Файл: Методические указания составлены М. М. Зальцманом и отредактированы проф. Ронзиным В. Д.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 174
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1.2. Ступень осевого компрессора (ОК)
1.3. Входной направляющий аппарат OK (ВНА)
1.5. Регулирование компрессоров
1.6. Мероприятия, повышающие к.п.д. компрессора
2.1. Ступень осевой реактивной турбины
2.2. Многоступенчатые осевые реактивные турбины
, рассматривая ступень ОК, что величина и направление скоростей на входе и на выходе из РК на нерасчётных режимах существенно отличаются от расчётных треугольников скоростей. Это приводит к увеличению гидравлических потерь и снижению к.п.д. на нерасчётных режимах работы, а в некоторых случаях – к неустойчивой работе компрессора (рассматривается ниже).
В некоторых двигателях часть ступеней имеет поворотные лопатки НА. В качестве примера с такой конструкцией можно ознакомиться в компрессоре двигателя ТВ2‑117А.
Давление воздуха за НА
, а 
. Поэтому воздух стремится перетекать из областей повышенного давления туда, где оно ниже – через радиальные зазоры между РК и корпусом и между внутренним бандажом НА и ротором (рис.1.2). Этому перетеканию и связанному с ним росту гидравлических потерь и снижению к.п.д. стараются препятствовать, уменьшая упомянутые радиальные зазоры и применяя лабиринтные уплотнения между внутренним бандажом НА и цилиндрической стенкой ротора, на которой нарезаются гребешки (рис. 1.2).
Вследствие изменения температуры и деформации деталей от действующих нагрузок, зазоры в процессе работы двигателя от его запуска до остановки изменяются, и может произойти задевание лопаток или гребешков ротора о корпус или внутренний бандаж НА соответственно. Чтобы при этом не происходило разрушения элементов конструкции, на корпус компрессора и на внутренний бандаж НА обычно наносится мягкий, срабатываемый слой покрытия (алюмографитового, алюмоасботалькового и др.). С подобными мероприятиями можно ознакомиться в компрессорах двигателей РД‑3М, АИ‑20, TB2‑117A, Д‑20П.
Для уменьшения потерь на трение поверхности лопаток РК и НА обрабатываются с высокой степенью чистоты. Стальные и титановые лопатки полируются, а лопатки из алюминиевых сплавов, кроме того, подвергаются анодному оксидированию.
- 13 -
На двигателях, имеющих дозвуковые или трансзвуковые первые ступени компрессоров, в передней части статора располагается ВНА. ВНА представляет собой неподвижный ряд лопаток статора, создающих предварительную закрутку потока на входе в РК первой ступени, обычно в направлении его вращения (рис.1.2).
Назначение такой предварительной закрутки, как это уже было указано при рассмотрении ступени ЦК, состоит в том, чтобы уменьшить относительную скорость W1, на входе в РК и этим снизить волновые потери на лопатках РК. Так, например, в компрессоре двигателя РД‑3М на конце лопатки РК первой ступени окружная скорость
и без предварительной закрутки относительная скорость была бы W1 = 350 м/с, а местная скорость звука a1 = 330 м/с, т.е. 
. Предварительная закрутка позволяет сделать 
при неизменной окружной скорости U.
Предварительная закрутка воздуха на входе в РК может оказаться необходимой не только для первой, но и для последующих ступеней. Однако надобность в ВНА для них уже отпадает, а его функцию выполняет НА предыдущей ступени. По мере продвижения воздуха от ступени к ступени необходимость в предварительной закрутке постепенно уменьшается, а затем и вовсе отпадает, т.к. повышается температура воздуха и значение местной скорости звука возрастает. Тогда выход воздуха из НА делается в осевом направлении. Хотя, строго говоря, направление потока перед следующей ступенью определяется таким её параметром, как степень реактивности, что рассматривается на лекциях.
В изменении предварительной закрутки от ступени к ступени можно убедиться визуально, осматривая ВНА и НА компрессора РД‑3М.
Предварительная закрутка изменяется по высоте лопаток ВНА и НА. При длинных лопатках окружная скорость РК существенно возрастает от корня к периферии, а вместе с ней растёт и относительная скорость W1. Поэтому с точки зрения снижения волновых потерь надо предварительную закрутку увеличивать и проектировать ВНА и НА так, как это показано на рис. 1.2. Такому способу проектирования соответствуют ступени с постоянной степенью реактивности
. По этому закону обычно
- 14 -
проектируется первые ступени дозвуковых ОК, в чём можно убедиться, знакомясь с двигателями, представленными в лаборатории
Там, где уменьшать W1 уже не требуется, т.е. для последующих ступеней ОК, а также для сверхзвуковых ступеней часто применяются другие способы проектирования. Одним из них является проектирование по закону постоянства циркуляции
. Напомним, что в этом случае энергия, сообщаемая воздуху РК, остаётся постоянной по высоте лопатки и этим обеспечивается такое изменение давления по радиусу, при котором нет радиального перетекания воздуха. К.п.д. ступени оказывается выше, чем при других законах изменения Сu по радиусу.
Увидеть на реальных двигателях изменение предварительной закрутки по этому закону (т.е. уменьшение её от корня к периферии) довольно трудно.
Современные ТРДД со сверхзвуковыми первыми ступенями компрессора низкого давления часто проектируются без ВНА.
Как уже отмечалось, при изменении режима работы двигателя обтекание лопаток РК отличается от расчётного, что может привести к неустойчивой работе компрессора – помпажу. Одним из способов расширения диапазона устойчивой работы ОК является регулирование угла установки лопаток ВНА. ВНА с поворотными лопатками можно увидеть на двигателе ТВ2‑117А.
При неблагоприятном сочетании температуры и влажности воздуха может произойти обледенение лопаток ВНА и других элементов конструкции, расположенных в передней («холодной») части двигателя. Поэтому передние кромки лопаток ВНА обогреваются нагретым воздухом или горячим маслом, для чего в них образуют полость. Это можно увидеть на всех двигателях.
Не вдаваясь в рассмотрение теории многоступенчатого ОК, остановимся на вопросе о формах его проточной части.
По мере сжатия воздуха его плотность от ступени к ступени возрастает. Так как расход воздуха при этом остается постоянным, то необходимо либо уменьшить осевую скорость воздуха Ca,
- 15 -
либо уменьшить площадь сечения проточной части, т.е. высоту лопаток. Снижение
Ca допустимо лишь в определённых пределах, т.к. оно приводит к уменьшению закрутки воздуха в РК и, следовательно, к уменьшению адиабатической работы ступени. Поэтому во всех ОК площадь сечения проточной части и высота лопаток от ступени к ступени уменьшается.
Однако при выборе формы меридионального сечения проточной части ОК, конструктор должен учитывать ряд требований, часто противоречивых. Напомним некоторые из них.
Уменьшение высоты лопаток (особенно существенное в последних ступенях) приводит к увеличению роли концевых потерь, связанных с перетеканием воздуха через радиальный зазор.
С точки зрения энергии, сообщаемой воздуху, выгодно увеличить средний диаметр РК (больше окружная скорость U , при той же частоте вращения). Это позволяет уменьшить число ступеней (больше
) и, следовательно, массу компрессора.
Из конструктивных и технологических соображений наиболее удобными являются схемы, в которых либо наружный, либо внутренний диаметр всех ступеней одинаков. Надо также учесть возможность размещения передней опоры компрессора, диаметральные размеры которой ограничены диаметром втулки РК 1-й ступени,
Часто конструкторы применяют компромиссные схемы, где в первых ступенях изменяются и наружный и внутренний диаметры (примерно постоянным сохраняется Dср), а в последующих – постоянны либо наружный, либо внутренний диаметр.
В двухвальных ОК надо удовлетворить указанным выше требованиям и, кроме того, учесть следующее. Воздух в компрессор высокого давления (КВД) поступает уже сжатым в компрессоре низкого давления (КНД). Кроме того, расход воздуха через КВД существенно ниже, чем через КНД (в зависимости от степени двухконтурности). Поэтому площади поперечных сечений проточной части КВД значительно меньше, чем у КНД, а диаметр втулки РК 1‑й ступени КВД значительно меньше диаметра втулки РК последней ступени КНД. Для уменьшения гидравлических потерь при переходе от КНД к КВД надо обеспечить плавное сопряжение проточных частей этих компрессоров.
- 16 -
На двигателях, имеющихся в лаборатории, представлены различные формы проточной части.
В компрессоре двигателя РД‑3М проточная часть выполнена с постоянным наружным диаметром. Большие размеры этого двигателя позволяют разместить переднюю опору. Высота лопаток последней ступени относительно велика и можно не опасаться увеличения концевых потерь. Конструкция достаточно технологична и проста.
Компрессор ТВД АИ‑20 имеет проточную часть с постоянным наружным диаметром, кроме первых ступеней, где наружный диаметр уменьшается, а внутренний увеличивается. Если бы наружный диаметр первой ступени компрессора был меньше, было бы труднее разместить детали передней опоры и лабиринтные уплотнения.
В компрессоре двигателя ТВ2‑117А проточная часть выполнена аналогично, т.е. наружный диаметр постоянный, кроме первых двух ступеней. При малых диаметральных размерах этого двигателя, очевидно, были трудности с размещением передней опоры и пришлось увеличивать диаметр втулки РК первой ступени, а одновременно и наружный диаметр. В последних ступенях этого компрессора лопатки короткие и концевые потери в них относительно больше, но, по-видимому, предпочтение отдано лучшей технологичности выбранной формы проточной части.
На двигателе Д‑20П в КНД проточная часть выполнена с постоянным внутренним диаметром, за исключением первой ступени, где внутренний диаметр РК увеличивается, а наружный уменьшается (
). Такая схема обеспечивает лучшую компоновку входной части компрессора, размещение передней опоры и лучшее сопряжение проточных частей на выходе из КНД и на входе в КВД. Подумайте над тем, как выглядело бы это сопряжение при постоянном наружном диаметре КНД?
Одновременно получается более технологичной конструкция РК 2‑й и 3‑й ступеней и НА 1‑й и 2‑й ступеней.
Проточная часть КВД выполнена с постоянным наружным диаметром, кроме некоторого увеличения диаметра 1‑й ступени. По-видимому, это сделано также для лучшего сопряжения проточных частей КВД и КНД.
- 17 -
В некоторых двигателях часть ступеней имеет поворотные лопатки НА. В качестве примера с такой конструкцией можно ознакомиться в компрессоре двигателя ТВ2‑117А.
Давление воздуха за НА
, а . Поэтому воздух стремится перетекать из областей повышенного давления туда, где оно ниже – через радиальные зазоры между РК и корпусом и между внутренним бандажом НА и ротором (рис.1.2). Этому перетеканию и связанному с ним росту гидравлических потерь и снижению к.п.д. стараются препятствовать, уменьшая упомянутые радиальные зазоры и применяя лабиринтные уплотнения между внутренним бандажом НА и цилиндрической стенкой ротора, на которой нарезаются гребешки (рис. 1.2).Вследствие изменения температуры и деформации деталей от действующих нагрузок, зазоры в процессе работы двигателя от его запуска до остановки изменяются, и может произойти задевание лопаток или гребешков ротора о корпус или внутренний бандаж НА соответственно. Чтобы при этом не происходило разрушения элементов конструкции, на корпус компрессора и на внутренний бандаж НА обычно наносится мягкий, срабатываемый слой покрытия (алюмографитового, алюмоасботалькового и др.). С подобными мероприятиями можно ознакомиться в компрессорах двигателей РД‑3М, АИ‑20, TB2‑117A, Д‑20П.
Для уменьшения потерь на трение поверхности лопаток РК и НА обрабатываются с высокой степенью чистоты. Стальные и титановые лопатки полируются, а лопатки из алюминиевых сплавов, кроме того, подвергаются анодному оксидированию.
- 13 -
1.3. Входной направляющий аппарат OK (ВНА)
На двигателях, имеющих дозвуковые или трансзвуковые первые ступени компрессоров, в передней части статора располагается ВНА. ВНА представляет собой неподвижный ряд лопаток статора, создающих предварительную закрутку потока на входе в РК первой ступени, обычно в направлении его вращения (рис.1.2).
Назначение такой предварительной закрутки, как это уже было указано при рассмотрении ступени ЦК, состоит в том, чтобы уменьшить относительную скорость W1, на входе в РК и этим снизить волновые потери на лопатках РК. Так, например, в компрессоре двигателя РД‑3М на конце лопатки РК первой ступени окружная скорость
и без предварительной закрутки относительная скорость была бы W1 = 350 м/с, а местная скорость звука a1 = 330 м/с, т.е. . Предварительная закрутка позволяет сделать при неизменной окружной скорости U.Предварительная закрутка воздуха на входе в РК может оказаться необходимой не только для первой, но и для последующих ступеней. Однако надобность в ВНА для них уже отпадает, а его функцию выполняет НА предыдущей ступени. По мере продвижения воздуха от ступени к ступени необходимость в предварительной закрутке постепенно уменьшается, а затем и вовсе отпадает, т.к. повышается температура воздуха и значение местной скорости звука возрастает. Тогда выход воздуха из НА делается в осевом направлении. Хотя, строго говоря, направление потока перед следующей ступенью определяется таким её параметром, как степень реактивности, что рассматривается на лекциях.
В изменении предварительной закрутки от ступени к ступени можно убедиться визуально, осматривая ВНА и НА компрессора РД‑3М.
Предварительная закрутка изменяется по высоте лопаток ВНА и НА. При длинных лопатках окружная скорость РК существенно возрастает от корня к периферии, а вместе с ней растёт и относительная скорость W1. Поэтому с точки зрения снижения волновых потерь надо предварительную закрутку увеличивать и проектировать ВНА и НА так, как это показано на рис. 1.2. Такому способу проектирования соответствуют ступени с постоянной степенью реактивности
. По этому закону обычно- 14 -
проектируется первые ступени дозвуковых ОК, в чём можно убедиться, знакомясь с двигателями, представленными в лаборатории
Там, где уменьшать W1 уже не требуется, т.е. для последующих ступеней ОК, а также для сверхзвуковых ступеней часто применяются другие способы проектирования. Одним из них является проектирование по закону постоянства циркуляции
. Напомним, что в этом случае энергия, сообщаемая воздуху РК, остаётся постоянной по высоте лопатки и этим обеспечивается такое изменение давления по радиусу, при котором нет радиального перетекания воздуха. К.п.д. ступени оказывается выше, чем при других законах изменения Сu по радиусу.Увидеть на реальных двигателях изменение предварительной закрутки по этому закону (т.е. уменьшение её от корня к периферии) довольно трудно.
Современные ТРДД со сверхзвуковыми первыми ступенями компрессора низкого давления часто проектируются без ВНА.
Как уже отмечалось, при изменении режима работы двигателя обтекание лопаток РК отличается от расчётного, что может привести к неустойчивой работе компрессора – помпажу. Одним из способов расширения диапазона устойчивой работы ОК является регулирование угла установки лопаток ВНА. ВНА с поворотными лопатками можно увидеть на двигателе ТВ2‑117А.
При неблагоприятном сочетании температуры и влажности воздуха может произойти обледенение лопаток ВНА и других элементов конструкции, расположенных в передней («холодной») части двигателя. Поэтому передние кромки лопаток ВНА обогреваются нагретым воздухом или горячим маслом, для чего в них образуют полость. Это можно увидеть на всех двигателях.
1.4. Многоступенчатый ОК
Не вдаваясь в рассмотрение теории многоступенчатого ОК, остановимся на вопросе о формах его проточной части.
По мере сжатия воздуха его плотность от ступени к ступени возрастает. Так как расход воздуха при этом остается постоянным, то необходимо либо уменьшить осевую скорость воздуха Ca,
- 15 -
либо уменьшить площадь сечения проточной части, т.е. высоту лопаток. Снижение
Ca допустимо лишь в определённых пределах, т.к. оно приводит к уменьшению закрутки воздуха в РК и, следовательно, к уменьшению адиабатической работы ступени. Поэтому во всех ОК площадь сечения проточной части и высота лопаток от ступени к ступени уменьшается.
Однако при выборе формы меридионального сечения проточной части ОК, конструктор должен учитывать ряд требований, часто противоречивых. Напомним некоторые из них.
Уменьшение высоты лопаток (особенно существенное в последних ступенях) приводит к увеличению роли концевых потерь, связанных с перетеканием воздуха через радиальный зазор.
С точки зрения энергии, сообщаемой воздуху, выгодно увеличить средний диаметр РК (больше окружная скорость U , при той же частоте вращения). Это позволяет уменьшить число ступеней (больше
) и, следовательно, массу компрессора.Из конструктивных и технологических соображений наиболее удобными являются схемы, в которых либо наружный, либо внутренний диаметр всех ступеней одинаков. Надо также учесть возможность размещения передней опоры компрессора, диаметральные размеры которой ограничены диаметром втулки РК 1-й ступени,
Часто конструкторы применяют компромиссные схемы, где в первых ступенях изменяются и наружный и внутренний диаметры (примерно постоянным сохраняется Dср), а в последующих – постоянны либо наружный, либо внутренний диаметр.
В двухвальных ОК надо удовлетворить указанным выше требованиям и, кроме того, учесть следующее. Воздух в компрессор высокого давления (КВД) поступает уже сжатым в компрессоре низкого давления (КНД). Кроме того, расход воздуха через КВД существенно ниже, чем через КНД (в зависимости от степени двухконтурности). Поэтому площади поперечных сечений проточной части КВД значительно меньше, чем у КНД, а диаметр втулки РК 1‑й ступени КВД значительно меньше диаметра втулки РК последней ступени КНД. Для уменьшения гидравлических потерь при переходе от КНД к КВД надо обеспечить плавное сопряжение проточных частей этих компрессоров.
- 16 -
На двигателях, имеющихся в лаборатории, представлены различные формы проточной части.
В компрессоре двигателя РД‑3М проточная часть выполнена с постоянным наружным диаметром. Большие размеры этого двигателя позволяют разместить переднюю опору. Высота лопаток последней ступени относительно велика и можно не опасаться увеличения концевых потерь. Конструкция достаточно технологична и проста.
Компрессор ТВД АИ‑20 имеет проточную часть с постоянным наружным диаметром, кроме первых ступеней, где наружный диаметр уменьшается, а внутренний увеличивается. Если бы наружный диаметр первой ступени компрессора был меньше, было бы труднее разместить детали передней опоры и лабиринтные уплотнения.
В компрессоре двигателя ТВ2‑117А проточная часть выполнена аналогично, т.е. наружный диаметр постоянный, кроме первых двух ступеней. При малых диаметральных размерах этого двигателя, очевидно, были трудности с размещением передней опоры и пришлось увеличивать диаметр втулки РК первой ступени, а одновременно и наружный диаметр. В последних ступенях этого компрессора лопатки короткие и концевые потери в них относительно больше, но, по-видимому, предпочтение отдано лучшей технологичности выбранной формы проточной части.
На двигателе Д‑20П в КНД проточная часть выполнена с постоянным внутренним диаметром, за исключением первой ступени, где внутренний диаметр РК увеличивается, а наружный уменьшается (
). Такая схема обеспечивает лучшую компоновку входной части компрессора, размещение передней опоры и лучшее сопряжение проточных частей на выходе из КНД и на входе в КВД. Подумайте над тем, как выглядело бы это сопряжение при постоянном наружном диаметре КНД?Одновременно получается более технологичной конструкция РК 2‑й и 3‑й ступеней и НА 1‑й и 2‑й ступеней.
Проточная часть КВД выполнена с постоянным наружным диаметром, кроме некоторого увеличения диаметра 1‑й ступени. По-видимому, это сделано также для лучшего сопряжения проточных частей КВД и КНД.
- 17 -