Удельные параметры ГТД непрямой реакции

Для ТВаД используются аналогичные удельные параметры, но отнесенные не к тяге, а к развиваемой двигателем мощности.

Удельной мощностью ТВаД N_{е уд} (кВт×с/кг) называется отношение мощности N_е к расходу воздуха через двигатель G _в, т.е.

N_{е уд} = N_е / G _в.

Удельным расходом топлива ТВаД С_е  называется отношение часового расхода топлива к мощности, развиваемой двигателем

С_е = G _т.ч/ N_е.

Удельной массой вертолетного двигателя g _дв (кг/кВт) называется отношение массы двигателя к его мощности

g_дв = m _дв/ N_е.

Для ТВД и ТВВД используются такие же параметры, но вместо N_е в них рассматривается эквивалентная мощность N _экв, которая учитывает также мощность, создаваемую реактивной тягой. Тогда во всех выражениях используется N _экв.

Удельные параметры одного и того же двигателя изменяются с изменением условий полета и режима работы двигателя. На практике для сравнения различных двигателей чаще всего используются удельные параметры, соответствующие земным условиям (V =0; Н =0) и максимальному режиму работы двигателя.

 

Глава 3

ТЕОРИЯ СТУПЕНИ КОМПРЕССОРА ГТД

НАЗНАЧЕНИЕ КОМПРЕССОРОВ ГТД, ИХ ТИПЫ

И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Компрессор предназначен для повышения давления воздуха, поступающего из воздухозаборника, (что необходимо для осуществления цикла Брайтона) и прокачки его далее по тракту двигателя.

Основными типами компрессоров современных авиационных газотурбинных двигателей являются одно- или многоступенчатые осевые компрессоры или осецентробежные компрессоры.

Другие типы компрессоров применяются реже. В мощных ГТД применяются исключительно осевые компрессоры, так как они позволяют обеспечить большой расход воздуха, необходимый мощным двигателям, при минимальных габаритах. В двигателях сравнительно небольших размеров может применяться сочетание нескольких осевых и обычно одной (последней) центробежной ступени. Такой компрессор называется осецентробежным. Его основным преимуществом является возможность обойтись (при необходимой степени повышения давления) меньшим числом степеней, поскольку в центробежной ступени можно обеспечить значительно более высокое повышение давления, чем в осевой. Но габариты компрессора при этом увеличиваются, что для мощных двигателей может оказаться неприемлемым.

Основными требованиями к компрессорам ГТД являются:

- минимально возможные габариты и масса при данном расходе воздуха и степени повышения давления;

- минимальные гидравлические потери;

- устойчивая работа на всех эксплуатационных режимах;

- высокая надежность конструкции;

- минимальное число ступеней, которое в значительной мере определяет стоимость компрессора.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия в отдельных его ступенях. Несмотря на существенные различия в формах проточной части и характере течения воздуха в ступенях компрессоров различных типов, рабочий процесс в них имеет много общего, а их совершенство оценивается однотипными коэффициентами. Поэтому ниже изложение теории компрессоров будет вестись, в основном, применительно к осевым компрессорам, имеющим наибольшее распространение в авиационных ГТД, а особенности компрессоров (ступеней) других типов будут отмечаться по мере необходимости.

 

3.2. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТУПЕНИ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

 

Осевой компрессор имеет несколько рядов лопаток, закреплннных на вращающихся дисках или барабане и образующих ротор компрессора (рис. 3.1).

Один ряд лопаток ротора (вращающийся лопаточный венец) называется рабочим колесом (РК).

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов неподвижных лопаток (лопаточных венцов), закрепленных в корпусе.

 

Рис. 3.1. Ротор и статор осевого компрессора

Рис. 3.2. Схема ступени осевого компрессора

Назначением лопаток статора является спрямление воздушного потока, закрученного впереди стоящим рабочим колесом, и направление его под необходимым углом на лопатки расположенного далее следующего рабочего колеса. Соответственно этому один ряд лопаток статора называется направляющим аппаратом (НА).

Если первый ряд лопаток статора установлен впереди первого рабочего колеса, то он называется входным направляющим аппаратом (ВНА).

Пространство, заключенное между поверхностями втулки и корпуса, называется проточной частью ступени.

Сочетание одного рабочего колеса (РК) и одного стоящего за ним направляющего аппарата (НА) называется ступенью компрессора (осевой ступенью, рис. 3.2).

Будем рассматривать в дальнейшем следующие сечения проточной части ступени: 1-1 - перед рабочим колесом, 2-2 - за рабочим колесом и 3-3 - за направляющим аппаратом. Параметры воздушного потока в этих сечениях будем отмечать индексами, соответствующими номеру сечения.

В каждом из этих сечений различают диаметр втулки D _вт (по основаниям лопаток) и наружный диаметр D _к (по корпусу). На рис. 3.2 эти диаметры показаны для сечения 1-1.

Предположим для простоты, что все струйки воздуха, проходящие через ступень, движутся по цилиндрическим поверхностям, что обычно близко к действительности. Тогда для анализа картины течения воздуха в ступени проведем мысленно её сечение такой цилиндрической поверхностью А - А, ось которой совпадает с осью РК, и развернем затем это сечение на плоскость. Тогда сечения лопаток РК и НА представятся в виде двух рядов одинаковых и одинаково расположенных профилей, образующих решетки профилей рабочего колеса и направляющего аппарата, как показано на рис. 3.3 (где для удобства дальнейшего изложения сечения лопаток повернуты по отношению к рис. 3.2 на 90°).

Рассмотрим течение воздуха через эти решетки профилей. На входе в рабочее колесо скорость воздуха по отношению к корпусу компрессора (будем называть ее абсолютной скоростью) в общем случае может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени или установки перед колесом входным направляющим аппаратом, показанного на рис. 3.3 пунктиром. Эта скорость изображена на рис. 3.3 вектором . Вращению рабочего колеса соответствует на рис. 3.3 перемещение решетки РК справа налево с окружной скоростью .

 

Рис. 3.3. Схема течения воздуха в ступени осевого компрессора

 

Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток (относительной скорости) применим известное правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна сумме относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость лопаток, следовательно,

.

Треугольник, составленный из векторов ,  и , называется тре­угольником скоростей на входе в колесо.

Лопатки рабочего колеса захватывают поступающий к ним воздушный поток и проталкивают его дальше вдоль проточной части (вправо на рис. 3.2 и, соответственно, вниз на рис. 3.3), сообщая ему при этом энергию. Во избежание срыва потока с их поверхности лопатки РК должны быть установлены так, чтобы их передние кромки были направлены под малым углом к направлению вектора . Кроме того, для усиления передачи воздуху энергии форма (кривизна) профилей лопаток должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы уголвыхода потока из колеса b₂ был больше угла входа b₁. Как видно из рис. 3.3, такая форма профилей лопаток образует между двумя соседними профилями расширяющийся канал . Поэтому течение в таком канале сопровождается увеличением площади поперечного сечения каждой струи воздуха. Соответственно относительная скорость воздуха в рабочем колесе уменьшается (W ₂ < W ₁), а давление возрастает (p ₂ > p ₁).

Такое обтекание лопаток рабочего колеса сопровождается воз­никновением на каждой лопатке аэродинамической силы , направленной от вогнутой поверхности профиля к выпуклой (см. рис. 3.3). Работа, затрачиваемая на преодоление этой силы при вращении колеса и передаваемая воздуху, идет как на увеличение абсолютной скорости (т.е. кинетической энергии) воздуха, прошедшего через колесо, так и на повышение его давления, как показано в верхней части рис. 3.2. Соответственно полный напор воздушного потока также возрастает .

Вектор абсолютной скорости потока воздуха за решеткой рабочего колеса  может быть определен путем сложения уже известных векторов скоростей  и , т.е. построением треугольника скоростей на выходе из колеса (см. рис. 3.3). Вследствие поворота потока в колесе вектор скорости  оказывается отклоненным от вектора  в сторону вращения колеса. Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток воздуха в обратную сторону, причем форма их подбирается обычно так, чтобы направление вектора скорости воздуха за ступенью  было близко к направлению вектора . При этом, как и в рабочем колесе, поворот межлопаточного канала приводит к увеличению поперечного сечения струи воздуха, проходящей через канал между соседними лопатками . В результате скорость воздуха в направляющем аппарате падает, а давление растет. Но здесь рост давления обеспечивается только за счет использования кинетической энергии воздуха. Полный напор воздушного потока в направляющем аппарате уже не растет, а несколько уменьшается из-за влияния гидравлических потерь.

Таким образом, течение воздуха через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости воздуха в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Показанные на рис. 3.3 треугольники скоростей в сечениях 1-1 н 2-2 обычно совмещают на одном чертеже, называемом треугольником скоростей ступени. В общем случае он имеет вид, показанный на рис. 3.4. Здесь же указаны те обозначения, которые будут использованы в дальнейшем.

При построении треугольника скоростей ступени надо учитывать, что величина составляющей скорости воздуха в направлении оси компрессора (осевая составляющая) при прохождении воздуха через колесо в общем случае может изменяться. Вследствие увеличения давления в колесе плотность воздуха на выходе из него оказывается больше, чем на входе, и поэтому при постоянной высоте лопаток осевая составляющая скорости воздуха соответственно уменьшается. Но обычно ступень выполняют таким образом, что высота лопаток к выходу из нее уменьшается. В этом случае осевая составляющая скорости воздуха может как уменьшаться, так и увеличиваться, в зависимости от соотношения изменения плотности воздуха и площади поперечного сечения воздушного тракта ступени. В расчетных условиях работы ступени обычно имеет место некоторое уменьшение осевой составляющей скорости воздуха в колесе и в ступени в целом.

Рис. 3.4. Треугольники скоростей ступени осевого компрессора

На рис. 3.4 c _{1 u} - окружная составляющая абсолютной скорости воздуха перед колесом (предварительная закрутка). Очевидно, . Если a₁ < 90°, т.е. предварительная закрутка направлена в сторону вращения колеса, то она считается положительной. Случай a₁ > 90° соответствует отрицательной закрутке. Если a₁ = 90°, то вектор  направлен параллельно оси вращения колеса, предварительная закрутка отсутствует и ступень в этом случае называется ступенью с осевым входом. Величина , т.е. разность окружных составляющих относительных скоростей воздуха перед и за колесом, называется закруткой воздуха в рабочем колесе в относительном движении, а - закруткой воздуха в РК в абсолютном движении. Если , то .