени являются рабочее колесо и диффузор, а характерными сечениями воздушного тракта – сечение перед рабочим колесом, сечение за рабочим колесом и сечение на выходе из диффузора. За диффузором могут быть установлены выходной канал или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону.

Рабочее колесо центробежного компрессора обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки.

В центробежной ступени можно получить значительно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступени, благодаря центробежным силам направленным по движению воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного превышает диаметр рабочего колеса осевого компрессора.

Недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в диагональной ступени. По своим параметрам она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью компрессора. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении воздушного потока в колесе от центра к периферии. Меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени.

Степенью повышения давления ступени компрессора называется отношение давления за ступенью к давлению на входе в рабочее колесо.

В осевых ступенях степень повышения давления обычно невелика и равняется 1,2…1,35. В центробежных ступенях степень повышения давления может достигать 4—6 и более.

С целью увеличения общей степени повышения давления применяют многоступенчатые компрессоры, в каждой ступени которых осуществляется повышение давления воздуха.

Адиабатический КПД ступени компрессора представляет собой отношение адиабатической работы повышения давления воздуха в ступени к затраченной работе Адиабатический КПД ступени осевого компрессора обычно равен 0,83—0,87, что свидетельствует об их высоком аэродинамическом совершенстве. Центробежные ступени имеют несколько меньшее значение адиабатического КПД – 0,75—0,80.

Расход воздуха через компрессор пропорционален плотности воздуха, скорости потока и площади проходного сечения.

Окружная скорость воздушного потока является важнейшим конструктивным параметром ступени компрессора двигателя, она ограничивается прочностью лопаток и диска рабочего колеса и газодинамическими соображениями.

По уровню скорости набегающего на лопатки воздуха осевые ступени разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и трансзвуковые (околозвуковые), в которых окружная или осевая скорости изменяются по радиусу изменяются по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой.

В реальных ступенях компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью статора всегда имеется конструктивный зазор [3]. При этом зазор на работающем двигателе отличается от монтажного зазора вследствие деформаций деталей ротора и статора под действием газовых сил и теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочие зазоры оказываются меньше монтажных.

Перетекание (утечка) воздуха через радиальные зазоры приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению давления на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени.

На работу ступени оказывают влияние и осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. Осевые зазоры между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата составляют примерно 15—20% хорды лопаток и также снижают эффективность работы ступени.

Основные параметры многоступенчатого компрессора

В теории газотурбинных двигателей обычно используются следующие параметры многоступенчатого компрессора:

а) степень повышения давления (отношение полного давления воздуха за компрессором к полному давлению перед компрессором);

б) секундный расход воздуха через компрессор;

в) частота вращения pотоpа компрессора;

г) адиабатический КПД компрессора.

Степень повышения давления в компрессоре ГТД равна произведению степеней повышения давления его отдельных ступеней.

В компрессорах современных авиадвигателей степень повышения давления компрессора доходит до 30 и более. Такие высокие степени повышения давления применяют для улучшения экономичности двигателя.

Дело в том, что в газотурбинных двигателях 70% тепла, введенного с топливом в двигатель, теряется с уходящими газами. Эти потери обусловлены вторым законом термодинамики (в двигатель засасывается холодный воздух, а выходит горячий).

При увеличении степени повышения давления в компрессоре соответственно увеличивается и степень понижения давления на тракте расширения газа в двигателе (во сколько раз воздух сжимается – во столько же раз газы расширяются). А чем больше степень понижения давления, тем ниже (при заданной температуре газа перед турбиной) температура уходящих газов и, следовательно, тем меньше потери тепла с уходящими газами.

Иначе говоря, с увеличением степени повышения давления воздуха степень полезного использования введенного в двигатель тепла увеличивается.

Ступени компрессора работают в разных условиях: они имеют разные окружные и осевые скорости, их лопатки обтекаются потоком с разными скоростями и т. д. Поэтому адиабатические работы сжатия воздуха в различных ступенях одного и того же компрессора могут существенно отличаться друг от друга.

В первых и в меньшей степени в последних ступенях работа заметно снижена по сравнению с работой приходящейся на каждую из средних ступеней.

В двухкаскадных турбореактивных двигателях используется компрессор, в котором ступени разбиты на два каскада, каждый из которых имеет самостоятельный привод от своей турбины. Первая по ходу воздушного потока группа ступеней называется компрессором низкого давления, а вторая – компрессором высокого давления.

Одна из особенностей двухкаскадного компрессора состоит в возможности увеличения частоты вращения группы ступеней каскада высокого давления в расчетных условиях (по сравнению с каскадом низкого давления). При этом адиабатическая работа сжатия воздуха в каждой из ступеней второго каскада может быть соответственно увеличена.

Характеристики компрессоров

В условиях эксплуатации двигателя высота, скорость полета, и частота вращения компрессора изменяются в широких пределах. При этом степень повышения давления, расход воздуха, окружные скорости, числа Маха и углы атаки на лопатках ступеней изменяются и отличаются от их расчетных значений. Это может явиться причиной значительного изменения потребляемой мощности и КПД компрессора, а в некоторых случаях – появления неустойчивости в его работе. Поэтому возникает необходимость в обеспечении устойчивости работы компрессора не только на расчетном, но и на других, нерасчетных режимах.

Зависимости, показывающие, как изменяются основные показатели работы компрессора – степень повышения давления и КПД при изменении частоты вращения компрессора и расхода воздуха называются характеристиками компрессора.

Зависимость степени сжатия компрессора от расхода воздуха называется напорной кривой.

По мере повышения давления в компрессоре повышается плотность воздуха, а массовый расход воздуха во всех сечениях компрессора, естественно, постоянен. Следовательно, по мере повышения плотности необходимо уменьшать площадь проходного сечения газового тракта.

Снижать осевую скорость, практически, нельзя.

Нецелесообразно беспредельно уменьшать высоту лопатки (проходную площадь компрессора), так как ступени с маленькими лопатками будут иметь недопустимо низкий КПД. Все это приводит к тому, что в авиационном компрессоре одновальной схемы нельзя получить степень повышения давления более 10—14.

В многокаскадных компрессорах частота вращения каждого последующего каскада больше предыдущего. Увеличение числа каскадов усложняет конструкцию компрессора и увеличивает его массу, поэтому в современных компрессорах число каскадов не превышает трех.

В условиях эксплуатации значения полного давления и температуры заторможенного потока воздуха на входе в компрессор двигателя могут изменяться в зависимости от атмосферных условий, скорости и высоты полета, потерь в воздухозаборнике и т. д. Эти изменения будут влиять на характеристики компрессора.

Расход воздуха изменяется пропорционально изменению давления, т. е. плотности воздуха на входе.

При уменьшении температуры воздуха на входе в компрессор массовый расход воздуха и степень повышения давления возрастают. Рост расхода воздуха при уменьшении температуры на входе в компрессор обусловлен увеличением плотности воздуха. Более холодный воздух может быть сжат до более высокого давления, что и влечет за собой возрастание степени сжатия при уменьшении температуры.

Изменение осевой скорости сказывается на величине угла атаки потока на лопатках рабочего колеса. Увеличение осевой скорости приводит к уменьшению угла атаки. Уменьшение осевой скорости, наоборот ведет к увеличению угла атаки и к увеличению закрутки воздуха в рабочем колесе.

Из-за превышения критических углов атаки в лопаточных венцах ступени возникает срыв потока, следствием которого могут явиться серьезные нарушения нормальной работы компрессора в эксплуатации.

Характеристики многоступенчатых компрессоров аналогичны характеристикам их ступеней. Но в то же время они имеют ряд особенностей, определяемых условиями совместной работы ступеней в многоступенчатом компрессоре.

Площадь проточной части многоступенчатого компрессора уменьшается от ступени к ступени. В нерегулируемом компрессоре соответствие между площадями проходных сечений и изменением плотности воздуха достигается только на расчетном режиме. На нерасчетных режимах это соответствие нарушается.

Условия совместной работы ступеней в нерегулируемом компрессоре определяются равенством расхода воздуха и частот вращения для всех его ступеней.

Всякое изменение степени повышения давления в компрессоре (или в какой-либо части его) неизбежно будет сопровождаться изменением коэффициентов расхода в различных ступенях.

Неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров