Назначение компрессоров ГТД, их типы и основные требования к ним

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

Компрессор, подающий воздух в наружный контур ТРДД (или одновременно в наружный и внутренний контуры), обычно называют вентилятором ТРДД.

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 существенно более высокое повышение давления, чем в осевой. Но габариты компрессора при этом увеличиваются, что для мощных двигателей может оказаться неприемлемым.

Основными требованиямик 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, (число ступеней в значительной маре 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, насажанных на один общий вращающийся вал, которые образуют ротор компрессора.

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.

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).

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрес­сора .

Изобразим ступень осевого компрес­сора, состоящую из рабочего колеса РК и направляющего аппарата НА.

Выделим следующие характерные сечения ступени:

1-1 — перед рабочим колесом,

2-2 — за рабочим колесом

3-3 — за направляющим аппаратом.

В каждом из этих сечений различают следующие характерные размеры:

D_вт - диаметр втулки (по основаниям лопаток),

D_к - наружный диаметр (по корпусу),

h – длина лопатки,

D_r– радиальный зазор между лопаткой рабочего колеса и корпусом,

D_s – осевой зазор между соседними лопаточными венцами.

Про­странство, заключенное между поверхностями втулки и корпуса, носит название проточная часть ступени.

На вращение рабочего колеса затрачивается внешняя работа, которая передается воздушному потоку. Поэтому в рабочем колесе в соответствии с законом сохранения энергии полная температура потока Т* возрастает. Полное давление также возрастает (что следует из уравнения Бернулли).

В направляющем аппарате внешняя работа к воздуху не подводится. Поэтому температура заторможенного потока неизменна. Полное давление несколько снижается, так как энергия потока частично тратится на преодоление гидравлического сопротивления.

Еслирассечь мысленно лопатки ступени цилиндрической поверхностью А-А, ось которой совпадает с осью РК, и развернуть затем это сечение на плоскость, то сечения лопаток РК и НА представятся в виде двух рядов одинаковых и одинаково распо­ложенных профилей, образующих решетки профилей рабочего ко­леса и направляющего аппарата.

Примем следующие обозначения:

с– абсолютная скорость (скорость потока относительно неподвижного корпуса компрессора),

и – окружная скорость (скорость вращения рабочего колеса),

w – относительная скорость (скорость потока относительно вращающихся лопаток рабочего колеса).

Эти скорости соотносятся между собой в соответствии с известным принципом Галилея, согласно которому аб­солютная скорость равна сумме относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость ло­паток, следовательно можно записать:

.

Кроме того, обозначим:

a– угол между абсолютной скоростью с и окружной скоростью и,

b– угол между относительной скоростью w и окружной скоростью и,

Лопатки рабочего колеса устанавливаются таким об­разом, чтобы их передние кромки их бы­ли направлены по направлению вектора . При этом кривизна профилей лопаток выби­рается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса b₂был больше угла входа b₁.

b₁< b₂

Поворот потока в компрессорной решетке профилей сопровождается увеличением площади поперечного сечения каждой струи воздуха, проходящей через канал между двумя со­седними лопатками

.

Если считать что скорости воздуха на входе в решетки РК и НА дозвуковые, то при относительная скорость воздуха в рабочем колесе уменьшается (w₂<w₁), а давление возрастает (p₂>p₁). Так как в рабочем колесе подводится внешняя работа, то как следует из уравнения Бернулли, абсолютная скорость величина абсолютной скорости за рабочим колесом оказывается меньше абсолютной скорости перед ним.

с₂>с₁

Вследствие поворота потока в колесе вектор скорости оказывается отклоненным от вектора в сторо­ну вращения колеса. Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток воздуха в обратную сторону, так чтобы обеспечить направление потока необходимое для плавного обтекания лопаток следующего рабочего колеса. Как и в рабочем колесе, поворот потока в НА приводит к увеличению поперечного сече­ния струи воздуха, проходящей через канал между соседними ло­патками . В результате скорость воздуха в направляющем аппарате падает, а давление растет. Однако рост давления в НА обеспе­чивается только за счет использования кинетической энергии возду­ха, приобретенной им в рабочем колесе.

Треугольник, составленный из векторов , и , называется тре­угольником скоростей . Обычно треугольники скоростей на входе в РК и на выходе из него совмещают.

Здесь: Db - угол поворота потока в рабочем колесе,

DW_u =W_1u-W_2u – закрутка потока по относительной скорости,

DС_u =С_2u-С_1u – закрутка потока по абсолютной скорости.