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

в состоянии обеспечивать большие общие степени сжатия при весьма высоком к. п. д., в чем заключается одно из основных его достоинств.

Важным преимуществом осевого компрессора перед центробеж­ ным, во.многих случаях играющим первостепенную роль, являются его меньшие диаметральные габариты или при одинаковых габари­ тах — большая производительность. По литературным данным [37] при одинаковой площади миделя осевой компрессор по пропускной способности превосходит центробежный примерно в три раза.

По осевым габаритам, которые, как правило, не имеют сущест­ венного значения для авиационного двигателя, преимущества ока-

Рис. 148. Сравнение характеристик осевого и центробеж­ ного компрессоров

зываются на стороне центробежного компрессора, потому что при обычных для современных ГТД степенях сжатия осевой компрессор приходится выполнять с большим числом ступеней.

Что касается весовых данных осевого и центробежного ком­

изменяется в пользу осевого компрессора.

Способность работать устойчиво и с высоким к. п. д. во всем диа­ пазоне режимов, встречающихся при эксплуатации, что является одним ив основных требований к авиационному компрессору, опре­ деляется видом его характеристик и, в частности, расположением границы помпажа. На рис. 148 изображены в совмещенном виде ха­ рактеристики осевого и центробежного компрессоров, имеющих оди­ наковую степень сжатия и расход воздуха на расчетном режиме [37].

283

Значения всех величин в расчетной точке приняты за 100%. Как видно, граница помпажа осевого компрессора располагается правее и протекает круче, чем центробежного, что приводит к существен­ ному сужению области его устойчивой работы по расходу, особенно на пониженных числах оборотов. Благодаря этому при одной и той же характеристике сети расстояние от нее до границы помпажа (оп­ ределяющее запас устойчивой работы) у осевого компрессора по сравнению с центробежным уменьшается. Этот недостаток осевого компрессора особенно остро проявляется при пологих характеристи­ ках сети, которые присущи, например, ГТД с высокой степенью сжа­ тия компрессора, и обусловливает, в частности, наличие затруднений при запуске двигателей, так как на режимах запуска компрессор приближается к границе помпажа. В двигателях с центробежными компрессорами такое явление, как правило, отсутствует.

Рис. 148 свидетельствует также об отмеченной ранее большей чувствительности осевого компрессора по сравнению с центробеж­ ным к изменению расхода воздуха, что следует, вообще говоря, от­ нести к числу его недостатков. Однако это обстоятельство оказы­ вается не всегда одинаково важным. Так, например, если в процессе эксплуатации сопротивление сети специально не регулируется и ее характеристика проходит через точки, примерно соответствующие максимальным значениям к. п.д. компрессора на разных числах оборотов, то крутизна его характеристик по расходу не имеет осо­ бенно большого значения, потому что на каждом числе оборотов расход воздуха на установившихся режимах совместной работы сети

икомпрессора не претерпевает изменения. Подобным образом рас­ полагается характеристика сети в поле характеристик компрессора

ипритом в широком диапазоне чисел оборотов у многих ГТД с не­ регулируемым сопротивлением сети. Изменение расхода воздуха в сравнительно узких пределах при п — const наблюдается у этих дви­ гателей только на переходных режимах, а также в области очень низких чисел оборотов. Поэтому для таких двигателей крутое про­ текание характеристик осевого компрессора не является большим недостатком и не препятствует его широкому практическому исполь­ зованию.

Необходимо вместе с тем учитывать, что условия работы ком­ прессора далеко не всегда оказываются столь благоприятными. Вопервых, в зависимости от крутизны протекания характеристики сети по расходу она может пересекать напорные характеристики ком­ прессора на нерасчетных числах оборотов в точках, отнюдь не соот­ ветствующих максимальным к. п.д. Во-вторых, регулирование ре­ жима работы компрессора иногда осуществляется при постоянных оборотах за счет изменения сопротивления сети (например, измене­ ния площади реактивного сопла ТРД или угла установки лопастей винта турбовинтового двигателя), которое сопровождается переме­ щением рабочей точки вдоль напорной характеристики. В рассмот­ ренных случаях чувствительность компрессора к изменению расхода воздуха приобретает уже немаловажное значение.

2 8 4

Следует отметить, что узкий диапазон устойчивой работы и в об­ щем случае крутое протекание характеристик относятся к числу наи­ более существенных недостатков осевого компрессора, в связи с ко­ торыми на практике и получили широкое применение описанные вы­ ше различные средства его механизации, как-то: поворотные ло­ патки СА, перепускные ленты и клапаны и т. п.

В производстве осевые компрессоры сложнее и дороже, чем цен­ тробежные, что связано главным образом с необходимостью изго­ товления для них большого числа тщательно обрабатываемых лопа­ ток с весьма жесткими допусками на форму и размеры. Но так как современные технологические приемы производства лопаток отли­ чаются большим совершенством, то разница в стоимости сравнивае­ мых компрессоров невелика.

В конструктивном отношении осевые компрессоры имеют тот серьезный недостаток, что вследствие большой длины они менее жестки и подвержены температурным влияниям в большей степени, чем центробежные. Проблемы, связанные с устранением вибраций лопаток, решаются у осевого компрессора с большим трудом, чем у центробежного, так как даже в самом простом осевом компрессоре имеется всегда несколько типов лопаток с различными частотами собственных колебаний. Поэтому в процессе доводки осевого ком­ прессора бывает очень трудно устранить все резонансные частоты лопаток в широком диапазоне его рабочих режимов.

По своим эксплуатационным .качествам и по живучести осевые компрессоры заметно уступают центробежным. Осевой компрессор с его точными, хорошо обработанными поверхностями весьма чув­ ствителен к влиянию загрязнения и царапин на поверхностях лопа­ ток. При работе на пыльном воздухе сравнительно тонкие входные кромки лопаток осевого компрессора быстро изнашиваются, что сов­ местно о общим искажением формы профиля крайне отрицательно сказывается на его работе. Склонность к обледенению лопаток и опасность их разрушения при попадании кусков льда, обрыве одной из лопаток, а также пулевых и осколочных повреждениях у осевого компрессора больше, чем у центробежного.

Статистика показывает, что в течение первых 5—6 лет после по­ явления авиационных ГТД осевые и центробежные компрессоры ис­ пользовались на них примерно в равной степени. Однако в дальней­ шем в связи с отмеченными выше достоинствами и быстрым совер­ шенствованием осевых .компрессоров масштабы их применения не­ прерывно увеличивались и в настоящее время они практически пол­ ностью вытеснили центробежные компрессоры из области авиацион­ ных ГТД.

Для того чтобы сочетать положительные качества, присущие осе­ вому и центробежному компрессорам, их иногда устанавливают на двигателе совместно, располагая в последовательности, указанной на рис. 149. Такая совокупность получила наименование комбини­ рованного, или осецентробежного, компрессора и по своим показа-

285

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ

§ 84. СХЕМА И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Широкое использование газовых тур’бин в авиации обусловлено рядом их ценных качеств: способностью развивать значительную мощность при малых габаритах и весе, достаточно высоким к. п. д., сравнительной простотой устройства, надежностью в эксплуатации и т. д. Наиболее полно эти качества воплощены в турбинах осевого типа, получивших на авиационных двигателях почти исключитель­ ное применение.

. Простейшим видом осевой турбины является одноступенчатая турбина (рис. 151), которая, как указывалось во введении, состоит из неподвижного соплового аппарата (СА) и вращающегося рабо­ чего колеса (РК)- Сопловой аппарат служит для преобразования потенциальной энергии газа в кинетическую и, кроме того, для при­ дания потоку определенного направления при входе в колесо. Рабо­ чее колесо предназначено для превращения части кинетической и потенциальной энергии газа в механическую работу, передаваемую на вал турбиньп

При анализе работы турбины и ее расчете будем пользоваться следующими обозначениями ее характерных сечений: z-z — на входе

вСА (а также в ступень или турбину), 1-1 — между СА и РК, 2-2— на выходе из РК (а также из ступени или турбины).

Параметры газа и другие величины будем снабжать индексами

всоответствии с обозначением сечения, к которому они относятся. Течение газа в осевой турбине, как и в осевом компрессоре, про­

исходит 'приблизительно соосными, цилиндрическими слоями, ось

2 8 7

которых совпадает с осью турбины. Каждому такому слою газа, счи­ тая толщину его бесконечно малой, соответствует элементарная сту­ пень турбины, представляющая собой совокупность решеток профи­ лей соплового аппарата и рабочего колеса на данном радиусе.

У лопаток турбины, как к у лопаток компрессора, форма про­ филя, его размеры, расстояние между профилями и их углы уста­ новки в общем случае вдоль радиуса изменяются. Поэтому на раз­ личных радиусах элементарные сту­ пени имеют различные геометриче­

ские параметры.

Рассмотрим движение газа и из­ менение его параметров в проточной

части применительно к некоторому произвольному радиусу, на­ пример среднему (сечение а-а на рис. 151). Схема элементарной ступени турбины на этом радиусе представлена на рис. 152.

конфузорную форму, происходит процесс расширения газа, при

Благодаря определенному изгибу профилей лопаток СА по­

2 8 8

продолжается и в РК. В- результате газ покидает колесо с мень­

дит в него из GA.

Для того чтобы пояснить получение внешней механической

метров газа целиком определяется конфигурацией канала. Меж­ лопаточные каналы колеса аналогично СА в общем случае имеют конфузорную форму, в результате чего относительная скорость газа в них увеличивается (w2 > Wj), а давление и тем­ пература падают (р2<Сри Т2<^Т{). Рост скорости в относитель­ ном движении обусловливает увеличение силового воздействия газа на лопатки РК, что и приводит к получению дополнитель­ ной механической работы.

§85. КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Воснову классификации пазовых турбин могут быть положены различные газодинамические и конструктивные признаки: характер

изменения во времени параметров паза.на входе в турбину; способ подвода газа к рабочему колесу; направление движения газа в про­ точной части; число ступеней и т. д.

Параметры газа на входе в турбину могут оставаться во време­ ни постоянными или периодически изменяться. Турбины первого типа обычно называют турбинами с постоянным давлением сгорания, а второго типа — турбинами с постоянным объемом сгорания, или

1 Имеется в виду, что теплообмен газа с наружной средой отсутствует; практически он невелик и им обычно пренебрегают.

2 Относительные скорости w x и w2 определяются путем разложения абсо­ лютных скоростей С] и с3 на окружную скорость вращения колеса и и иско­ мые скорости га1 и %о2.