книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет

Рис. 5.9. Некоторые параметры проектируемого профиля лопатки (а) и решетки (б) на среднем радиусе

Сопряжение спинки и корыта осуществляется графически радиу­ сом сопряжения входной и выходной кромок. Обычно гвх составляет

(10 12)%, а гвых (6 8)% от сшах.

Аналогично рассчитываются координаты профилей для корневого и периферийного сечений. Как уже отмечалось, максимальная отно­ сительная толщина профиля переменна по высоте лопатки и обычно принимается в корневом сечении лопатки стах=( 12—18)% ; на пери-

ферии стах= (4 — 6) %.

Геометрические характеристики спроектированных профилей в предварительных расчетах можно определить по упрощенным форму­ лам:

F = 0,741 ft2cmax;

Лшп= 0,045ft сшах( / + сшах) ;

/ швх= 0,038ft cmax ;

уц.т= 0,772/;

х ц.т = 0,456ft,

5.7.ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ВТРАНСЗВУКОВЫХ И СВЕРХЗВУКОВЫХ СТУПЕНЯХ

ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Одним из важнейших требований к авиационным осевым компрес­ сорам являются минимальные диаметральные и осевые габариты и масса. Применение трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней позволя­ ет решить эти задачи: существенно уменьшить внешний диаметр ком­

прессора при заданном расходе воздуха или увеличить к*сти тем самым выполнить компрессор с меньшим числом ступеней. Достигается это за счет увеличения окружных и и осевых са скоростей. Из треугольни­ ков скоростей (см. рис. 3.4) видно, что большие окружные и осевые скорости приводят к значительному росту скорости w\ и соответствен­ но числа Маха . При этом число Маха М^ может стать больше

единицы, т.е. реализуется сверхзвуковой поток.

Сверхзвуковой поток может наблюдаться как на входе в рабочие лопатки (в относительном движении), так и на входе в лопатки на­ правляющего аппарата (в абсолютном движении). В реальных конст­ рукциях осевых компрессоров обычно сверхзвуковая ступень реализу­ ется как совокупность рабочего колеса со сверхзвуковым потоком на входе и дозвукового направляющего аппарата. В таких ступенях приме­

няют MWj = 1,1—1,3 , а я ^ в этом случае достигают 1,3—1,6 и даже 1,9.

Таким образом, одна сверхзвуковая ступень способна заменить 2—3 дозвуковые ступени.

Сверхзвуковые ступени используют главным образом в качестве первых (вентиляторных) ступеней. Для снижения массы стремятся не применять входной направляющий аппарат, т.е- обходиться без пред­ варительной закрутки (ciu = 0) потока на входе в рабочее колесо.

На рис. 5.11 представлена (по данным NASA) зависимость возмож­ ных значений степени повышения давления п*тпервой ступени от рас­

четного расхода воздуха, отнесенного к площади, ометаемой лопатка­ ми рабочего колеса. Наглядно видны преимущества трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней (кривая 2 на рис. 5.11) Над дозвуковыми сту­ пенями (кривая 1). Вместе с тем, как уже указывалось, трансзвуковые и сверхзвуковые ступени из-за наличия в них дополнительны* волно­ вых потерь имеют пониженные значения КПД по сравнению с дозву­ ковыми ступенями.

На рис. 5.12 приведены (по данным фирмы «^оллс-Ройс») достиг­ нутый и перспективный уровни политропическРго КПД ступени в за­

висимости от степени повышения давления я** 0 ней. Следует заме­

тить, что для малых степеней повышения полного давления я*т разни­

ца в политропическом и изоэнтропическом КПД мала. Как видно из рис. 5.12, КПД наилучших сверхзвуковых ступеней на 1,5—2% ниже,

чем КПД дозвуковых ступенях, а при ЯсТ>1,3 их КПД существенно снижается.

Как показывает опыт проектирования сверхзвуковых ступеней, имеется несколько путей повышения их эффективности [11].

На рис. 5.13 приведены зависимости политропического КПД вен­ тилятора от степени повышения полного давления я£. Кривая 1 на

данном рисунке представляет собой зависимость т|к ст от я* для дозву­ ковой ступени, спрофилированной по закону rcu =const. Как видно,

при дозвуковых режимах работы такой ступени (яI < 1,2) уровень КПД

соответствует уровню обычных ступеней компрессора. С ростом я*, что достигается за счет увеличения окружной скорости или коэффи­ циента напора, вследствие роста числа > 1 появляются дополни­

тельные волновые потери и, как результат, происходит снижение КПД. Существенного повышения КПД при я£> 1,2 можно достичь, ес­ ли применить профили с тонкими входными кромками и малой кри­ визной начального участка спинки (кривая 2).

Учет в расчетной модели наклона лопаток, кривизны ограничива­ ющих поверхностей и меридиональных линий тока позволяет спроек­ тировать ступень с большей эффективностью (кривая 3).

Для снижения массы венти­ лятора лопатки выполняются с

полнением лопаток полыми. Дальнейшее повышение КПД может быть достигнуто за счет улучшения профилирования, например примене­ ния сверхкритических профилей (кривая 5).

Эффективность ступени и напорность существенно зависят от ра­ ционального выбора окружной скорости ик. На рис. 5.14 приведены

экспериментальные данные фирмы «Роллс-Ройс» по влиянию степе­ ни повышения давления в вен­

тиляторной ступени пI и окруж­ ной скорости мк на относитель­

ный КПД ступени. За единицу принято значение максимального

КПД ступени при я* = 1,5 и мк= 380 м/с. Оптимум КПД при

лопаточном канале решетки, ее густотой, числом лопаток и волновы­ ми потерями. При больших значениях требуются и большие окруж­

ные скорости. Последнее приводит к высоким значениям скоростей натекания потока на решетку. С этим связано снижение максимально­

го значения КПД с ростом тс£ и ик.

Представленные на рис. 5.14 абсолютные цифры окружных скоро­ стей, оптимальных по КПД, могут быть использованы при выборе оп­ тимальных параметров вентиляторных ступеней.

Отмеченные особенности трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней приводят к некоторым различиям в подходе к расчету компрессоров по среднему диаметру, по высоте проточной части, а также к профи­ лированию лопаток.

Расчет по среднему диаметру компрессора с первой сверхзвуковой ступенью в основном проводится так же, как и для дозвукового ком­ прессора. Однако расширение диапазона чисел в первой сверхзву­

ковой (или трансзвуковой) ступени, отсутствие предварительной за­ крутки (ciu = 0), повышенные значения коэффициента затраченного

напора (Hz) приводят к тому, что степень реактивности такой ступени будет лежать в пределах рст= 0,75—0,85. Это означает, что работа сжатия в рабочем колесе существенно больше, чем в направляющем аппарате этой ступени. Поэтому для обеспечения плавности формы проточной части необходимо в рабочем колесе снижать осевую скоро­ сть са на 20—30 м/с, а в направляющем аппарате этой ступени са мо­ жет быть увеличена на 13—20 м/с. Осевая скорость на входе в колесо первой сверхзвуковой ступени может быть больше, чем в дозвуковых ступенях и ее можно оценить по коэффициенту производительности, учитывая при этом допустимое число . Обычно для сверхзвуковых

ступеней с1а = 190—220 м/с.

Другая особенность расчета компрессора по среднему диаметру при наличии сверхзвуковой ступени заключается в выборе густот ре­ шеток сверхзвуковой ступени (b/t), обеспечивающих требуемый напор в ней. Использование обобщенных характеристик плоских компрес­ сорных решеток для сверхзвуковой ступени приводит к большим по­ грешностям в определении потребных густот рабочей решетки. Связа­ но это с трудностью учета волновых потерь.

Для получения требуемых напоров по радиусу ступени рекомен­ дуется задавать на периферии лопатки значение густоты (6/f)nep=

= 1,0— 1,2. Для уменьшения густоты у втулки увеличивают хорду от

Последнее достигается за счет малой относительной толщины сверхзвуковых профилей (сшахк= 2,5—3,5%; сшахвт=10—12%) и сме­

щения максимальной толщины профиля и максимального прогиба ду­

ги средней линии на вторую половину хорды ( ^ > 0,5—0,6 ). В этом

о

случае входная часть профиля напоминает по форме клин. Сама же входная кромка должна быть острой. К сожалению, по технологи­ ческим и прочностным соображениям выполнить это трудно. Поэ­ тому радиус скругления входной кромки делают достаточно малым

(в периферийном сечении г = (2—3)- 10“ 36, а в корневом сечении

г = (1—1,3) • 10"26, где b — хорда профиля).

На рис. 5.16 в качестве примера приведены поля скоростей (чисел Маха) в межлопаточном канале сверхзвуковой решетки компрессора. Видно, что вследствие конечной толщины входных кромок профилей при их обтекании сверхзвуковым потоком в межлопаточном канале возникают, хотя и слабые, головные волны, которые вызывают в пото­ ке волновые потери. Очевидно, что чем толще входная кромка профи­ лей, тем больше интенсивность головных волн и, следовательно, вол­ новых потерь.