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

п	Рк0 .	Г - r	10	д / 288,
			Pl°
РкО”	Я71кО»	^О^^прО 101300		' TÙ
ик0 “		—Т^к^прО	2gg |

и выбирается 4— 6 значений саср1*в диапазоне саср| = (0,8—1,5)сасро 6. Вычисляется для каждого из

них относительная величина за­ траченной работы компрессора

r c •

i ~ Lxi/LKQ- 1 - 5 Cfl cpt _ J cp 0

7. Находится соответствующая затраченной работе Lи- степень по­ вышения температуры воздуха

( гр*

Т *

	Ü = j T = l +	? 4 - i	^к/ “
	ЛВ1	П о
	= 1+ (< 0- 1 ) ^ ,		(7.17)
	* кО			Рис. 7.17. Зависимость LK= ■			от
где тк0= -
				Са	L%opt
	•10
	8. С помощью статистических			Саopt	__	при
				а — значения 6 o = ( t g O ) o =Л#сРо )
данных по рис. 7.18 находятся вели-				малых окружных скоростях; б — при-
м	у	"	__	ращение tg Ф при ик > 260 м/с

чины изменения потерь энергии LRi

вкомпрессоре при изменении коэффициента расхода cacpi.

9.В каждой из точек рассчитываются искомые значения КПД

=

(7.18)

и степень повышения давления

к
к -	1	(7.19)
л к i “ £ ^ + (тк i I )Л кI ]

10. вычисляются приведенные расходы воздуха, соответствующие выбранным значениям саср{*:

	'с ,а ср/	Л / Гск i /	тк i	(7.20)
	^п р i ~ ^прО
	са срО	я к0 /	тк0
		По полученным данным строит­
		ся расчетная напорная кривая
		=/i(Gnp) и кривая изменения КПД
		Лк=/2«7Пр) Д«*я выбранного лпр0.
		11.
		вых < = /!(С пр)		и Лк=/2(^Пр) Для
		других значений Ппр проводится
		аналогично, если известны основ­
		ные параметры компрессора на оп­
		тимальном режиме Для выбранных
		значений лпр (т.е. при Лк/шах)- Зти
		данные могут быть Известны в ре­
	Рис. 7.18^3ависимость потерь в комп­	зультате проведенных испытаний
	рессоре L R о т коэффициента расхода	компрессора или же получены рас­
	Саср
		четным лутем		с использованием

имеющихся обобщающих зависимостей. Для этого задается диапазон

значений Япр,= пр/, в котором необходимо выполнить расчет харак-

п пр0

теристик. Следует отметить, чта в этом случае ДПро = ^ Для каждого выбранного значения лпр/- определяется: КПД на оптимальном (для данного ппр,- ) режиме

Лк i max~ ЛкО Лк max »

где Лк max находится по графику (рис. 7.19); средний коэффициент расхода

c a opt / ~ c a cp 0 c a opt / »

где caopii находится по графику (рис. 7.20,a);

относительное значение коэф­ фициента затраченной работы

	opt / = ^ +	opt»
где AL^opt	находится	по	графику	Рис. 7.19. Относительное изменение
(рис. 7.20,6);	8 = 50 + Atg<I>,		8Q д л я	максимального КПД нерегулируе­
				мых компрессоров в зависимости от

	данного компрессора во всем диапа­	приведенной частоты вращения при
		различных значениях тг^расч
	зоне рабочих режимов постоянное.

Поправка Atg<I> определяется по графику рис. 7.17,6 с учетом того, что ик.Пр= ик ПропПр; ;

степень повышения температуры

^к opt / ^ ^ (ЛсО ^)^пр/npt ^KOptJ :

степень повышения температуры воздуха в компрессоре в адиабатиче­ ском процессе

*♦

opt/ = 1 + (Ч opt/ “ 1) Лк / max

и пкори = екори 1 в оптимальной точке напорной кривой.

12. Для определения плотно­ сти тока ^(Хд), соответствующей

выбранным значениям ппр(*, реша­ ется система уравнений:

Я(К) _ ^в ^ЧопИ Я(К) FK 7Ск*ор,(

_2	Г С	. Л 2	0,6 0,1 0,8 0,9 1,0 ппр
	c flopti
^в ^тс= ^в0 ^тсО л пр /	Са срО		б
			Рис. 7.20. Влияние лПр на параметры не­
			регулируемого осевого компрессора:
			а — изменение оптимального значения
тк0			коэффициента расхода саopt ; б — изме­
*			нение коэффициента затраченной рабо­
Лсор1/			ты U на оптимальных режимах

Правые части этих уравнений известны из ранее приведенных рас- q(kх)

четов. Поэтому, если обозначить	= Q и W = P,	то принимая
в первом приближении X* = VP/Q	и соответственно	=	вы~

числяем qiX j/qQ ^ = Q'. Если различие между Q и Q превышает до­ пустимую погрешность, то задаемся новым значением ^в.Нов= ^вх

, после чего снова определяем ^к.НОв= ^^в.нов и Q" =

_ qQbтс.нов) и т.д.

^(^в.нов^ Полученная таким методом плотность тока позволяет определить

приведенный расход воздуха на оптимальном режиме для лпр,= const :

_ <?(^в)»прI

G np(nnpi) - °прО д(Хв)о

Расход воздуха на оптимальных режимах, соответствующих ппр|-, можно также оценить по средним значениям коэффициента расхода в оптимальной точке кривой при лпр1- = const. Из уравнения расхода на­

ходим

Ф = са opt/ ^ср Рср / ^кО*bipI »

где

/--------	Pio	Pmi
РсР*=^РиРк1 ; Pii'-Pio-	;	Р и -
	RT\0

Значения /?£/ и i определяются по полученным ранее значениям

*	_	♦	гп *
		*	_ i Ki
^Kopt i' -		* и	^ K o p t i " —*
		PlO	MO

13. На каждом режиме лпр(- выбирается несколько значений cai в диапазоне сш = (0,8—l»5)ceopll-, и расчеты повторяются согласно

пп. 6— 10. По полученным данным строятся напорные кривые к^ =

=/l(GnP; ”пр) и кривые изменения КПД Пк=/2«7пр; ппр).

Для проверки изложенного рас­ четного метода определения харак­ теристик были проведены опыты на семиступенчатом осевом компрес­ соре по снятию его характеристик и сделано сопоставление опытных и расчетных характеристик. Характе­ ристики, рассчитанные по предло­ женной методике и снятые при ис­ пытании семиступенчатого комп­ рессора, приведены на рис. 7.21. Экспериментальные точки с удов­ летворительной точностью распо­ лагаются вблизи расчетной кривой. Последнее позволяет использовать указанный простой метод расчета характеристик осевых компрессоров на ранней стадии их проектирова­ ния.

Рис. 7.21. Характеристика осевого ком­ прессора (о — расчетные точки;

х — опытные точки)

7.7. СТЕНД И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Точность расчетных методов определения характеристик компрес­ соров из-за трудностей теоретического анализа характера взаимодей­ ствия ступеней компрессора на нерасчетных режимах часто не отвеча­ ет потребностям практики. Поэтому наиболее надежным способом получения характеристик является определение их при испытании компрессоров на специальных стендах.

В процессе подобных экспериментов ставятся следующие задачи: провести испытания многоступенчатого осевого компрессора для различных значений частоты вращения при изменении расхода воздуха

через компрессор; рассчитать по рекомендуемой методике параметры, используя за­

меренные величины, и построить характеристики в приведенных пара­

метрах ftK=/l(^np> лпр) и Лк=/2(^пр> лпр)-

Целесообразно, используя изложенную в разд. 7.6 методику рас­ четного определения характеристик компрессора, сопоставить расчет­ ные и экспериментальные результаты.

Экспериментальный стенд. Схема стенда для испытания много­ ступенчатого осевого компрессора, приведена на рис. 7.22. Он вклю­ чает в себя исследуемый компрессор 72, воздушную турбину 5, при­ водящую во вращение компрессор, подводящие и отводящие трубо­ проводы, регулирующие органы, а также измерительные системы. В качестве привода компрессора может быть использована не только турбина, но и другие источники механической энергии, например электромотор.

Рис. 7.22. Экспериментальный стенд для снятия характеристики осевого компрессора

Воздух из помещения испытательного бокса попадает через спе­ циально спрофилированное входное устройств 8 в исследуемый семи­

ступенчатый компрессор, сжимается до давления р к и поступает в вы­ ходную магистраль 7, снабженную поворотной заслонкой J. Выходной трубопровод соединен с глушителем (на схеме не показан), через ко­ торый осуществляется выброс воздуха в атмосферу. Заслонка 4, регу­ лирующая давление рабочего тела перед турбиной J, позволяет уста­ новить выбранную частоту вращения при определенном (заслонкой 5)

расходе воздуха через компрессор.

Скорость вращения ротора измеряется импульсным частотомером. Для создания импульсов на хвостовике валД компрессора установлен конус с торцевыми выступами. С мембраны 77 импульсы передаются на прибор.

Во входном 9 и выходном У трубопроводах компрессора установ­ лены батареи хромель-копелевых термопар 10 и 6, суммарная (по се­ чению) ЭДС которых замеряется потенциометром типа ПП-63.

Для замера давлений р \ во входном патрубке 9 и р* в выходной

магистрали 1 установлены трубки полного напора 7 и 2 соответствен­ но, которые могут быть подключены к к-образному манометру.

Расход воздуха через компрессор, изменяемый положением за­ слонки 5, замеряется с помощью мерной шайбы 75, установленной на выходном трубопроводе компрессора. Давление перед мерной шайбой рш и перепад давления в ней Арш замеряется к-образным манометром.

Проведение эксперимента. Запуск установки осуществляется при полностью открытой заслонке 5 постепенным открыванием заслонки 4 на входе в турбину. Устанавливается выбранная частота вращения компрессора.

Снятие характеристики при постоянной приведенной частоте вра­ щения достигается изменением положения заслонки 5. Каждый новый режим компрессора по расходу воздуха требует регулирования по­ требляемой компрессором мощности для поддержания постоянной приведенной частоты вращения ппр. Это осуществляется изменением положения заслонки 4.

Вследствие сравнительно малого изменения температуры воздуха на входе в компрессор за время снятия характеристики практически настройку частоты вращения ведут по физическим оборотам.

Предварительные испытания показали, что потери давления тор­ можения во входном усгройстве 8 из-за небольшой протяженности и хорошей организации потока пренебрежимо малы. Поэтому давление

р\ можно принять равным барометрическому В.

После установления работы компрессора на режим по заданному п и G измеряют следующие параметры:

/?* — давление заторможенного потока за компрессором; р т — давление перед мерной шайбой; Арш — перепад давления в мерной шайбе;

7^ — температура торможения за компрессором;

Д7^ — перепад температур между выходом и входом в компрессор. Постепенно снижая расход воздуха через компрессор и замеряя параметры /?*, р т , Арт , Гк* и АТ^ при каждом новом расходе воздуха, получаем исходные данные для дальнейшего построения характери­

стики.

Вблизи помпажного режима (при малых расходах воздуха) дли­ тельная работа компрессора запрещается из-за повышенных вибраци­

онных нагрузок и возможных поломок. Эксперимент повторяется на новых значениях физических оборотов.

Обработка результатов опытов. Расход воздуха через компрес­ сор, равный расходу через мерную шайбу,

G = a£FmV2pm Арш кг/с,

где а, е — коэффициент расхода и поправочный множитель на рас­ ширение струи в мерной шайбе (для данной шайбы а = 0,7125, е = 0,99);

Fm= 153,9- 10“ 4 м2 — площадь проходного сечения мерной шайбы;

Рш = 4 ^ - кг/м3 — плотность воздуха перед мерной шайбой, причем

щ

Тш~ ; R =287,3 Дж/(кг• К) — газовая постоянная воздуха. Таким образом, для данного мерного устройства

C7 = 9 , 0 6 1 0 - 4 V ^ Ï Ï кг/ с .

МП

Степень повышения давления

*

Адиабатный КПД компрессора

Д7;К.ад

Л к = - A7V

	к- 1
где А7'к*ад= Г,*(< *		-1), к - 1,4; T^ = T * -àT *
Приведенные расход воздуха (7пр и частота вращения ппр находят­
ся по формулам:
~	„	1,013105
°пр = 0		-^ ----;-----

Pi

Результаты расчета заносятся в таблицу, по данным которой строятся характеристики компрессора (см. рис. 7.21).

Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки

1.Что понимается под характеристикой компрессора?

2.Какие типы характеристик компрессоров существуют?

3.В чем состоит универсальность характеристик компрессора, представ­

ленных в виде 7 1 * = /! ^ ; лПр); Пк=/2«?пР ; "пр)?

4.Какие требования необходимо выполнить для получения подобия те­ чения двух газовых потоков?

5.Что означает геометрическое подобие компрессоров?

6.Каковы условия газодинамического подобия в геометрически подо­ бных системах?

7.Какие числа подобия обычно используют в авиационных компрессо­

рах?

8.Каковы характерные особенности характеристик компрессора?

9.В чем состоит особенность работы компрессора в зоне границы устой­ чивых режимов, в зоне запирания?

10.Что означает термин «приведенные характеристики»?

11.Укажите численное соотношение физического и приведенного рас­ ходов воздуха на земле и на высоте Н = 10 км.

12.На какую величину различаются физические и приведенные обороты компрессора на земле и на высоте Н - 10 км?

13.Что понимается под запасом устойчивой работы компрессора?

14.Что такое «вращающийся срыв»?

15.Как меняется взаимное расположение ЛРР и ГУР в рабочем диапазо­ не режимов низконапорных и высоконапорных компрессоров?

16.Чем определяется различная крутизна характеристик осевого и цен­ тробежного компрессоров?

17.Поясните, как влияет правильность выбора расчетного режима ком­ прессора на расширение зоны устойчивой работы компрессора при различных внешних условиях на входе в компрессор?

18.Назовите основное требование регулирования компрессоров?

19.В чем суть метода регулирования с помощью перепуска воздуха, по­ ворота лопаток направляющего аппарата?

20.На чем базируется расчетный метод определения характеристик ком­ прессоров?

Глава 8

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ АВИАЦИОННЫХ КОМПРЕССОРОВ

8.1. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСЕВОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА

ПО МЕТОДУ ПОЛНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Главной целью проектировочного расчета компрессора является определение геометрических размеров его проточной части, геомет­ рии лопаточных решеток, а также числа ступеней и мощности, потреб­ ной для вращения компрессора.

Газодинамическим расчетам компрессора и турбины, вращающей этот компрессор, предшествуют работы по выбору основных парамет­ ров турбомашин (частоты вращения ротора, числа ступеней турбины, диаметральных размеров). На выбор основных параметров турбомашин существенное влияние оказывают тип, назначение и размерность про­ ектируемого двигателя, для которого предназначаются турбомашины. Основные параметры проектируемого двигателя — степень повыше­ ния давления в компрессоре (в вентиляторе для ТРДД), температура газа перед сопловым аппаратом турбины, суммарный расход воздуха и степень двухконтурности — известны. Поэтому вопрос о выборе ос­ новных параметров компрессора и турбины является узловым на на­ чальном этапе их проектировочного расчета.

Следующим этапом проектировочных расчетов должно быть со­ гласование параметров компрессора и турбины газотурбинного двига­ теля. Об особенностях совместной работы компрессора и турбины на нерасчетных режимах уже говорилось в гл. 7, в которой даны понятия о линии рабочих режимов на характеристиках компрессора. Но основ­ ные параметры турбомашин в газотурбинном двигателе и, прежде все­ го, частота вращения их ротора должны быть взаимосвязаны и на рас­ четном режиме. Для этого используются расчетные методы, подробно рассмотренные в литературе [11]. Отметим, что чаще всего эти методы базируются на использовании различных комплексных параметров, связывающих основные параметры компрессора и турбины. Так, для