Особенности трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней осевого компрессора

Одним из основных путей снижения массы и габаритов авиаци­онных ГТД является уменьшение числа ступеней в компрессоре. Для уменьшения числа ступеней необходимо увеличивать работу, затрачиваемую на вращение ступени и идущую затем на повышение давления воздуха. Как следует из формулы , это может быть сделано за счет увеличения окружной скорости рабочих лопаток. В современных вентиляторах она уже достигает 450…500 м/с и более.

При таких окружных скоростях на входе в рабочее колесо в первых ступенях вентилятора (компрессора) относительная скорость воздуха значительно превышает скорость звука. Использование решеток профилей для дозвуковых ступеней в этом случае неэффективно из-за резкого увеличения потерь при превышении критических чисел М и возникновения явления «запирания» в таких решетках.

Снизить указанный негативный эффект можно путем изменения формы профилей лопаток рабочего колеса. Нужно, чтобы относительная толщина профиля не превышала (на периферии) 3…4 %, максимальная толщина и максимальный прогиб дуги средней линии располагались бы подальше от передней кромки (на 50…60 % хорды), а передняя кромка имела малый радиус скругления, чтобы передняя часть профиля по своей форме напоминала острый клин. Кривизна верхней поверхности профиля, особенно в передней его части, также должна быть возможно меньшей. Примеры профилей сечения лопаток рабочего колеса, рассчитанных на обтекание их дозвуковым и сверхзвуковым набегающим потоком, показаны на рисунке.

Рассмотрим теперь некоторые особенности течения воздуха через решетку РК при M_w1 = 1,3…1,5.

Для большинства трансзвуковых ступеней, имеющих максимальные значения чисел M_w1, лежащие в диапазоне M_w1 = 1,3…1,5, характер­но наличие дозвукового потока на выходе из колеса (M_w2 <1), т. е. торможение потока в РК с переходом через скорость звука.

Типичная для этогослучая схема течения воздуха в решетке РК показана на рисунке.

Как из­вестно, при обтекании сверхзвуковым потоком изолированного профиля, имеющего хотя бы незначительное скругление передней кромки, перед ним возникает кри­волинейный скачок уплотнения - головная волна. Аналогично перед каждым профилем в решетке возникает головная волна AВС. На участке АВ фронт волны почти перпендикулярен вектору скорости, т. е. этот участок можно рассматривать как прямой скачок уплотнения. На участке ВС скачок становится косым, интенсивность его ослабевает по мере удаления от вызвавшего его профиля и на некотором расстоянии оказывается исчезающе малой. В области, лежащей за прямым скачком, скорость становится дозвуковой и уменьшается до нуля в передней критической точке К. Затем на спинке профиля и в прилегающей к ней области течения происходит разгон потока и за линией DE (“звуковой линией”) скорость опять становится сверхзвуковой. Штриховые прямые в этой области - так называемые волны разрежения, вдоль каждой из которых скорость постоянна и равна скорости в соответствующей точке на спинке профиля.

Возникновение системы головных волн приводит к возрастанию сопротивления решетки (появляются волновые потери). Но если значения числа М перед скачком не превышают 1,4…1,5, то потери в прямом скачке оказываются сравнительно небольшими и КПД ступени с такой системой скачков в РК получается достаточно высоким.

Первым в мире турбореактивным двигателем с трансзвуковой ступенью в компрессоре был двигатель РД-9Б самолета МиГ-19, запущенный в серийное производство в начале 50-х годов прошлого столетия. В первой ступени его компрессора была реализована описанная схема течения. В последующем она использовалась в большинстве ТРД и ТРДД, выпускаемых отечественной авиационной промышленностью.

Однако необходимо отметить, что все же с ростом M_w1 реально КПД таких ступеней снижается.

Это происходит как из-за роста потерь в системе скачков, так и вследствие возникновения отрыва пограничного слоя на спинке профиля за прямым скачком (в точке А) при возрастании его интенсивности.

Поэтому при дальнейшем увеличении окружных скоростей рабочего колеса ступени целесообразен переход на такие профили в его решетках и такие схемы течения, при которых в межлопаточных каналах не происходит перехода через скорость звука, т.е. течение на выходе из рабочего колеса остается сверхзвуковым (в относительном движении), хотя и имеющим M_w2 < M_w1.

В остальном параметры, треугольники скоростей и способы изменения за­крутки потока по радиусу в трансзвуковых и сверхзвуковых ступенях не имеют существенных отличий от описанных выше для дозвуковых ступеней.

Надо учитывать, что тонкие рабочие лопатки с острыми кромками более склонны к вибрациям и более чувствительны к повреждениям посторонними предметами, к износу и к ошибкам в проектировании и в производстве, а применение повышенных окружных скоростей требует использования высокопрочных материалов в конструкции ротора компрессора. Поэто­му двигатели с такими ступенями в компрессоре требуют повышенного к себе внимания в процессе разработ­ки, производства, эксплуатации и ремонта.