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

	Необходимо отметить, что чем
	больше расчетное значение	расч »
	тем больше смещается влево ра­
	бочая точка первой ступени при
	уменьшении лпр. Поэтому комп­
	рессоры с большими расч имеют
	меньший диапазон устойчивых
	режимов, чем компрессоры с не­
	большими т£.расч. Как показыва­
	ют результаты исследований, при		Рис. 7.12. Характер изменения линий
	ni пягЧ~ 6 линия рабочих режимов
			рабочих режимов для компрессоров с
	к.расч
	располагается приблизительно эк­		различными Як.расч •
	видистантно границе устойчивых		1 — Я к .расч< 6 ; 2 — 7С*.расч= 6 ;
			3 — 7Ск.расч> 6
	режимов (линия 2 на рис. 7.12).
	При низких л* расч (линия 1)	ЛРР должна удаляться от ГУР с умень­

шением Gnp (т.е. диапазон рабочих режимов увеличивается), при высоких значениях тс* расч(линия 3) ЛРР приближается к ГУР, тем самым сокращается диапазон рабочих режимов. Поэтому в системе ТРД и ТРДД осевой компрессор, имеющий высокое значение л* расч (высоко­ напорный компрессор) не может работать без специальных средств регулирования. Однако необходимо отметить, что применение двухка­ скадных компрессоров позволяет и при высоких 7С^ расчрасширить ди­ апазон ппр, в пределах которого компрессор будет работать устойчиво

без специальных систем регулирования. Расширение запаса устойчи­ вой работы происходит потому, что первый и второй каскады работают

как самостоятельные компрессоры с невысокими расч >а это расши­ ряет диапазон рабочих режимов. Другими словами, в высоконапорном одновальном компрессоре происходит рассогласование ступеней из-за изменения са в первой и последней ступенях. В этом случае необхо­ димо, чтобы первая ступень имела бы меньшую частоту вращения, тог­ да С\а возросло бы, а последние ступени — большую частоту враще­ ния, тогда сак снизилось бы. Коэффициенты расхода в первой и по­

следней ступенях мало бы изменились. В двухвальных компрессорах второй каскад имеет повышенную частоту вращения (см. разд. 2.4), что уже снижает сак в последней ступени. Кроме того, при переходе на пониженные расходы в двухвальном компрессоре частота вращения ротора первого каскада автоматически снижается быстрее, чем второ­ го (происходит скольжение роторов). Это объясняется тем, что на

первой ступени снижение Cja приводит к увеличению угла атаки, а на последней ступени рост сак приводит к уменьшению угла атаки. В ре­

зультате мощность, потребная для вращения первого каскада, увели­ чивается (т.е. первые ступени «затяжеляются»), а мощность, необхо­ димая для вращения второго каскада, уменьшается. Поэтому частота вращения ротора первого каскада снижается быстрее, чем частота второго. В таких условиях первые и последние ступени в меньшей сте­ пени отклоняются от расчетного режима, чем в одновальной схеме, и первая ступень первого каскада не попадает в зону неустойчивых ре­ жимов, т.е. в зону помпажа.

Отметим, что на расширение зоны устойчивой работы компрессо­ ра сильно влияет правильность выбора расчетного режима компрессо­ ра. Так, если выбрать в качестве расчетной точки не точку на макси­ муме кривой характеристики, а точку на правой ветви, то при сниже­

нии С?пр характеристика пойдет в сторону повышения КПД и пк и поз­ днее по режимным параметрам компрессор попадет в зону помпажа. Такой подход естественно приводит к снижению КПД компрессора на расчетном режиме. Однако рациональный выбор расчетного режима компрессора расширяет диапазон лпр, в пределах которого умеренно

снижается КПД и появляются неустойчивые режимы. Это особенно важно, так как эксплуатация авиационных компрессоров происходит в широких диапазонах по лпр и Gnp. В табл. 7.1 приведена относитель­

ная приведенная частота вращения компрессора в зависимости от по­ летного числа Маха Mv .

							Таблица 7.1
Му	0,9	1.0	1,28	1,5	1,7	2,0	2,5	3,0
^пр» %	108,2	107	100	95,6	91.5	86	77	69

Относительная приведенная частота вращения япр представляет

собой отношение приведенной частоты вращения при произвольном числе Мк к приведенной частоте вращения при Mv = 1,28 на Н> 11 км.

Как видно из таблицы, при изменении режима полета от Му = 1,28 до Мк = 3,0 приведенная частота вращения уменьшается приблизи­ тельно на 30%. Если в качестве расчетного режима выбрать режим, соответствующий Мк = 3,0, то при переходе от Мк = 3 до Мк = 1,28 (т.е. при увеличении лпр) в первых ступенях компрессора произойдет увеличение са и чисел Маха в решетках, а в последних — уменьшение са Таким образом, при полете с меньшими по сравнению с расчетны-

ми скоростями коэффициенты расхода и числа Маха в решетках сту­ пеней компрессора примут недопустимо высокие значения. Рабочий режим компрессора попадет в зону сгущения, когда характеристики его почти вертикальны.

Поэтому если компрессор предназначается для двигателя, обеспе­ чивающего полеты самолета на больших скоростях, то целесообразно в качестве расчетного принимать некоторый промежуточный режим, соответствующий, например, Мк = 1,5—1,7 или ппр = 0,91—0,95. Тогда увеличение или уменьшение числа Маха полетного (лпр) будет вызы­

вать относительно меньшее перемещение режимов работы отдельных ступеней по отношению к расчетному и приводить к более умеренно­ му снижению КПД на режимах nnpmin и ^пршах-

Если компрессор предназначен для двигателя, обеспечивающего полеты самолета с дозвуковыми полетными числами Маха, то в каче­ стве расчетного режима обычно принимаются земные условия, т.е. Н =0, Ми = 0.

7.5.РЕГУЛИРОВАНИЕ КОМПРЕССОРОВ

Впроцессе работы компрессора в системе ТРД или ТРДД возни­ кает необходимость в изменении рабочей области характеристики компрессора, которая бы обеспечивала на новом режиме работы дви­ гателя требуемые напор, расход, КПД и запас устойчивой работы.

Характеристики компрессора позволяют определять его парамет­ ры на нерасчетных режимах. Однако задача состоит не только в том, чтобы узнать на сколько ухудшаются показатели, но и в том, чтобы улучшить эти показатели на нерасчетных режимах. Поэтому главной задачей регулирования является смещение рабочей точки характери­ стики в другую область с тем, чтобы удовлетворялись требования, предъявляемые в данном случае к компрессору. Применительно к осе­ вому компрессору главную задачу регулирования можно сформулиро­ вать следующим образом: уменьшение рассогласования отдельных ступеней на нерасчетных режимах с целью обеспечения нормальной работы компрессора во всех условиях его эксплуатации.

Известен ряд способов регулирования компрессоров. Так, регули­ рование можно осуществлять за счет изменения частоты вращения ро­ тора компрессора, дросселирования, поворота лопаток рабочих колес

инаправляющих (спрямляющих) аппаратов и лопаток диффузоров, перепуска воздуха из промежуточных ступеней многоступенчатого осевого компрессора. Каждый из перечисленных способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. Изменение частоты враще­ ния и дросселирование (т.е. изменение расхода через компрессор пу­

тем постановки специальных заслонок на входе или выходе) являются достаточно простыми способами для их реализации. При этом геомет­ рия компрессора и его исходная характеристика не меняются. Однако дросселирование очень неэкономичный способ и практически не ис­ пользуется, за исключением применения в небольших центробежных компрессорах.

Поворот лопаток, как рабочих, так и направляющих, приводит к из­ менению геометрии компрессора и его исходной характеристики и яв­ ляется наиболее эффективным способом. Но поворот рабочих лопаток очень сложен в конструктивном исполнении.

Перепуск воздуха из промежуточных ступеней осевого компрессо­ ра реализуется достаточно просто. При этом геометрия проточной ча­ сти компрессора остается неизменной, но нарушается подобие проточ­ ной части компрессора в промежутке между входом и выходом, так как расходы в этих сечениях становятся разными. Это приводит к измене­ нию исходной характеристики.

Практически широкое распространение в авиационных компрессо­ рах получили три способа регулирования:

варьирование частотой вращения ротора; использование устройства для перепуска воздуха из промежуточ­

ных ступеней компрессора за турбину ТРД или во второй контур ТРДД;

применение поворотных лопаток направляющих (спрямляющих) аппаратов.

Рассмотрим суть каждого из этих способов. Управление режимом работы компрессора осуществляют воздействием на мощность турби­ ны компрессора. При уменьшении мощности турбины (снижении тем­ пературы газа перед турбиной) частота вращения компрессора уменьша­ ется и рабочая точка по ЛРР (см. рис. 7.6) перемещается из точки А

<п пр.расч= Ю0%) в точку Б (ппр= 80% от Лпр.расч)* При этом G и л* уменьшаются. При увеличении мощности турбины рабочая точка компрессора переместится по ЛРР вправо от точки А (см. рис. 7.6). При этом и G возрастут. КПД Г|к в зависимости от положения рас­ четной точки может при этом и уменьшиться, и Увеличиться.

Важно подчеркнуть, что при увеличении ппр больше расчетных, ЛРР довольно быстро приближается к границе устойчивости (см. точ­ ку К на рис. 7.6). Приближается она к границе и э области малой ча­ стоты вращения (см. точку Н на рис. 7.6). ПомпаЖПые режимы недо­ пустимы, поэтому в автоматике управления компрессором предусмот­ рен жесткий фиксатор, ограничивающий предельную частоту враще­ ния компрессора на уровне (1,1—1,15)лпр расч, и устройство, включаю­ щее перепуск воздуха в области малой частоты вращения.

Рис. 7.13. Схема перепуска воздуха в осевом компрессоре

Способ регулирования компрессора перепуском воздуха через окна в корпусе компрессора используется главным образом при запу­ ске высоконапорных однокаскадных компрессоров (малые физические обороты ротора) или при полете на больших числах Ми, т.е. на режи­ мах с пониженным лпр . Как видно из рис. 7.6, в точке Н линия рабочих режимов выходит на границу устойчивости. При частоте вращения, меньшей чем лпр , в точке Н устойчивая «безпомпажная» работа ком­ прессора невозможна. Физически это объясняется двумя причинами. Из-за малых окружных скоростей и расходов воздуха и соответственно малых осевых скоростей напор (3.14) в первых ступенях компрессора оказывается небольшим. В итоге воздух, прошедший через первые сту­ пени, имеет малую плотность и не в состоянии пройти через средние ступени с более короткими лопатками. Средние ступени как бы запи­ раются. Кроме того, малые са вызывают на лопатках первых ступеней

критические или даже сверхкритические углы атаки и соответственно срыв потока и помпаж. Как же в этих условиях запустить компрессор и вывести его на устойчивый рабочий режим?

Решить эту задачу позволяют клапаны или ленты перепуска воз­ духа. Перед «запирающей» ступенью (обычно это четвертая или пятая ступень) в корпусе компрессора делают несколько окон — отверстий, перекрываемых стальной лентой (рис. 7.13). В момент запуска отвер­ стия открыты. Через первые ступени проходит повышенный расход воздуха G, часть из которого (до 25%) перепускается (Gnep) и не по­ падает в средние ступени (Gcp = GK= G -G nep). В итоге скорость са в первых ступенях возрастает, снижают­ ся углы атаки, возрастают и плот­

ность воздуха с увеличением оборо­ тов. Кроме того, перепуск воздуха вы­ водит средние ступени из режима за­ пирания. По мере раскрутки ротора средние ступени оказываются в состо­ янии пропускать все большие и боль­ шие расходы воздуха.

По мерс раскрутки ротора клапаны перепуска прикрываются. На­ конец, когда приведенная частота вращения достигнет величины лпр= (1,1—'М5)ппр(//) , т.е. на 10—15% превышающей частоту враще­ ния в точке Н (проверяется по запасу устойчивой работы), клапаны пе­ репуска наглухо закрывают окна (Gnep= 0 и G = Gcp = GK).

Следует отметить, что располагать перепускное устройство сразу за первой ступенью не целесообразно, так как перепад давлений будет мал и эффективность перепуска незначительна. Располагать же его

близко к последним ступеням очень неэкономично, так как в этом слу­ чае перепускается воздух, на который уже затрачена большая работа, а полезной отдачи нет. Поэтому обычно перепуск делается в зоне средних ступеней, и целесообразно организовывать его через несколь­ ко рядов окон, расположенных за разными ступенями и открывать их не одновременно. Наличие перепускных окон приводит к нарушению потока в этой зоне, и поэтому в этих местах возможны местные срывы потока и вибрация лопаток. Для предотвращения этих явлений увели­ чиваются осевые зазоры между ступенями в зоне расположения пере­ пускных окон.

В заключение отметим, что постановка перепускного устройства улучшает работу первых и последних ступеней, т.е. перемещает их ра­

бочую точку характеристики при п = const в зону больших я* и г|к . На

ступени, расположенные до перепуска (за исключением первой), его влияние будет различным в зависимости от того, на левой или правой ветви характеристик будет находиться рабочая точка ступеней.

Регулирование осевых компрессоров с помощью поворотных лопаток осуществляется для сохранения запасов устойчивой работы компрессора и высокого КПД при изменении расхода воздуха. Физи­ чески это достигается тем, что при увеличении углов атаки из-за из­ менения G (са) лопатки направляющего аппарата поворачивают так,

чтобы угол атаки исчез (принял исходную величину). Поворот лопаток происходит так же, как и перепуск воздуха при пониженной приведен­ ной частоте вращения ппр.

Рассмотрим для примера рис. 7.14. Расчетный входной треуголь­ ник скоростей изображен сплошными линиями. Поток натекает на ра­ бочие лопатки с расчетным углом PJp, осевая скорость с\ар соответст­ вует расчетному расходу Ср , окружная скорость ир . Пусть при п = const (и =ыр) (рис. 7.14,а) расход воздуха через компрессор умень­ шается, т.е. G < Gp и соответственно С\а < Cjflp. При этом угол Pi станет меньше Pip, возрастет положительный угол атаки i = Р^ - Pi и процесс

приблизится к границе срыва на спинке лопаток рабочего колеса. При возрастании угла атаки, но до наступления срыва Напор в ступени ком­ прессора НТ = и (W \U - M>2и) растет в связи с увеличением W\u >W\Up

Соответственно увеличивается и я*ст> Лк.ст.р- Следовательно, соглас­ но формуле (7.10) коэффициент устойчивости

(7Г*/(7)гур

*Ус т ~

(*£/Ф лрр

НА

Рис. 7.14. Треугольники скоростей и схема поворота НА при изменении расхода возду­ ха через компрессор:

а — неподвижный НА; б — поворотный НА

резко уменьшается из-за роста (7i*/G)j]PP

< С?р ;

р). Значит,

уменьшается и запас устойчивости ААгуст. Чтобы этого не произошло,

лопатки направляющего аппарата поворачивают (рис. 7.14,6) в данном случае против часовой стрелки. При таком положении лопаток НА угол натекания потока Pi на рабочие лопатки становится равным рас­

четному (Pip = Piл) ; угол атаки приобретает расчетное значение

/р = Piл - Pip ; напорность ступени и л* уменьшаются; восстанавливает­ ся запас устойчивой работы ААгуст. При увеличении расхода воздуха G лопатки НА поворачивают в другую сторону так, чтобы при новом расходе воздуха и при и = const угол натекания оставался примерно тем же, т.е. Pi - const. Таким образом, поворотом лопаток как бы осу­ ществляется переход к другому компрессору с большим АА:уст. Следу­ ет заметить, что при наличии поворотных лопаток НА можно при за­ пуске обойтись без перепускного устройства. Однако поворот лопаток только одного входного НА в высоконапорных компрессорах оказыва­ ется малоэффективным, так как при изменении G нерасчетные углы атаки появляются сразу в нескольких первых ступенях. Поэтому пово­ ротные лопатки направляющих аппаратов делают в трех-четырех пер­ вых ступенях, а иногда и в большем числе ступеней.

Рис. 7.15. Влияние регулирования сту­ пеней на КПД компрессора:

/ — нерегулируемые ступени; 2 — ступени с поворотным ВНА; 3 — сту­ пени с поворотными лопатками в не­ скольких направляющих аппаратах

На рис. 7.15 показан характер влияния числа регулируемых ступе­ ней на КПД компрессора. В нерегулируемом компрессоре (кривая 1) при пониженных значениях лпр КПД существенно снижается из-за рас­

согласования ступеней. Поворот лопаток ВНА незначительно увели­ чивает г|к (кривая 2). Применение поворотных направляющих лопаток в нескольких первых ступенях (кривая 3) позволяет в широком диапа­ зоне приведенной частоты вращения сохранять КПД компрессора на уровне, близком к расчетному. Сле­ дует заметить, что при изменении режима работы компрессора наи­ большее отклонение от расчетных условий испытывают первые и по­ следние ступени компрессора, од­ нако требования к улучшению их работы на нерасчетных режимах противоположны. Так, при измене­ нии ппр ниже расчетных для расши­ рения зоны устойчивой работы тре­ буется уменьшить угол установки НА первой ступени и в то же время увеличить угол установки для по­ следней ступени. Поэтому лопатки направляющих аппаратов первых и последних ступеней при одних и

тех же условиях необходимо поворачивать в разные стороны, что сле­ дует из работы первых и последних ступеней на нерасчетных режимах. Отсюда и особенности регулирования первых и последних ступеней. Так, поворот лопаток направляющих аппаратов в первых ступенях при пониженной частоте лпр служит для увеличения запаса устойчивости, в последних ступенях при этих условиях — для увеличения произво­ дительности. При повышенной приведенной частоте вращения в пер­ вых ступенях поворачивают НА для увеличения производительности (расхода), в последних — для повышения запаса устойчивости.

В заключение отметим, что регулирование ЦБК может осуществ­ ляться не только за счет поворота лопаток диффузора, как это отме­ чалось в начале данного раздела, но и за счет поворота лопаток на­ правляющего аппарата, устанавливаемого перед рабочим колесом, т.е. изменением закрутки потока на входе в рабочее колесо (cΣ/).

7.6.РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПРЕССОРОВ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ЛИНЕАРИЗАЦИИ

ИМОДЕЛИРОВАНИЯ

Аналитический расчет характеристик осевых компрессоров пред­ ставляет собой весьма трудоемкую задачу даже при использовании ЭВМ. В то же время характеристики компрессора необходимо знать еще до того, как компрессор будет построен и испытан.

Существует несколько приближенных методов расчета характери­ стик. Приведем метод, разработанный Р.М. Федоровым [6]. Он бази­ руется на анализе статистических данных по суммарным эксперимен­ тальным характеристикам осевых компрессоров и их отдельных ступе­ ней.

Наблюдения показали, что при изменении расхода воздуха через ступень компрессора затраченный напор Н2 меняется практически ли­

нейно (линия а—а на рис. 7.16) во всем диапазоне изменения расход­ ной составляющей скорости са на

входе в ступень, от Ciflmin на грани­ це устойчивости до с1а max на грани­

це запирания. Анализ суммарных характеристик осевого многосту­ пенчатого компрессора показал, что существует аналогия между сум­ марной характеристикой компрес­ сора (при ппр= const ) и характери-

сlamin сta opt сia mat са

Рис. 7.16. Изменение затраченной ра­ боты и КПД ступени осевого компрес­ сора при различной осевой скорости воздуха и n = const

стикои ступени, если пользоваться средней по компрессору осевой скоростью воздуха:

С«ср ; срсРср

(7.15)

F +F

Здесь Fcр = — -— — среднее значение площади кольцевого сечения

Z

проточной части компрессора; рср= VpBXрк — среднегеометрическое значение плотности воздуха на входе в компрессор рвх и на выходе из него рк .*

*См. сноску на стр. 77.

(7.16)

Clflcp" U.	F c p	Рср и к

где ик — окружная скорость на периферии лопаток первой ступени. При известных параметрах компрессора в расчетной точке Л (см.

рис. 7.6) расчет и построение напорной кривой я* =/(Спр)л = consl и кривой изменения КПД Лк = /( 0 ^ ) ^ = const выполняется в следующей последовательности:

1.Выбирается лпрь, равное, например, расчетному значению лпрр

2.Выписывается значение КПД в расчетной точке ЛкО~ЛкОтах> а также другие необходимые для расчетов известные величины в рас­ четной точке (индекс «О»):

приведенный расход воздуха С7про ;

степень повышения давления в компрессоре я£д ;

изоэнтропная работа компрессора L ^ Q: число ступеней компрессора zCT;

параметры воздуха на входе в компрессор P ÎQ, Т\о;

параметры воздуха на выходе из компрессора р£о, 7^о ; приведенная окружная скорость первой ступени ^кпро= я£)1Сппро. 3. Рассчитывается среднее значение коэффициента напора ступени

LKSO

^ст ^к.пр О

4. С помощью графика 5д =/(Яср0) (рис. 7.17,а) по величине # ср0 определяется вспомогательная величина 80, отражающая крутизну из­ менения затраченной работы компрессора LK. Если приведенная ок­ ружная скорость превышает 260 м/с, то необходимо учесть поправку AtgO (рис. 7.17,6). В этому случае 8 = 8o + AtgO.

5. Вычисляется среднее значение коэффициента расхода в расчет­ ной точке:

г	Go		. г.:— :—	Р\О
Са с р 0 ~ р	_	“ кО	) гДе РсрО- ’ РЮ РкО > РЮ —
•'ср Рср 0				R 4 О