КОМПРЕССОР
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
Компрессор газотурбинного двигателя предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. Сжатие воздуха необходимо для более полного преобразования подводимого в камеру сгорания тепла в кинетическую энергию газового потока. Это наглядно видно из формулы, выражающей зависимость термического коэффициента полезного действия двигателя (щ) от степени повышения давления компрессора
к—1
тц=1 —Лк к,
где лк — степень повышения давления в компрессоре; к — показатель адиабаты.
Анализ формулы показывает, что при отсутствии сжатия (лк=1) термический КПД равен нулю и, следовательно, введенное в двигатель тепло в результате сгорания топлива не идет на увеличение кинетической энергии газа. С увеличением степени повышения давления повышается термический КПД, возрастает эффективность использования подводимого в двигатель тепла. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к компрессорам, наряду с требованиями обеспечения надежной и устойчивой работы на всех эксплуатационных* режимах, предъявляются требования обеспечить возможность получения больших степеней сжатия при малой массе и габаритах.
Возможность удовлетворения этих требований в значительной степени определяется конструкцией компрессора. По конструкции компрессоры современных авиационных двигателей разделяются на два типа: центробежные и осевые.
Центробежные компрессоры имеют целый ряд преимуществ перед осевыми: простота конструкции и малая трудоемкость в изготовлении, удовлетворительная характеристика при переменных режимах работы, возможность получения больших степеней повышения давления в одной ступени (яСт = 3…6).
Основные недостатки центробежных компрессоров по сравнению с осевыми — меньший КПД, небольшая пропускная способность и большие габаритные размеры в поперечном направлении.
Осевые компрессоры имеют более высокий коэффициент полезного действия, большую пропускную способность, выполняются многоступенчатыми, а потому имеют более высокую степень повышения давления и, следовательно, более высокий КПД, однако они более сложны и дороги в изготовлении, менее устойчивы в газодинамическом отношении и менее надежны в эксплуатации.
Высокая надежность, простота конструкции и большая газодинамическая устойчивость предопределили использование на двигателе М701 центробежного компрессора.
Центробежный компрессор (рис. 85) состоит из ротора и статора. Лопатки вращающегося направляющего аппарата (воздухозаборника) совместно с лопатками рабочего колеса образуют межлопаточные каналы и вместе с корпусом — проточную часть компрессора.
Рабочее колесо с вращающимся направляющим аппаратом (ВНА) и валом образуют ротор компрессора, а корпус компрессора с диффузором — его статор. Вращающийся направляющий аппарат — это спрофилированный лопаточный венец, обеспечивающий безударный вход воздуха на лопатки рабочего колеса.
На входе во ВНА величина и направление относительной скорости W определяются величинами абсолютной скорости С и изменяющейся по высоте лопаток окружной скорости U (рис. 86).
Для обеспечения безударного входа углы загиба лопаток ВНА делают близкими к углам направления относительной скорости Wi. Поскольку направление относительной скорости меняется по высоте лопатки, углы загиба лопаток ВНА также изменяются пропорционально высоте лопатки, увеличиваясь от втулки к периферии.
Рис. 85. Продольный разрез компрессора двигателя М70ІС-500:
1—входной корпус компрессора; 2—передняя стенка компрессора; 3—переднее опорное кольцо лопаточного диффузора; 4 — фланец отбора воздуха для охлаждения узла турбины; 5—заднее опорное кольцо лопаточного диффузора; 6— крыльчатка компрессора;
7 — передний вал; 8 — основной вал ротора; 9 — силовой конус; 10—задний корпус компрессора; 11 — горловина заднего корпуса компрессора; 12— нижний узел крепления двигателя; 13—лопатка диффузора; 14—штифт; 15 — передний подшипник с корпусом переднего уплотнения; 16—вращающийся направляющий аппарат крыльчатки компрессора
В межлопаточных каналах происходит поворот воздушного потока, вращающийся направляющий аппарат вовлекает воздушный поток во вращение, закручивает его и сообщает ему кинетическую энергию вращательного движения.
Рис. 86. Треугольник ско-
ростей воздуха на входе В;
колесо центробежного ком-
прессора
В межлопаточных каналах колеса центробежного компрессора.: поток воздуха, посту — ^ лающий из ВНА, движется в направлении от центра к периферии с непрерывным возрастанием окружной скорости. На двигателе М701 окружная скорость колеса компрессора меняется от 130 м/с у втулки до 450 м/с на периферии (на максимальном режиме работы двигателя). Вращение потока вызывает появление центробежных сил, повышающих давление воздуха. Таким образом, из колеса выходит закрученный воздушный поток с большой скоростью, т. е. обладающий большой кинетической энергией.
Из колеса воздушный поток поступает в диффузор, в котором полученная кинетическая энергия превращается в работу сжатия. Поэтому на выходе из диффузора скорость воздуха уменьшается, а давление и температура увеличиваются.
Процесс сжатия воздуха в компрессоре происходит с определенными потерями. Так, вследствие вязкости воздуха при вращении колеса происходит трение воздуха, окружающего колесо, и воздуха, движущегося по межлопаточным каналам, о стенки колеса. Это трение создает дополнительный момент сопротивления вращению колеса и требует на его преодоление затрат дополнительной работы, которая входит составной частью в работу, затрачиваемую на вращение компрессора. Основную часть потерь вызывает трение торцевых повен ч — ностей лопаток колеса и воздуха, движущегося по э:" му колесу, о воздух, находящийся в осевых зазорах между колесом и корпусом компрессора.
Кроме трения воздуха, увлеченного во вращение лопатками колеса, о стенки корпуса значительное влияние на величину потерь оказывает перетекание воздуха по зазорам между торцами лопаток и стенкой корпуса. Это приводит к возникновению дополнительных гидравлических потерь. Перетекание воздуха обусловливается наличием разности давлений с обеих сторон лопатки колеса, которая, в свою очередь, является следствием радиального относительного движения воздуха в колесе и абсолютного движения по спирали с возрастающей окружной скоростью, вызывающих появление сил, действующих перпендикулярно относительной скорости в сторону, обратную направлению движения. Действие этих сил создает перепад давления по обе стороны лопаток, что является источником возникновения момента сопротивления, на преодоление которого необходимо затратить работу. Поскольку величина зазора между лопатками колеса компрессора и корпусом существенно влияет на величину потерь, а следовательно, и на коэффициент полезного действия компрессора, этот зазор конструктивно стараются сделать минимальным.