входной части, осевого компрессора, камеры сгорания, газовой тур бины и реактивного сопла.
Рабочий процесс двигателя в статических условиях протекает следующим образом. Атмосферный воздух засасывается через вход ную часть компрессором, сжимается в нем и подается в камеру сго рания. Сюда же через специальные форсунки непрерывно впрыски вается в мелкораспыленном виде топливо. Образовавшаяся топли во-воздушная смесь воспламеняется от постоянно имеющегося в ка мере сгорания факела пламени и сгорает при практически постоян ном давлении. Выделяющееся при этом тепло воспринимается в ос новном самим потоком, благодаря чему его температура резко по вышается. В турбине, расположенной после камеры сгорания и слу жащей для вращения компрессора, протекает процесс, обратный тому, который совершается в компрессоре, а именно: газ расши ряется, отдавая при этом часть своей энергии рабочему колесу тур бины и тем самым приводя его во вращение.
Так как из-за подвода тепла в камере сгорания энергия газа пе ред турбиной существенно превышает энергию воздуха на выходе из компрессора, то при условии полного расширения продуктов сго рания в турбине до атмосферного давления ее мощность превосхо дила бы мощность, потребляемую компрессором. В действительно сти на равновесном режиме работы ТРД его турбина развивает мощность, в точности равную мощности, потребляемой компрессо ром и вспомогательными агрегатами двигателя. Поэтому в турбине происходит не полное, а лишь частичное расширение продуктов сго рания. Дальнейшее понижение давления продуктов сгорания с соот ветствующим нарастанием их скорости происходит в реактивном сопле, из которого они затем с большой скоростью вытекают в ат мосферу.
В результате описанных процессов в ТРД происходит ускорение газовоздушного потока, которое вызывается силой воздействия дви гателя на поток и приводит к появлению равной и противоположно направленной реактивной силы или тяги.
Аналогично работает ТРД и в условиях полета с той лишь раз ницей, что в этом случае начальная скорость движения потока от носительно двигателя равна скорости полета самолета. Благодаря этому воздух сжимается не только в компрессоре, но и за счет свое го начального скоростного напора еще до входа в последний.
Перейдем теперь непосредственно к рассмотрению устройства и принципа работы осевого компрессора. Многоступенчатый осевой компрессор, как видно из рис. 1, представляет собой несколько по следовательно чередующихся рядов подвижных и неподвижных ло паток, которые помещены внутри открытого с обеих сторон кольце вого канала. Лопатки расположены радиально и в каждом ряду на ходятся на одинаковых расстояниях друг от друга. Подвижные, или рабочие, лопатки соединены с ротором компрессора, а неподвиж ные, или спрямляющие, лопатки закреплены в его корпусе. Каждый ряд подвижных лопаток вместе с несущим их элементом называется
10
рабочим колесом, а неподвижных — спрямляющим аппаратом. Со вокупность рабочего колеса и установленного за ним спрямляющего аппарата называется ступенью компрессора.
При вращении ротора компрессора лопатки рабочих колес, воз действуя на воздух подобно лопастям воздушного винта, закручи вают его и одновременно заставляют двигаться вдоль оси по на правлению к выходу из компрессора. Благодаря этому на входе в компрессор создается разрежение, которое обеспечивает непрерыв ное поступление в него воздуха из окружающей среды. У лопаток рабочих колес линия изгиба их профилей всегда бывает обращена выпуклостью в сторону, противоположную вращению ротора. По этому в образованных ими каналах поворот потока осуществляется по вращению, а момент аэродинамических сил, действующих на ло патки, оказывается соответственно направленным против вращения. Это обстоятельство обусловливает затрату механической энергии на вращение колеса и ее передачу лопатками протекающему через ком прессор воздуху. Вследствие подвода внешней механической энер гии в рабочем колесе одновременно увеличиваются и абсолютная скорость воздуха, и его статическое давление. Рост последнего до стигается путем придания межлопаточным каналам колеса диффу-
зорной формы.
Вустановленном за колесом спрямляющем аппарате происходит поворот потока против вращения ротора с тем, чтобы было обеспе чено необходимое его направление при входе в следующую ступень. При этом одновременно изменяются и параметры состояния воздуха. Межлопаточные каналы спрямляющего аппарата, так же как и ра бочего колеса, обычно имеют диффузорную форму; поэтому в спрям ляющем аппарате происходит преобразование кинетической энергии потока, приобретенной в колесе, в потенциальную, что приводит к дальнейшему повышению давления.
Восевом компрессоре воздух движется примерно по цилиндри ческим поверхностям, ось которых совпадает с осью вращения ро тора, лишь незначительно перемещаясь с одного радиуса на другой, чем и обусловлено наименование компрессора.
На рис. 2 представлена принципиальная схема ТРД с центро бежным компрессором. Двигатель состоит из тех же основных эле ментов и работает точно так же, как и предыдущий, отличаясь от него только типом компрессора. Установленный на данном двига теле центробежный компрессор с двухсторонним входом 1 включает в себя входную часть, или входное устройство, рабочее колесо, диф фузор и выходные патрубки. Главной частью такого компрессора является рабочее колесо, на торцовых, поверхностях которого распо ложены прямые радиальные лопатки (они могут выполняться и изогнутыми). Рабочее колесо жестко связано с валом, приводимым во вращение газовой турбиной, и находится внутри неподвижного
1 Центробежные компрессоры выполняются также и с односторонним вхо
дом.
11
корпуса, к которому с обеих сторон примыкают входные устройства. При вращении рабочего колеса воздух, находящийся в его ка налах, отбрасывается под действием центробежных сил к перифе рии, благодаря чему на входе создается разрежение и устанавли вается непрерывное течение воздуха через проточную часть ком прессора. Так как в колесе к воздуху извне подводится механиче ская энергия (в виде работы, совершаемой аэродинамическими си-
Рис. 2. Принципиальная схема ТРД с центробежным компрессором
лами, действующими на поток со стороны лопаток), то он покидает колесо с повышенным статическим давлением и увеличенной ско ростью.
Дальнейшее увеличение статического давления воздуха за счет снижения его скорости происходит в диффузоре и частично в вы ходных патрубках, служащих для подвода воздуха к камерам сго рания.
Отличительным признаком рассматриваемого типа компрессора является движение воздуха в каналах рабочего колеса в радиальном направлении от центра к периферии, т. е. в направлении действия центробежных сил, чем и объясняется его наименование.
Общность принципа действия осевого и центробежного компрес соров заключается в повышении полного давления воздуха за счет механической энергии, подводимой к нему извне с помощью рабо чего колеса. Различие же состоит в том, что в колесе осевого ком прессора статическое давление воздуха возрастает в результате пре образования кинетической энергии потока в относительном движе-
12
нии в потенциальную, >а в колесе центробежного компрессора — в основном за счет воздействия центробежных сил.
Рассмотрим теперь устройство и принцип действия турбины. Осевая газовая турбина представляет собой обращенный осевой компрессор и аналогично последнему состоит из нескольких рядов подвижных и неподвижных лопаток, находящихся внутри кольцевого канала. В каждом ряду лопатки имеют одинаковую форму и равноудалены друг от друга.
Ряд неподвижных лопаток вместе с кольцевыми бандажами, слу жащими для их крепления, называется сопловым аппаратом, а ряд подвижных лопаток вместе с несущим их диском, жестко связанным с валом турбины, — рабочим колесом. Рабочее колесо в совокупно сти с предшествующим ему сопловым аппаратом образует ступень турбины.
Авиационные газовые турбины выполняются как одноступенча тыми (рис. 2), так и многоступенчатыми (рис. 1).
Лопатки осевой турбины во многом сходны с лопатками осевого компрессора и отличаются от последних главным образом располо жением по отношению к плоскости вращения колеса, очертанием образованных ими каналов и более сильной изогнутостью профиля. Межлопаточные каналы как соплового аппарата, так и рабочего ко леса турбины в отличие от осевого компрессора имеют конфузорную форму, что необходимо для обеспечения расширения газа.
Рабочий процесс газовой турбины протекает следующим обра зом. Газ, обладающий повышенным давлением и температурой, вхо дит в каналы соплового аппарата, где происходит его расширение
иодновременно осуществляется поворот потока на некоторый угол
сцелью придания ему наклонного направления перед входом в ко лесо. В результате расширения давление и температура газа умень шаются, а скорость соответственно возрастает. Обычно в сопловом аппарате расширение газа полностью не заканчивается (т. е. давле ние на выходе из соплового аппарата превышает давление за турби ной) и частично продолжается в колесе.
По выходе из соплового аппарата поток газа с большой ско ростью поступает в рабочее колесо. При протекании через каналы
колеса газ изменяет направление и величину скорости своего дви жения, оказывая на рабочие лопатки силовое воздействие, что и приводит колесо во вращение.
У лопаток рабочего колеса турбины в отличие от осевого ком прессора линия изгиба профиля всегда бывает обращена выпук лостью в сторону вращения. Поэтому поворот потока в колесе осу ществляется в сторону, противоположную вращению, а окружные составляющие полных аэродинамических сил, действующих на ло патки, оказываются направленными по вращению колеса. Совер шаемая этими составляющими механическая работа сообщается ло паткам и затем через диск колеса передается на вал турбины.
Механическая энергия вращения колеса получается частично за счет кинетической энергии, приобретенной потоком в сопловом ап-
13
парате. Кроме того, в рабочем колесе, как правило, продолжается процесс расширения газа, который приводит к дополнительному пе реходу его потенциальной энергии в кинетическую. Часть последней также используется для совершения механической работы. В ре зультате указанных преобразований газ покидает колесо со значи тельно меньшей скоростью, а также с более низким давлением и температурой, чем входит в него из соплового аппарата.
§2. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ОБЩИХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ОСНОВ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
Компрессоры и газовые турбины с самого начала их применения на авиационных двигателях развивались чрезвычайно быстрыми темпами и в течение короткого срока достигли высокой степени со вершенства. Этим они обязаны, во-первых, предшествовавшему мно голетнему опыту создания лопаточных машин для других отраслей техники, во-вторых, обширным теоретическим и экспериментальным исследованиям этих машин и, в-третьих, современным достижениям газовой динамики.
Первыми предшественниками авиационных компрессоров и тур бин являлись гидротурбомашины, которые в своем простейшем виде были известны свыше 2000 лет тому назад. Однако разработка стро гой научно обоснованной теории этих машин стала возможной только после того, как в XVIII веке появилась наука о движении жидких и газообразных тел — гидродинамика. Первостепенная роль в создании этой науки принадлежит Российской Академии наук в лице ее двух выдающихся академиков: Леонарда Эйлера (1707— 1783) и Даниила Бернулли (1700— 1783).
Л. Эйлер в 1755 г. в трактате «Общие принципы движения жид костей» впервые составил общие уравнения движения идеальных жидкостей, сформулировал законы количества движения и момен тов количества движения в гидродинамической форме и вывел урав нение неразрывности, представляющее собой закон сохранения мас сы для жидкого тела. Одна из крупнейших заслуг Эйлера в области прикладной гидродинамики заключается в выводе уравнения для определения вращающего момента, действующего на рабочее коле со турбомашины. Это уравнение легло в основу так называемой струйной теории турбомашин, которая на многие годы стала фунда ментом для их прогресса и не потеряла своего значения до настоя щего времени.
Д. Бернулли в 1738 г. опубликовал трактат «Гидродинамика», в котором вывел известную теорему, устанавливающую связь между давлением, высотой уровня и скоростью движения несжимаемой жидкости. Теорема эта, обобщенная в XIX веке на случай сжимае
мого газа, является одной из фундаментальных теорем гидродина мики.
Работы Эйлера, Бернулли, а также крупного французского уче ного Д ’Аламбера (1717— 1783) привели к почти законченному фор-
14
мироваииго гидродинамики идеальной жидкости, представляющей собой основной раздел механики жидкости и газа.
В конце XIX и начале XX века в промышленности и на тран спорте начинают все более широко применяться турбомашины, ра ботающие на сжимаемом газе: вентиляторы, воздуходувки, газодувии, центробежные и осевые компрессоры, паровые и газовые тур бины. Ввиду значительного изменения плотности газа и существен ной роли тепловых процессов в этик машинах создание удовлетво рительных методов их расчета оказалось невозможным без учета законов термодинамики и нового специального раздела гидродина мики— динамики сжимаемого газа.
Этот важнейший в современной гидродинамике раздел зародился одновременно с динамикой вязкой жидкости в начале XIX века и разрабатывался параллельно с последней. Мощный скачок в раз витии динамики сжимаемого газа знаменовало собой появление в начале нашего века теории крыла самолета, созданной крупнейши ми русскими учеными Н. Е. Жуковским {1847— 1921) и С. А. Чап лыгиным (1869— 1942).
Циркуляционная теория подъемной силы крыла, опубликован ная Жуковским в 1906 г., получила мировое признание и далеко продвинула вперед разрешение почти всех основных гидродинами ческих проблем того времени. К числу выдающихся исследований Жуковского относятся также выполненные им в период 1912— 1918 гг. работы по вихревой теории винта и осевого вентилятора, которые явились прочной базой для разработки аэродинамических методов расчета лопаточных машин. В этих работах Жуковский, в частности, доказал применимость своей теоремы о подъемной силе изолированного профиля к решетке профилей, обтекаемой идеаль ной несжимаемой жидкостью.
Ряд крупных исследований в области теории крыла выполнил ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Чаплыгин. В 1914 г. Чаплыгин изложил теорию решетчатого крыла, которую в 1933 г. обобщил для случая решетки, составленной из произволь ных профилей. Исключительная по глубине идей докторская диссер тация Чаплыгина «О газовых струях» (1902) явилась крупнейшим вкладом в науку о движении газа и составила основу всей современ ной газовой динамики.
Фундаментальные идеи Жуковского и Чаплыгина были в даль нейшем развиты воспитанниками созданной ими отечественной шко лы аэродинамиков. Результаты их исследований по актуальным проблемам гидродинамики широко используются в настоящее время при решении прикладных задач, выдвигаемых практикой турбома шиностроения.
Для совершенствования лопаточных машин огромное значение имеет глубоко разработанная советскими учеными на основе работ
.Жуковского и Чаплыгина гидродинамическая теория решеток. Раз личные случаи обтекания решетки профилей потоком жидкости и газа с большой полнотой исследованы в трудах Н. Е. Кочина,
15
| 2014 biblioonline ru |