книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет
.pdfНеобходимо отметить, что чем |
|
||
больше расчетное значение |
расч » |
|
|
тем больше смещается влево ра |
|
||
бочая точка первой ступени при |
|
||
уменьшении лпр. Поэтому комп |
|
||
рессоры с большими расч имеют |
|
||
меньший диапазон устойчивых |
|
||
режимов, чем компрессоры с не |
|
||
большими т£.расч. Как показыва |
|
||
ют результаты исследований, при |
Рис. 7.12. Характер изменения линий |
||
ni пягЧ~ 6 линия рабочих режимов |
|||
рабочих режимов для компрессоров с |
|||
к.расч |
|
|
|
располагается приблизительно эк |
различными Як.расч • |
||
видистантно границе устойчивых |
1 — Я к .расч< 6 ; 2 — 7С*.расч= 6 ; |
||
3 — 7Ск.расч> 6 |
|||
режимов (линия 2 на рис. 7.12). |
|||
|
|||
При низких л* расч (линия 1) |
ЛРР должна удаляться от ГУР с умень |
шением Gnp (т.е. диапазон рабочих режимов увеличивается), при высоких значениях тс* расч(линия 3) ЛРР приближается к ГУР, тем самым сокращается диапазон рабочих режимов. Поэтому в системе ТРД и ТРДД осевой компрессор, имеющий высокое значение л* расч (высоко напорный компрессор) не может работать без специальных средств регулирования. Однако необходимо отметить, что применение двухка скадных компрессоров позволяет и при высоких 7С^ расчрасширить ди апазон ппр, в пределах которого компрессор будет работать устойчиво
без специальных систем регулирования. Расширение запаса устойчи вой работы происходит потому, что первый и второй каскады работают
как самостоятельные компрессоры с невысокими расч >а это расши ряет диапазон рабочих режимов. Другими словами, в высоконапорном одновальном компрессоре происходит рассогласование ступеней из-за изменения са в первой и последней ступенях. В этом случае необхо димо, чтобы первая ступень имела бы меньшую частоту вращения, тог да С\а возросло бы, а последние ступени — большую частоту враще ния, тогда сак снизилось бы. Коэффициенты расхода в первой и по
следней ступенях мало бы изменились. В двухвальных компрессорах второй каскад имеет повышенную частоту вращения (см. разд. 2.4), что уже снижает сак в последней ступени. Кроме того, при переходе на пониженные расходы в двухвальном компрессоре частота вращения ротора первого каскада автоматически снижается быстрее, чем второ го (происходит скольжение роторов). Это объясняется тем, что на
первой ступени снижение Cja приводит к увеличению угла атаки, а на последней ступени рост сак приводит к уменьшению угла атаки. В ре
зультате мощность, потребная для вращения первого каскада, увели чивается (т.е. первые ступени «затяжеляются»), а мощность, необхо димая для вращения второго каскада, уменьшается. Поэтому частота вращения ротора первого каскада снижается быстрее, чем частота второго. В таких условиях первые и последние ступени в меньшей сте пени отклоняются от расчетного режима, чем в одновальной схеме, и первая ступень первого каскада не попадает в зону неустойчивых ре жимов, т.е. в зону помпажа.
Отметим, что на расширение зоны устойчивой работы компрессо ра сильно влияет правильность выбора расчетного режима компрессо ра. Так, если выбрать в качестве расчетной точки не точку на макси муме кривой характеристики, а точку на правой ветви, то при сниже
нии С?пр характеристика пойдет в сторону повышения КПД и пк и поз днее по режимным параметрам компрессор попадет в зону помпажа. Такой подход естественно приводит к снижению КПД компрессора на расчетном режиме. Однако рациональный выбор расчетного режима компрессора расширяет диапазон лпр, в пределах которого умеренно
снижается КПД и появляются неустойчивые режимы. Это особенно важно, так как эксплуатация авиационных компрессоров происходит в широких диапазонах по лпр и Gnp. В табл. 7.1 приведена относитель
ная приведенная частота вращения компрессора в зависимости от по летного числа Маха Mv .
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7.1 |
|
Му |
0,9 |
1.0 |
1,28 |
1,5 |
1,7 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
^пр» % |
108,2 |
107 |
100 |
95,6 |
91.5 |
86 |
77 |
69 |
Относительная приведенная частота вращения япр представляет
собой отношение приведенной частоты вращения при произвольном числе Мк к приведенной частоте вращения при Mv = 1,28 на Н> 11 км.
Как видно из таблицы, при изменении режима полета от Му = 1,28 до Мк = 3,0 приведенная частота вращения уменьшается приблизи тельно на 30%. Если в качестве расчетного режима выбрать режим, соответствующий Мк = 3,0, то при переходе от Мк = 3 до Мк = 1,28 (т.е. при увеличении лпр) в первых ступенях компрессора произойдет увеличение са и чисел Маха в решетках, а в последних — уменьшение са Таким образом, при полете с меньшими по сравнению с расчетны-
ми скоростями коэффициенты расхода и числа Маха в решетках сту пеней компрессора примут недопустимо высокие значения. Рабочий режим компрессора попадет в зону сгущения, когда характеристики его почти вертикальны.
Поэтому если компрессор предназначается для двигателя, обеспе чивающего полеты самолета на больших скоростях, то целесообразно в качестве расчетного принимать некоторый промежуточный режим, соответствующий, например, Мк = 1,5—1,7 или ппр = 0,91—0,95. Тогда увеличение или уменьшение числа Маха полетного (лпр) будет вызы
вать относительно меньшее перемещение режимов работы отдельных ступеней по отношению к расчетному и приводить к более умеренно му снижению КПД на режимах nnpmin и ^пршах-
Если компрессор предназначен для двигателя, обеспечивающего полеты самолета с дозвуковыми полетными числами Маха, то в каче стве расчетного режима обычно принимаются земные условия, т.е. Н =0, Ми = 0.
7.5.РЕГУЛИРОВАНИЕ КОМПРЕССОРОВ
Впроцессе работы компрессора в системе ТРД или ТРДД возни кает необходимость в изменении рабочей области характеристики компрессора, которая бы обеспечивала на новом режиме работы дви гателя требуемые напор, расход, КПД и запас устойчивой работы.
Характеристики компрессора позволяют определять его парамет ры на нерасчетных режимах. Однако задача состоит не только в том, чтобы узнать на сколько ухудшаются показатели, но и в том, чтобы улучшить эти показатели на нерасчетных режимах. Поэтому главной задачей регулирования является смещение рабочей точки характери стики в другую область с тем, чтобы удовлетворялись требования, предъявляемые в данном случае к компрессору. Применительно к осе вому компрессору главную задачу регулирования можно сформулиро вать следующим образом: уменьшение рассогласования отдельных ступеней на нерасчетных режимах с целью обеспечения нормальной работы компрессора во всех условиях его эксплуатации.
Известен ряд способов регулирования компрессоров. Так, регули рование можно осуществлять за счет изменения частоты вращения ро тора компрессора, дросселирования, поворота лопаток рабочих колес
инаправляющих (спрямляющих) аппаратов и лопаток диффузоров, перепуска воздуха из промежуточных ступеней многоступенчатого осевого компрессора. Каждый из перечисленных способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. Изменение частоты враще ния и дросселирование (т.е. изменение расхода через компрессор пу
тем постановки специальных заслонок на входе или выходе) являются достаточно простыми способами для их реализации. При этом геомет рия компрессора и его исходная характеристика не меняются. Однако дросселирование очень неэкономичный способ и практически не ис пользуется, за исключением применения в небольших центробежных компрессорах.
Поворот лопаток, как рабочих, так и направляющих, приводит к из менению геометрии компрессора и его исходной характеристики и яв ляется наиболее эффективным способом. Но поворот рабочих лопаток очень сложен в конструктивном исполнении.
Перепуск воздуха из промежуточных ступеней осевого компрессо ра реализуется достаточно просто. При этом геометрия проточной ча сти компрессора остается неизменной, но нарушается подобие проточ ной части компрессора в промежутке между входом и выходом, так как расходы в этих сечениях становятся разными. Это приводит к измене нию исходной характеристики.
Практически широкое распространение в авиационных компрессо рах получили три способа регулирования:
варьирование частотой вращения ротора; использование устройства для перепуска воздуха из промежуточ
ных ступеней компрессора за турбину ТРД или во второй контур ТРДД;
применение поворотных лопаток направляющих (спрямляющих) аппаратов.
Рассмотрим суть каждого из этих способов. Управление режимом работы компрессора осуществляют воздействием на мощность турби ны компрессора. При уменьшении мощности турбины (снижении тем пературы газа перед турбиной) частота вращения компрессора уменьша ется и рабочая точка по ЛРР (см. рис. 7.6) перемещается из точки А
<п пр.расч= Ю0%) в точку Б (ппр= 80% от Лпр.расч)* При этом G и л* уменьшаются. При увеличении мощности турбины рабочая точка компрессора переместится по ЛРР вправо от точки А (см. рис. 7.6). При этом и G возрастут. КПД Г|к в зависимости от положения рас четной точки может при этом и уменьшиться, и Увеличиться.
Важно подчеркнуть, что при увеличении ппр больше расчетных, ЛРР довольно быстро приближается к границе устойчивости (см. точ ку К на рис. 7.6). Приближается она к границе и э области малой ча стоты вращения (см. точку Н на рис. 7.6). ПомпаЖПые режимы недо пустимы, поэтому в автоматике управления компрессором предусмот рен жесткий фиксатор, ограничивающий предельную частоту враще ния компрессора на уровне (1,1—1,15)лпр расч, и устройство, включаю щее перепуск воздуха в области малой частоты вращения.
Способ регулирования компрессора перепуском воздуха через окна в корпусе компрессора используется главным образом при запу ске высоконапорных однокаскадных компрессоров (малые физические обороты ротора) или при полете на больших числах Ми, т.е. на режи мах с пониженным лпр . Как видно из рис. 7.6, в точке Н линия рабочих режимов выходит на границу устойчивости. При частоте вращения, меньшей чем лпр , в точке Н устойчивая «безпомпажная» работа ком прессора невозможна. Физически это объясняется двумя причинами. Из-за малых окружных скоростей и расходов воздуха и соответственно малых осевых скоростей напор (3.14) в первых ступенях компрессора оказывается небольшим. В итоге воздух, прошедший через первые сту пени, имеет малую плотность и не в состоянии пройти через средние ступени с более короткими лопатками. Средние ступени как бы запи раются. Кроме того, малые са вызывают на лопатках первых ступеней
критические или даже сверхкритические углы атаки и соответственно срыв потока и помпаж. Как же в этих условиях запустить компрессор и вывести его на устойчивый рабочий режим?
Решить эту задачу позволяют клапаны или ленты перепуска воз духа. Перед «запирающей» ступенью (обычно это четвертая или пятая ступень) в корпусе компрессора делают несколько окон — отверстий, перекрываемых стальной лентой (рис. 7.13). В момент запуска отвер стия открыты. Через первые ступени проходит повышенный расход воздуха G, часть из которого (до 25%) перепускается (Gnep) и не по падает в средние ступени (Gcp = GK= G -G nep). В итоге скорость са в первых ступенях возрастает, снижают ся углы атаки, возрастают и плот
ность воздуха с увеличением оборо тов. Кроме того, перепуск воздуха вы водит средние ступени из режима за пирания. По мере раскрутки ротора средние ступени оказываются в состо янии пропускать все большие и боль шие расходы воздуха.
По мерс раскрутки ротора клапаны перепуска прикрываются. На конец, когда приведенная частота вращения достигнет величины лпр= (1,1—'М5)ппр(//) , т.е. на 10—15% превышающей частоту враще ния в точке Н (проверяется по запасу устойчивой работы), клапаны пе репуска наглухо закрывают окна (Gnep= 0 и G = Gcp = GK).
Следует отметить, что располагать перепускное устройство сразу за первой ступенью не целесообразно, так как перепад давлений будет мал и эффективность перепуска незначительна. Располагать же его
близко к последним ступеням очень неэкономично, так как в этом слу чае перепускается воздух, на который уже затрачена большая работа, а полезной отдачи нет. Поэтому обычно перепуск делается в зоне средних ступеней, и целесообразно организовывать его через несколь ко рядов окон, расположенных за разными ступенями и открывать их не одновременно. Наличие перепускных окон приводит к нарушению потока в этой зоне, и поэтому в этих местах возможны местные срывы потока и вибрация лопаток. Для предотвращения этих явлений увели чиваются осевые зазоры между ступенями в зоне расположения пере пускных окон.
В заключение отметим, что постановка перепускного устройства улучшает работу первых и последних ступеней, т.е. перемещает их ра
бочую точку характеристики при п = const в зону больших я* и г|к . На
ступени, расположенные до перепуска (за исключением первой), его влияние будет различным в зависимости от того, на левой или правой ветви характеристик будет находиться рабочая точка ступеней.
Регулирование осевых компрессоров с помощью поворотных лопаток осуществляется для сохранения запасов устойчивой работы компрессора и высокого КПД при изменении расхода воздуха. Физи чески это достигается тем, что при увеличении углов атаки из-за из менения G (са) лопатки направляющего аппарата поворачивают так,
чтобы угол атаки исчез (принял исходную величину). Поворот лопаток происходит так же, как и перепуск воздуха при пониженной приведен ной частоте вращения ппр.
Рассмотрим для примера рис. 7.14. Расчетный входной треуголь ник скоростей изображен сплошными линиями. Поток натекает на ра бочие лопатки с расчетным углом PJp, осевая скорость с\ар соответст вует расчетному расходу Ср , окружная скорость ир . Пусть при п = const (и =ыр) (рис. 7.14,а) расход воздуха через компрессор умень шается, т.е. G < Gp и соответственно С\а < Cjflp. При этом угол Pi станет меньше Pip, возрастет положительный угол атаки i = Р^ - Pi и процесс
приблизится к границе срыва на спинке лопаток рабочего колеса. При возрастании угла атаки, но до наступления срыва Напор в ступени ком прессора НТ = и (W \U - M>2и) растет в связи с увеличением W\u >W\Up
Соответственно увеличивается и я*ст> Лк.ст.р- Следовательно, соглас но формуле (7.10) коэффициент устойчивости
(7Г*/(7)гур
*Ус т ~
(*£/Ф лрр
НА
Рис. 7.14. Треугольники скоростей и схема поворота НА при изменении расхода возду ха через компрессор:
а — неподвижный НА; б — поворотный НА
резко уменьшается из-за роста (7i*/G)j]PP |
< С?р ; |
р). Значит, |
уменьшается и запас устойчивости ААгуст. Чтобы этого не произошло,
лопатки направляющего аппарата поворачивают (рис. 7.14,6) в данном случае против часовой стрелки. При таком положении лопаток НА угол натекания потока Pi на рабочие лопатки становится равным рас
четному (Pip = Piл) ; угол атаки приобретает расчетное значение
/р = Piл - Pip ; напорность ступени и л* уменьшаются; восстанавливает ся запас устойчивой работы ААгуст. При увеличении расхода воздуха G лопатки НА поворачивают в другую сторону так, чтобы при новом расходе воздуха и при и = const угол натекания оставался примерно тем же, т.е. Pi - const. Таким образом, поворотом лопаток как бы осу ществляется переход к другому компрессору с большим АА:уст. Следу ет заметить, что при наличии поворотных лопаток НА можно при за пуске обойтись без перепускного устройства. Однако поворот лопаток только одного входного НА в высоконапорных компрессорах оказыва ется малоэффективным, так как при изменении G нерасчетные углы атаки появляются сразу в нескольких первых ступенях. Поэтому пово ротные лопатки направляющих аппаратов делают в трех-четырех пер вых ступенях, а иногда и в большем числе ступеней.
На рис. 7.15 показан характер влияния числа регулируемых ступе ней на КПД компрессора. В нерегулируемом компрессоре (кривая 1) при пониженных значениях лпр КПД существенно снижается из-за рас
согласования ступеней. Поворот лопаток ВНА незначительно увели чивает г|к (кривая 2). Применение поворотных направляющих лопаток в нескольких первых ступенях (кривая 3) позволяет в широком диапа зоне приведенной частоты вращения сохранять КПД компрессора на уровне, близком к расчетному. Сле дует заметить, что при изменении режима работы компрессора наи большее отклонение от расчетных условий испытывают первые и по следние ступени компрессора, од нако требования к улучшению их работы на нерасчетных режимах противоположны. Так, при измене нии ппр ниже расчетных для расши рения зоны устойчивой работы тре буется уменьшить угол установки НА первой ступени и в то же время увеличить угол установки для по следней ступени. Поэтому лопатки направляющих аппаратов первых и последних ступеней при одних и
тех же условиях необходимо поворачивать в разные стороны, что сле дует из работы первых и последних ступеней на нерасчетных режимах. Отсюда и особенности регулирования первых и последних ступеней. Так, поворот лопаток направляющих аппаратов в первых ступенях при пониженной частоте лпр служит для увеличения запаса устойчивости, в последних ступенях при этих условиях — для увеличения произво дительности. При повышенной приведенной частоте вращения в пер вых ступенях поворачивают НА для увеличения производительности (расхода), в последних — для повышения запаса устойчивости.
В заключение отметим, что регулирование ЦБК может осуществ ляться не только за счет поворота лопаток диффузора, как это отме чалось в начале данного раздела, но и за счет поворота лопаток на правляющего аппарата, устанавливаемого перед рабочим колесом, т.е. изменением закрутки потока на входе в рабочее колесо (cΣ/).
7.6.РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПРЕССОРОВ
СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ЛИНЕАРИЗАЦИИ
ИМОДЕЛИРОВАНИЯ
Аналитический расчет характеристик осевых компрессоров пред ставляет собой весьма трудоемкую задачу даже при использовании ЭВМ. В то же время характеристики компрессора необходимо знать еще до того, как компрессор будет построен и испытан.
Существует несколько приближенных методов расчета характери стик. Приведем метод, разработанный Р.М. Федоровым [6]. Он бази руется на анализе статистических данных по суммарным эксперимен тальным характеристикам осевых компрессоров и их отдельных ступе ней.
Наблюдения показали, что при изменении расхода воздуха через ступень компрессора затраченный напор Н2 меняется практически ли
нейно (линия а—а на рис. 7.16) во всем диапазоне изменения расход ной составляющей скорости са на
входе в ступень, от Ciflmin на грани це устойчивости до с1а max на грани
це запирания. Анализ суммарных характеристик осевого многосту пенчатого компрессора показал, что существует аналогия между сум марной характеристикой компрес сора (при ппр= const ) и характери-
сlamin сta opt сia mat са
Рис. 7.16. Изменение затраченной ра боты и КПД ступени осевого компрес сора при различной осевой скорости воздуха и n = const
стикои ступени, если пользоваться средней по компрессору осевой скоростью воздуха:
С«ср ; срсРср |
(7.15) |
F +F
Здесь Fcр = — -— — среднее значение площади кольцевого сечения
Z
проточной части компрессора; рср= VpBXрк — среднегеометрическое значение плотности воздуха на входе в компрессор рвх и на выходе из него рк .*
*См. сноску на стр. 77.
(7.16)
Clflcp" U. |
F c p |
Рср и к |
|
где ик — окружная скорость на периферии лопаток первой ступени. При известных параметрах компрессора в расчетной точке Л (см.
рис. 7.6) расчет и построение напорной кривой я* =/(Спр)л = consl и кривой изменения КПД Лк = /( 0 ^ ) ^ = const выполняется в следующей последовательности:
1.Выбирается лпрь, равное, например, расчетному значению лпрр
2.Выписывается значение КПД в расчетной точке ЛкО~ЛкОтах> а также другие необходимые для расчетов известные величины в рас четной точке (индекс «О»):
приведенный расход воздуха С7про ;
степень повышения давления в компрессоре я£д ;
изоэнтропная работа компрессора L ^ Q: число ступеней компрессора zCT;
параметры воздуха на входе в компрессор P ÎQ, Т\о;
параметры воздуха на выходе из компрессора р£о, 7^о ; приведенная окружная скорость первой ступени ^кпро= я£)1Сппро. 3. Рассчитывается среднее значение коэффициента напора ступени
LKSO
^ст ^к.пр О
4. С помощью графика 5д =/(Яср0) (рис. 7.17,а) по величине # ср0 определяется вспомогательная величина 80, отражающая крутизну из менения затраченной работы компрессора LK. Если приведенная ок ружная скорость превышает 260 м/с, то необходимо учесть поправку AtgO (рис. 7.17,6). В этому случае 8 = 8o + AtgO.
5. Вычисляется среднее значение коэффициента расхода в расчет ной точке:
г |
Go |
|
. г.:— :— |
Р\О |
Са с р 0 ~ р |
_ |
“ кО |
) гДе РсрО- ’ РЮ РкО > РЮ — |
|
•'ср Рср 0 |
|
R 4 О |