Материал: Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

плуатации этих машин, обусловивший довольно высокий уровень их развития.

Предшественниками центробежных компрессоров следует счи­ тать центробежные насосы; которые начали использоваться в про­ мышленности еше в XVIII веке, и созданные в XIX веке центробеж­ ные вентиляторы. Одним из первых творцов центробежных вентиля­

струировал несколько работоспособных образцов вентиляторов, по­ лучивших практическое применение в промышленности.

Особенно быстро центробежные вентиляторы стали развиваться после того, как в начале XX века Н. Е. Жуковский распространил на них созданную им вихревую теорию гребного винта. Эта теория позволила разработать совершенные методы аэродинамического расчета вентиляторов, резко повысившие их эффективность. Боль­

напорности центробежного вентилятора явилось создание центро­ бежного компрессора, который был впервые выпущен в 1900- г. фир1 мой Рато. Благодаря ряду своих существенных преимуществ цен­ тробежный компрессор быстро вытеснил поршневой из очень мно­ гих отраслей промышленности и нашел также применение на назем­ ном транспорте. В течение первых двух десятилетий XXвека в ряде западноевропейских стран было налажено серийное изготовление одно- и многоступенчатых центробежных компрессоров для самых различных целей, причем наибольших успехов в этом отношении до­ стигли швейцарские фирмы Рато, Броун-Бовери (в работах этой фирмы деятельное участие принимал выдающийся чешский ученый Стодола) и Эшер-Висс, немецкая фирма Егер, английские фирмы Парсонс, Фрезер и Чальмерс и др.

Внашей стране производство центробежных компрессоров было организовано на ряде заводов только после установления советской власти в связи с потребностями первых пятилеток. Однако развива­ лась эта отрасль машиностроения очень быстрыми темпами и в ко­ роткие сроки достигла больших успехов. Особые заслуги в создании уникальных конструкций центробежных компрессоров, превосходя­ щих по своим параметрам лучшие заграничные образцы, а также в развитии их теории принадлежат Невскому машиностроительному заводу им. Ленина, который с 1933 г. стал главным поставщиком этих машин для различных отраслей народного хозяйства.

В20-х годах текущего столетия центробежные компрессоры на­ чали широко применяться в авиации в качестве агрегатов наддува поршневых авиадвигателей. Однако получить высоконапорные, эко­ номичные и вместе с тем легкие конструкции центробежных ком­ прессоров для наддува, или, как их часто называют, центробежных нагнетателей, удалось не сразу. В вашей стране этому предшество­ вали обширные исследования отдельных элементов нагнетателей,

проведенные под руководством Б. С. Стечкина в ЦАГИ. Опираясь на эти исследования, Стечкин разработал основы теории и расчета авиационных нагнетателей, которые опубликовал в 1934 г.

Огромную роль в дальнейшем совершенствовании отечественных нагнетателей сыграли их систематические теоретические и экспери­ ментальные исследования, проводившиеся в течение многих лет, на­ чиная с 1930 г., в ЦИАМ им. Баранова. Эти исследования возглав­ лялись В. И. Дмитриевским, который в 1935 г. опубликовал фунда­ ментальную монографию «Нагнетатели и наддув авиационных дви­ гателей», значительно дополненную и переработанную совместно с Холщевниковым в 1939 г. [13]. В этом труде были настолько глубо­ ко н полно разработаны важнейшие вопросы теории и расчета авиа­ ционных нагнетателей различного типа, что он на многие годы стал настольной книгой для каждого авиационного инженера.

Ценный вклад в теорию центробежных компрессоров внес в этот период также В. И. Поликовакий, написавший 'капитальное сочине­ ние «Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры», которое в даль­ нейшем неоднократно переиздавалось.

Вконце 30-х годов текущего столетия центробежный компрес­ сор впервые получает применение на авиационных газотурбинных двигателях. Первый авиационный газотурбинный двигатель с цен­ тробежным компрессором, разработанный английским конструкто­ ром Уиттлом, прошел испытания в 1937 г. Вскоре после окончания второй мировой войны ГТД с центробежными компрессорами стали широко использоваться в авиации.

ВСоветском Союзе тщательное исследование особенностей круп­ норазмерных авиационных центробежных компрессоров в целях по­ вышения их эффективности было проведено в ЦИАМ. Больших ус­ пехов в разработке отечественных конструкций центробежных ком­ прессоров для ГТД достиг также коллектив конструкторов, возглав­ лявшийся В. Я. Климовым. Благодаря совместным усилиям конструк­ торских бюро и научно-исследовательских институтов в нашей стране были созданы высококачественные центробежные компрес­ соры для ГТД, которые удовлетворяли самым жестким требованиям

иполучили широкое практическое применение.

Всвязи с непрерывным ростом степени сжатия и быстрым со­ вершенствованием осевых компрессоров последние годы характери­ зуются существенным ослаблением интереса со стороны конструк­ торов ГТД к центробежным компрессорам и значительным сокраще­ нием их выпуска. В настоящее время новые ГТД с центробежными компрессорами во всех странах почти не проектируются, а произ­ водство ранее созданных двигателей или прекращено полностью, или сведено к минимуму. Поэтому вопросы теории и расчета центро­ бежных компрессоров излагаются в сокращенном виде.

180

Г Л А В А Д Е С Я Т А Я

РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА НА РАСЧЕТНОМ РЕЖИМЕ

§ 59. ВХОДНАЯ ЧАСТЬ

Входная часть центробежных компрессоров ГТД выполняется в виде или короткого прямого патрубка (рис. 84), или кольцевого коленообразно'го патрубка с углом поворота потока, достигающим

90° (рис. 85).

К входной части предъявляются следующие основные требова­ ния: 1) минимальные гидравлические потери, 2) обеспечение необ­ ходимой величины и направления скорости воздуха перед РК, 3) осесимметричиость потока и отсутствие сильного искажения поля скоростей и давлений в сечении перед РК под воздействием присте­ ночного пограничного слоя.

Для обеспечения возможно большей равномерности потока пе­ ред колесом и уменьшения всех видов гидравлических потерь во входной части ей всегда придается конфузорная форма, а ее внут­ ренние поверхности отделываются с особой тщательностью (до зер­ кальной гладкости).

При коленообразной форме входной части особое внимание уде­ ляется борьбе с потерями на вихреобразование при повороте, кото­ рые составляют основную долю гидравлических потерь в ВЧ. По­ этому участок поворота стараются скруглять возможно большими радиусами. С этой же целью иногда применяется разделение потока неподвижными лопатками или специальными колоколообразными перегородками из тонкого листового материала (рис. 85) на отдель­ ные струи с увеличенным отношением радиуса кривизны к высоте канала, что способствует уменьшению интенсивности вихреобразования. Наивыгоднейшее очертание входной части окончательно всегда устанавливается экспериментальным путем.

Движение воздуха во входной части вследствие ее конфузорной формы носит ускоренный характер и, кроме того, является практи­ чески энергоизолированным. Поэтому возрастание скорости сопро­ вождается расширением воздуха, т. е. снижением его статического давления, температуры и удельного веса. Полная температура при этом, естественно, остается постоянной, а полное давление несколь­ ко уменьшается.

Если ННА во входной части отсутствует, то вход воздуха в ко­ лесо осуществляется в осевом направлении. При наличии ННА по­ ток получает в нем предварительную закрутку и поступает в Р,К с некоторым наклоном по отношению к плоскости ©ращения. Предва­ рительная закрутка обычно бывает направлена в сторону вращении РД.

Вслучае выполнения ВЧ по схеме, изображенной на рис. 85

и87, воздух после выхода из ННА, прежде чем попасть в ко­

лесо, должен еще миновать участок поворота Ь-1, где получен-,-

181

ная им предварительная закрутка и параметры состояния пре­ терпевают изменение. Учитывая слабое влияние трения воздуха о стенки каналов на кинематику потока и отсутствие момента внешних сил, можно приближенно считать, что на участке Ь-1 движение отдельных струек подчиняется закону „свободного вихря“ и поэтому

где с,„ — предварительная закрутка в сечении 1-1 на текущем радиусе г.

Сечение по d - d

Давление /?, можно определить по уравнению политропы, приняв в качестве начальных полные параметры состояния воз­ духа перед входной частью:

182