Двигатель. 1. Конструктивная схема трд и принцип его работы. Конструктивная схема дтрд и принцип его работы Дозвуковые входные устройства
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
7.Осевой компрессор. Принцип работы ступени компрессора. Осевой компрессор состоит из вращающейся части (ротор) и неподвижной части статор. Ротор образован несколькими рядами лопаток, называемых рабочими лопатками, статор образован несколькими рядами неподвижных лопаток, закреплённых в корпусе компрессора. Первый ряд неподвижных лопаток носит название направляющего аппарата. Сочетание рабочего колеса и следующая за ним спрямляющего аппарата компрессора. Число ступеней осевого компрессора – от 5 до 17. При вращении ротора рабочие лопатки, воздействуя на воздух, закручивают его и заставляют двигаться вдоль оси в сторону выхода из компрессора. Ротор состоит из нескольких рядов профилированных рабочих лопаток, расположенных по окружности и последовательно чередующихся вдоль оси вращения. Статор состоит из кольцевого набора профилированных рабочих лопаток, расположенных в корпусе закрепленными.  Осевой компрессор. Принцип работы ступени компрессора. Рабочими элементами ОК являются чередующиеся между собой в осевом направлении ряды подвижных (рабочих) и неподвижных (направляющих) лопаток. Каждый ряд рабочих лопаток вместе с несущим их элементом ротора (диском или частью барабана) называется рабочим колесом, Каждый ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом. Рабочее колесо вместе с установленным за ним направляющим аппаратом образуют ступень осевого компрессора. На рис. 3.1 показана схема ступени ОК, а на рис. 3.2 – решетки профилей лопаток РК (рабочее колесо) и НА (направляющий аппарат, которые получаются, если рассечь ступень цилиндрической поверхностью с радиусом r и развернуть полученное сечение на плоскость. Форма профилей лопаток РК и НА выбирается такой, что они образуют расширяющиеся межлопаточные каналы.  Рис. 3.1. Схема ступени ОК Воздушный поток воздействует на лопатку РК, заставляющую его изменить направление движения, с аэродинамической силой Р. Осевая составляющая этой силы (Ра) воспринимается подшипниками ротора компрессора и передается далее на корпус двигателя и на ВС. Окружная составляющая (Рu) создает момент, направленный против вращения РК. Для его преодоления к ротору ОК прикладывается соответствующий крутящий момент от газовой турбины. Согласно третьему закону Ньютона, лопатка РК воздействует на воздушный поток с силой Q = Р, но направленной в противоположную сторону. Ее осевая составляющая (Qа) проталкивает воздух вдоль проточной части двигателя. В результате на входе в ОК при работе двигателя на земле и при малых скоростях полета создается пониженное давление, обеспечивающее поступление к ОК атмосферного воздуха. Окружная составляющая (Qu) обеспечивает закрутку потока в сторону вращения РК. а  б Рис. 3.2. Решетки профилей лопаток РК (а) и НА (б) В расширяющихся межлопаточных каналах НА абсолютная скорость воздуха уменьшается от С2 до С3, примерно равной С1, а давление увеличивается до р3. Таким образом, дополнительная кинетическая энергия, сообщенная воздуху в РК (рабочее колесо), используется в НА (направляющий аппарат) для дальнейшего повышения давления. Отношение полного давления воздуха на выходе из ступени к полному давлению на входе в ступень называется степенью повышения давления в ступени. Конструктивные компоновки ОК зависят от типа ГТД, потребной степени повышения давления, степени двухконтурности и др. Для ТРД и ТВД небольшой тяги (мощности) с низкими параметрами рабочего процесса применяются однокаскадные ОК с числом ступеней, равным не более 8–10. Проточная часть таких ГТД выполняется с постоянным наружным диаметром, при котором корпус имеет простую в изготовлении цилиндрическую форму, а последние ступени, благодаря возрастанию среднего диаметра, обладают достаточно высокой напорностью. В ГТД с умеренными и относительно высокими параметрами рабочего процесса применяются двухкаскадные ОК, обладающие повышенными по сравнению с однокаскадными схемами запасами газодинамической устойчивости. Основное применение двухкаскадные ОК получили в ТРДД. У ТРДД с умеренной степенью двухконтурности (у = 1–3) вентилятор и КНД обычно выполняются с одинаковым числом ступеней или КНД снабжается дополнительными (подпорными) ступенями. Характерным элементом конструкции двухкаскадных ОК ТРДД является переходный корпус между КНД и КВД. Трехкаскадные ОК используют в ТРДД с большой степенью двухконтурности (у = 4–8). Вентиляторы таких ТРДД обычно выполняются одноступенчатыми сверхзвуковыми. Подшипники роторов вентилятора, КНД и КВД устанавливаются по одному на каждый ротор. Это позволяет существенно уменьшить осевые габариты ОК и его массу. Для высоконапорных ОК ТРДД проточная часть КВД обычно профилируется с постоянным наружным диаметром. При такой компоновке лопатки последних ступеней сохраняют достаточную напорность благодаря увеличению среднего диаметра (окружной скорости). Проточные части вентиляторов ТРДД выполняются по различным схемам, чаще с постоянным внутренним или постоянным средним диаметром, что позволяет уменьшить диаметр массивного переходного корпуса. Для КНД и КСД целесообразно применять проточную часть с постоянным внутренним диаметром либо комбинированную схему проточной части: в первых ступенях с постоянным средним диаметром, а в последних – с постоянным внутренним диаметром. Роторы осевого компрессора Ротор включает вращающиеся элементы конструкции: рабочие лопатки, диски (или барабан), на которых закреплены рабочие лопатки, валы или цапфы, которыми ротор опирается через подшипники на корпус. Различают три конструктивных типа роторов: барабанные, дисковые и смешанные (барабаннодисковые) (рис. 3.3). Достоинством роторов барабанного типа является высокая изгибная жесткость, обусловленная большим диаметром барабана, основным недостатком – низкая прочность на разрыв и малая радиальная жесткость, которые резко ограничивают практическое применение барабанных роторов: их иногда используют в низконапорных ОК малоразмерных ГТД.  а б в Рис. 3.3. Типы роторов ОК: а – барабанный, б – дисковый, в – барабаннодисковый; 1 – передняя цапфа; 2 – барабан; 3 – задняя цапфа; 4 – диски; 5 – вал; 6 – барабанный участок Достоинством дисковых роторов является высокая прочность на разрыв, поэтому они способны работать при больших окружных скоростях. Существенным недостатком является низкая изгибная жесткость, определяемая жесткостью вала относительно небольшого диаметра. Барабанно-дисковые роторы сочетают в себе достоинства барабанных и дисковых конструкций. Они имеют высокую жесткость во всех направлениях, хорошо сопротивляются действию центробежных сил при больших окружных скоростях. Барабаннодисковые роторы получили основное применение в современных ГТД. В зависимости от выбранного способа соединения между собой элементов конструкции барабанно-дисковые роторы могут быть разборными и неразборными. Рабочие лопатки являются главными элементами ротора ОК. В межлопаточных каналах РК происходит преобразование работы вращения ротора в кинетическую энергию движения воздуха и одновременно в потенциальную энергию его давления. Все остальные элементы конструкции ротора служат только для передачи механической энергии к рабочим лопаткам. Рабочая лопатка состоит из профилированной части (пера) и хвостовика, предназначенного для крепления лопатки на диске или барабане. Крепление рабочих лопаток обычно осуществляется с помощью хвостовиков типа «ласточкин хвост», устанавливаемых в продольные пазы ободов дисков. В первых ступенях ОК часто применяется шарнирное крепление лопаток с помощью хвостовиков типа «проушина». Массивные лопатки вентиляторов ДТРД иногда крепятся в продольных пазах ободов дисков с помощью хвостовиков елочного типа. Для повышения жесткости длинных лопаток вентиляторов ТРДД и демпфирования их колебаний на профильной части лопаток выполняются антивибрационные полки, между которыми в РК осуществляется плотный контакт. В перспективных конструкциях вентиляторов ТРДД рабочие лопатки предполагается применять без полок. Ведутся разработки широких пустотелых лопаток, обладающих достаточно высокой собственной жесткостью. Для демпфирования колебаний предусматривается размещение во внутренних полостях лопаток сотовых заполнителей. Статоры осевого компрессора Статор – неподвижная часть ОК, состоящая из направляющих аппаратов, корпуса ОК, корпусов НА, корпусов опор и различных оболочковых конструкций. Конструктивные компоновки статоров различаются по числу отдельно выполненных и соединенных в определенной последовательности корпусов опор и корпусов НА. По этому признаку выделяют двух-, трех- и многокорпусные статоры (рис. 3.4).  Рис. 3.4. Конструктивные компоновки статоров ОК: а – трехкорпусный статор, б, в – двухкорпусные статоры, г – четырехкорпусный статор двухкаскадного компрессора ТРДД; 1 – кок двигателя; 2 – корпус передней опоры; 3 – ВНА; 4 – корпус направляющих аппаратов; 5 – корпус задней опоры; 6 – спрямляющий аппарат; 7 – внутреннее кольцо корпуса передней опоры; 8 – внутренние кольцевые элементы корпуса средней опоры; 9 – регулируемый ВНА; 10 – корпус НА КНД; 11 – переходный корпус; 12 – оболочка наружного контура; 13 – корпус НА КВД; 14 – ВНА КВД В ОК с небольшим числом ступеней, а также в КВД или КСД многих ТРДД применяются двухкорпусные статоры. Статоры такого типа характерны для двигателей, силовые корпусы которых выполнены с внешней силовой связью. Двух- и трехкаскадные ОК ТРДД имеют многокорпусные статоры (четырех- и пятикорпусные) с объединенными корпусами опор. Роль объединенного корпуса опор в таких статорах обычно выполняет переходный корпус, который является корпусом задней опоры КНД и передней опоры КВД. Направляющие аппараты устанавливаются за РК для дальнейшего повышения давления воздуха в диффузорных межлопаточных каналах за счет снижения скорости потока в абсолютном движении. НА состоит из направляющих лопаток, закрепленных к наружному и внутреннему бандажным кольцам. Наружные бандажи служат для крепления НА к оболочке корпуса, а внутренние – для повышения жесткости. Иногда внутренние бандажи не применяются, а используются НА консольного типа. Входные направляющие аппараты устанавливаются перед РК первых ступеней для предварительной закрутки потока обычно по направлению вращения ротора с целью снижения относительной скорости потока в РК. Вентиляторы ТРДД с большой степенью двухконтурности часто применяются без ВНА с целью снижения уровня шума. Лопатки ВНА обычно выполняются с обогреваемыми входными кромками, во внутренние полости которых подводится горячий воздух от последних ступеней ОК для предотвращения обледенения. 8.Помпаж осевого компрессора. При увеличении расхода воздуха изменяется направление потока. Поток воздуха ударяется в спинку лопатку корытце возникают срывы потока и вихри. Благодаря тому, что у корыца давление больше, чем у спинки образовавшиеся вихри не могут распространиться по всему колесу. Наконец при снижении расхода воздуха по сравнение с расчетным потоком воздуха поступает на колесо с ударом о корытце, а у спинки возникает срыв потока и вихри. Эти вихри могут беспрепятственно распространяются по рабочему колесу. Образование срывов потока приводит к мгновенной закупорке компрессора, что вызывает падение давления за компрессором. Подобная неустойчивая работа, сопровождающаяся колебаниями, потока воздуха, называется помпажом. Так как кол-во воздуха, поступающего при помпаже в камеру сгорания, скачкообразным уменьшается, а подача топлива = const, смесь обогащается, скорость сгорания смеси уменьшается, и фронт пламени перемещается к турбине, из-за чего увеличивается температура газов. Увеличение температуры приводит к уменьшению срока службы двигателя, возникновения срывов потока приводит к уменьшению КПД компрессора. Помпаж осевого компрессора. При снижении расхода воздуха ниже определенной величины работа ОК становится неустойчивой и возникает явление, называемое помпажом. При помпаже появляются сильные низкочастотные колебания давления и скорости воздуха в ОК и прилегающих к нему элементах двигателя. Пульсация потока вызывает вибрации лопаток ОК и тряску двигателя, что может привести к поломкам ОК и всей силовой установки. Внешними проявлениями помпажа являются периодические сильные хлопки, резкое повышение температуры газов и снижение оборотов двигателя вплоть до срыва и затухания пламени в камере сгорания и самовыключения двигателя. Помпаж ОК в эксплуатации недопустим. Исследования показывают, что первостепенную роль в появлении помпажа играют срывы потока воздуха с лопаток ОК, возникающие при малых Gв. Срывы потока с лопаток возникают и при больших Gв, однако влияние срывов на работу ОК в этих двух случаях различно. Уменьшение Gв приводит к такому изменению скорости потока, при котором углы атаки лопаток РК и НА увеличиваются. Возникает срыв потока со спинок лопаток первых ступеней ОК. Вместе с тем поток воздуха в силу инерции стремится оторваться от спинки лопатки, что способствует образованию и развитию вихревых областей. Эти области проникают внутрь ОК, заполняя его проточную часть. Происходит периодически повторяющаяся «закупорка» проточной части ОК вихревыми областями. Через эти области воздух из-за ОК периодически прорывается в сторону входа. В результате возникают автоколебания воздушного столба, приводящие к неустойчивой работе ОК. При увеличении Gв (по сравнению с расчетным) угол атаки лопаток РК уменьшается и затем становится отрицательным. Это приводит к срыву потока с корыта лопаток, но при этом поток силами инерции прижимается к лопаткам. В результате срывные области у корыта лопаток не могут развиваться и носят местный характер, как правило, не нарушающий устойчивой работы ОК. В многоступенчатом ОК помпаж вначале возникает в одной или нескольких ступенях, но появление неустойчивой работы одной ступени вызывает колебания параметров во всей проточной части, и помпаж охватывает весь ОК. Ступенью, в которой в первую очередь возникает помпаж, будет та, в которой ранее всех появляется развитый срыв со спинок лопаток при малых Gв через эту ступень. При уменьшении к происходит снижение Са (и Gв) через первые ступени, а при повышении к – через последние. Уменьшение к может происходить в результате снижения оборотов ротора ОК и повышения температуры на входе Т1*, т. е. в результате уменьшения nпр. Следовательно, помпаж на первых ступенях ОК может возникнуть при снижении оборотов, повышении температуры наружного воздуха и скорости полета. Увеличение к происходит при повышении оборотов и снижении Т1, т. е. в результате повышения nпр. Следовательно, помпаж на последних ступенях ОК может возникнуть при n > nрасч, малых Тн и малых Vп. Помпаж, возникающий при малых nпр на первых ступенях, называется нижним помпажом, а при больших nпр – верхним помпажом. Возникновение верхнего помпажа в ОК наблюдается редко, в то время как при малых nпр устойчивая работа большинства ОК без специальных средств регулирования невозможна. Возникновению помпажа способствует нарушение равномерности потока на входе в ОК изза его отрыва или турбулизации во входном устройстве двигателя, вызываемых эксплуатационными, конструктивными или технологическими причинами (острые кромки, различные стойки, значительные вмятины, забоины, обледенение входного канала и т. п.). Неравномерность поля скоростей перед ОК может быть следствием значительных углов между набегающим потоком и осью входного устройства при больших углах атаки самолета, а также в результате попадания на вход ОК выхлопной струи от двигателей другого близко летящего самолета. Всякое искажение расчетного распределения скоростей на входе в ОК независимо от причин, его вызвавших, существенно сужает диапазон устойчивой работы ОК, и это необходимо учитывать в процессе эксплуатации. 9.Сравнение осевых и центробежных компрессоров. Большим преимуществом осевого компрессора является высокий КПД. Объясняется это тем, что в осевом компрессоре нет изменения основного направления воздуха, в то время как в центробежном поток воздуха несколько раз резко меняет направление, что приводит к большим гидравлическим потерям. Как указывалось выше, КПД центробежного компрессора. Ƞк=0,75 – 0,8, а осевого Ƞк=0,8 – 0,85. При одинаковых расходах воздуха диаметральные размеры основного компрессора оказываются примерно в 4 раза меньшими. Малый диаметральный размер с аэродинамической точки зрения очень большое достоинство осевого компрессора, предназначенного для силовой установки высокоскоростного самолёта. Центробежный компрессор в сравнении с осевым имеет более пологую характеристику, т.е. может работать при постоянных оборотах в широком диапазоне изменения расхода воздуха. Существенным достоинством центробежного компрессора является простота устройства и надёжность работы. Большая эксплуатационная надёжность работы компрессора объясняется тем, что его лопатки более жёсткие, чем лопатки осевого компрессора. К числу недостатков осевого компрессора следует отнести высокую стоимость и трудоёмкость производства, а также большую конструктивную сложность. Эти компрессоры отличаются так же недостаточной высокой эксплуатационной надёжностью: они более уязвимы при попадании посторонних предметов. В сравнение с осевым у центробежного компрессора каждая ступень сжатия более эффективная, но общее КПД при этом ниже. Это объясняется тем, что многоступенчатые центробежные компрессоры имеют очень сложную конструкцию и большие габариты, что увеличивает и их вес, тогда как многоступенчатость осевых компрессоров – не проблема. |