Файл: Методические указания составлены М. М. Зальцманом и отредактированы проф. Ронзиным В. Д.doc

- 2 -

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторные занятия по курсу «Теория лопаточных машин» имеют целью дать студентам визуальное представление об устройстве компрессоров и турбин авиационных газотурбинных двигателей и, тем самым, помочь усвоению материала, излагаемого в лекциях по этому курсу.

Не вдаваясь в подробности конструкции упомянутых узлов двигателя (которая изучается позднее), студенты на этих лабораторных занятиях должны выяснить, как реализуются в элементах конструкции компрессоров и турбин различных двигателей основные теоретические положения. К ним относятся, в частности, вопросы: профилирования лопаток и образования неподвижных и вращающихся лопаточных решета, профилирования сечений проточной части компрессоров и турбин, мероприятия по повышению к.п.д. компрессоров и турбин, способы регулирования компрессоров с целью расширения диапазона их устойчивой работы, способы охлаждения лопаток и дисков турбин и некоторые другие.

Настоящие методические указания должны помочь студентам за сравнительно короткое время увидеть именно те элементы конструкции компрессоров и турбин, которые рассматривались в лекционном курсе, лучше понять физический смысл происходящих в них процессов, а также научить анализировать причины, которыми обосновано то или иное конструктивное решение. При этом имеется в виду, что на этих занятиях студенты впервые систематически знакомятся с материальной частью авиационных двигателей.

Использование настоящих методических указаний на лабораторных занятиях предполагает предварительную подготовку к ним студентов путём повторения соответствующих разделов по учебнику и конспекту лекций.

Методические указания составлены М.М.Зальцманом и отредактированы проф. Ронзиным В.Д.

- 3 -
Зелёный фон, добавления МВП сверх содержания методички

1. КОМПРЕССОРЫ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые или осецентробежные компрессоры. Центробежные компрессоры в настоящее время применяются в малогабаритных ГТД вспомогательного назначения и в качестве последней ступени осецентробежных компрессоров.

Из методических соображений удобнее начать ознакомление в лаборатории с центробежным компрессором.

1.1 Ступень центробежного компрессора (ЦК)

В лаборатории ознакомление со схемой и особенностями устройства центробежного компрессора удобнее всего на двигателе ВК‑1. На этом двигателе, кроме основного центробежного компрессора с двухсторонним входом воздуха, имеется небольшой центробежный компрессор с односторонним входом воздуха, выполняющий роль вентилятора в системе охлаждения горячей части двигателя.

Производительность компрессора двигателя ВК-1 на расчетном режиме составляет 48 кг/с, а степень повышения давления в нем . Заметим, что двухсторонний вход воздуха позволяет вдвое увеличить производительность ступени ЦК при тех же диаметральных размерах и сравнительно небольшом увеличении массы компрессора.

На рис. 1.1 для простоты изображена схема центробежной ступени с односторонним входом воздуха, а также треугольники скоростей в этой ступени.

Для того чтобы вспомнить принцип работы ЦК и назначение отдельных элементов его конструкции, проследим путь воздуха от входа его в двигатель и до выхода из компрессора (на примере ВК‑1).

Из воздухозаборника самолёта воздух попадает во входные патрубки (ВхП) компрессора. На входе во ВхП расположен непод­вижный направляющий аппарат (ННА), который закручивает воздуш­ный поток в направлении вращения ротора компрессора. В мери­диональном сечении ВхП представляет собой криволинейный канал,
- 4 -



Рис. 1.1 Схема ступени ЦК с односторонним входом и треугольники скоростей
на входе и на выходе из РК

- 5 -
который поворачивает поток на угол, несколько меньший 90°, и направляет его в рабочее колесо. При таком повороте потока на частицы воздуха действуют центробежные силы инерции, которые стремятся перемещать их в сторону внутренней стенки ВхП.

В результате действия этих сил поле скоростей, давлений и плотностей воздуха на входе в рабочее колесо (РК) имело бы значительную неравномерность (подумайте – какую?). Кроме того, стал бы возможен отрыв потока от наружной стенки ВхП и вихреобразование на этой стенке. Для уменьшения эффекта действия центробежных сил во ВхП установлены разделительные конусы, показанные на схеме и которые вы видите на двигателе.

Из треугольника скоростей на входе в РК видно, что относительная скорость W₁ направлена под углом к плоскости вращения. Чтобы вход воздуха в РК был безударным, направление передних кромок лопаток должно совпадать с направлением относительной скорости W₁, а их передняя кромка должна быть клиновидной, как это показано на рис. 1.1.

В компрессорах небольших двигателей передние кромки лопаток механически деформируют, придавая нужную форму. В крупногабаритных компрессорах отогнутую часть лопаток, которую называют вращающимся направляющим аппаратом (ВНА), изготовляют в виде отдельной детали и часто из другого материала (сталь вместо дуралюмина для повышения вибростойкости).

Чтобы сообщить воздуху большую энергию в РК, необходимо иметь большую окружную скорость U₂, а при данном диаметре РК – бóльшую частоту вращения ротора. Но при этом растёт и скорость U₁ и, соответственно, относительная скорость W₁. Так как температура воздуха на входе в РК ещё низка, то относительно мала и местная скорость звука α₁. Значение скорости W₁ может приблизиться к a₁ (или ), а при этом на входе в РК возникли бы скачки уплотнений и имели бы место значительные волновые потери. Чтобы при высокой окружной скорости РК относительная скорость W₁ оставалась дозвуковой, скорость C₁ отклоняют от осевого направления в сторону вращения РК. Именно для этого и необходима предварительная закрутка воздуха, создаваемая ННА.
- 6 -
Таким образом, ННА, разделительные конуса в ВхП и ВНА РК компрессора – это элементы конструкции, уменьшающие гидравлические и волновые потери на входе в РК и повышающие к.п.д. компрессора.

В РК воздух вовлекается во вращение лопатками, которые и передают ему энергию, подводимую от турбины в виде крутящего момента M_кр. Часттицы воздуха движутся по каналам, образованным лопатками РК, поверхностью РК между лопатками и стенкой корпуса. Движение происходит под действием центробежных сил. При этом в РК повышается давление и температура воздуха и возрастает его кинетическая энергия, т.к. увеличивается абсолютная скорость C.

Треугольник скоростей на выходе из РК показан на рис. 1.1. Дальнейшее преобразование кинетической энергии воздуха в потенциальную энергию давления происходит в диффузоре.

Основной частью диффузора компрессора является лопаточный диффузор (ЛД), который представляет собой ряд каналов, образованных профилированными криволинейными лопатками. Но так как абсолютную скорость на выходе из колеса С₂ стремятся иметь как можно большей (достигает 500 м/с), она может быть близка к местной скорости звука. Чтобы на передних кромках лопаток ЛД не возникали скачки уплотнения и связанные с этим волновые потери, скорость

---

С₂ надо уменьшить. Этой цели служит безлопаточный или щелевой диффузор (БЛД или ЩД), представляющий собой кольцевое пространство между сечениями 2‑2 на выходе из РК и 2‑2 на входе в ЛД. Движение воздуха в этом пространстве подчиняется закону свободного вихря C_ur= const(пренебрегая трением). С увеличением радиуса скорость уменьшается и , т.е. дозвуковая.

В каналах между лопатками ЛД уменьшается скорость ( ) и возрастают давление и температура.

Для направления воздуха из ЛД в камеры сгорания служат выходные патрубки компрессора (ВП). Чтобы уменьшить гидравлические потери при повороте потока в ВП, в них вмонтированы направляющие лопатки (их роль аналогична роли разделительных конусов во ВхП).
- 7 -
скорость потока на выходе из компрессора C_к = 120 м/с. Кроме конструктивных мер по уменьшению гидравлических и волновых потерь добиваются снижения потерь на трение путем тщательной обработки поверхностей всей проточной части компрессора. Детали из алюминиевых сплавов подвергаются анодному оксидированию.

Следует, однако, заметить, что многократные повороты потока в ЦК сникают его к.п.д., который у рассматриваемого двигателя составляет . Надо также помнить, что рассмотренные треугольники скоростей на входе и выходе из РК соответствуют расчётному режиму работы. При отклонении от расчётного режима (например, при уменьшении частоты вращения n < n_р ) векторы U₁ и C₁ изменяются не пропорционально, следовательно, изменяется направление вектора W₁, отклоняясь от расчётного. Это увеличивает потери на нерасчётных режимах, а при значительном отклонении приводит к неустойчивой работе компрессора – помпажу.

---

1.2. Ступень осевого компрессора (ОК)

Ознакомление со ступенью осевого компрессора в лаборатории удобно начинать с крупногабаритных двигателей (РД‑3М, Д‑20П).

Схема ступени ОК и треугольники скоростей на входе и на выходе из РК изображены на рис. 1.2.

Ступенью ОК называется сочетание одного рабочего колеса (РК) и одного стоящего за ним направляющего аппарата (НА). Под РК понимают один ряд лопаток ротора – вращающийся лопаточный венец. Конструктивно лопатки РК могут размещаться на ободах дисков, соединенных между собой и образующих ротор компрессора (как на двигателях РД‑3М, Д‑20П, АИ‑20 и др.) или на общем барабане (как на двигателе ТВ2‑117А).

РК передается часть крутящего момента, сообщаемого ротором турбины ротору компрессора, а лопатки РК передают эту энергию воздуху.

Лопатки имеют крыловидный аэродинамический профиль, а каналы, образованные ими, представляют собой диффузоры. Под воздействием лопаток частицы воздуха вовлекаются во вращательное
- 8 -


Рис. 1.2. Схема ступени ОК и треугольники скоростей
на входе и на выходе из РК

- 9 -
движение с окружной скоростью U и движутся вдоль межлопаточного канала с относительной скоростью W, (Диффузорность канала и профиль лопаток хорошо видны, если посмотреть на лопаточный венец с торца.) При этом движении относительная скорость воздуха W уменьшается, а давление и температура несколько возрастают. Увеличивается также абсолютная скорость воздуха, т.е. его кинетическая энергия.

Если не учитывать угол атаки на входе в РК и угол отставания потока на выходе из него, то можно считать, что приблизительно вектор относительной скорости на входе в РК совпадает с направлением передней кромки лопатки, а на выходе из него – с направлением ее задней кромки.

Сравнивая треугольники скоростей в корневом и периферийном сечении лопатки РК, мы видим существенную разницу в величине и направлении векторов относительной скорости на входе и выходе из РК. Эта разница обусловлена, в первую очередь, изменением окружной скорости по радиусу и, в меньшей степени, изменением в направлении абсолютной скорости на входе

---

C₁(этот вопрос будет рассмотрен ниже).

Если посмотреть на лопатку с торца, она оказывается как бы закрученной против часовой стрелки.

Толщина профиля пера лопатки от корня к периферии уменьшается. Это обусловлено соображениями прочности, т.к. корневому сечению приходится воспринимать наибольшие нагрузки от центробежных сил и от изгиба газодинамическими силами, действующими на перо лопатки.

Следует обратить внимание также на то, как изменяется от корня к периферии густота решетки лопаточного венца – b/t.

Видно, что она заметно уменьшается к периферии. Хорда профиля при этом либо остается неизменной, либо несколько увеличивается (с целью увеличения b/tна периферии).

Пазы в ободе диска, в которые вставляются хвостовики лопаток, расположены под углом к плоскости вращения. Направление этих пазов определяется направлением хорды корневого сечения лопатки, т.к. при этом получаются минимальные размеры сечения хвостовика лопатки. Кроме того, это позволяет разместить на ободе диска наибольшее число лопаток и обеспечить среднюю густоту решетки, близкую к оптимальной.
- 10 -
Все сказанное выше относится к дозвуковым ступеням компрессора. В современных двигателях часто применяются сверхзвуковые и трансзвуковые ступени, где рабочие лопатки обтекаются полностью или частично со сверхзвуковой относительной скорости;

Чтобы уменьшить волновые потери, возникающие при обтекании таких лопаток, надо избежать возникновения прямых скачков уплотнения на входе в РК. С этой целью применяются сверхзвуковые, с более заострённой передней кромкой, профили лопаток. Тогда на входе в РК вместо прямых скачков получается система косых скачков уплотнения и волновые потери существенно снижаются. С такими лопатками можно ознакомиться в 1-й ступени компрессора низкого давления Д‑20П.

НА ступени представляет собой ряд лопаток (лопаточный венец), закрепленных в корпусе компрессора. Конструктивно полки лопаток НА могут крепиться непосредственно к корпусу (как на двигателе РД‑3М) или к наружному бандажу (кольцу), который, в свою очередь, крепится к корпусу компрессора (на двигателях Д‑20П, АИ‑20, ТВ2‑117А).

Внутренние концы лопаток НА могут вовсе не иметь крепления (консольные лопатки на двигателе Д‑20П в компрессоре высокого давления), либо оканчиваются цилиндрическими цапфами или полками, соединенными с внутренними бандажами (двухопорные лопатки в компрессоре низкого давления Д‑20П, компрессорах двигателей АИ‑20, РД‑3М, ТВ2‑117А). Наружные и внутренние бандажи НА часто состоят из двух половин (при разъёмном корпусе компрессоре).

---

Чтобы вход воздуха в НА был безударным (во избежание гидравлических потерь), направление передних кромок лопаток НА должно совпадать с вектором абсолютной скорости на выходе из РК – C₂.

За счет кривизны лопаток каналы, образованные ими, представляют собой диффузоры, в которых абсолютная скорость потока уменьшается от C₂ до C₃.

Направление выходных кромок лопаток НА определяет направление вектора абсолютной скорости C₁ на входе в следующую ступень. Таким образом, в НА происходит спрямление потока, закрученного впереди стоящим РК, с одновременным преобразованием
- 11 -
части кинетической энергии закрученного потока в работу повышений давления воздуха. (Поэтому иногда НА называют также спрямляющим аппаратом.).

На выходе из НА направление и величина скорости C₃ либо не изменяется по высоте лопатки, либо изменяется незначительно, а на входе в НА скорость C₂ существенно возрастает от корня к периферии. Поэтому от корня к периферии кривизна лопаток НА возрастает и лопатка несколько закручена по часовой стрелке (ниже будет отмечен и другой способ профилирования). Хорда и толщина профиля лопаток НА обычно не изменяется по высоте лопаток.

Во всём сказанном необходимо убедиться осмотром НА и сравнением увиденного со схемой на рис. 1.2.

В последней ступени компрессора спрямление потока всегда происходит до осевого направления.

Кривизна лопаток может оказаться столь значительной, что произойдет срыв потока на спинке и, соответственно, возрастут гидравлические потери (рис.1.3, слева).


Рис. 1.3. Схема и принцип действия двухрядного НА
последней ступени ОК

Для уменьшения гидравлических потерь и повышения к.п.д. компрессора НА последней ступени часто выполняет двухрядным (рис.1.3, справа). В этом случае сдув пограничного слоя со спинок лопаток 2-го ряда препятствует отрыву потока и вихреобразованию. С таким устройством НА следует ознакомиться в компрессорах низкого и высокого давления двигателя Д‑20П.
- 12 -
При ознакомлении с ЦК уже отмечалось, и об этом следует помнить

---