Лекция № 15 « Сверхзвуковая ступень осевого компрессора. Вентиляторные ступени »

Особенности течения воздуха в решетках при больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях потока

При небольших дозвуковых скоростях потока сжимаемость газа не оказывает существенного влияния на характер обтекания решетки. С увеличением числа М потока (до ) потери в решетке растут незначительно, а угол отставания потока практически остается постоянным. При дальнейшем увеличении числа М потока на входе в решетку местные скорости в отдельных зонах поверхности профиля достигают скорости звука.

Увеличение числа М потока на входе в решетку при приводит к расширению сверхзвуковых зон, усилению интенсивности местных скачков уплотнения и к увеличению зоны отрыва пограничного слоя. Число М на входе в решетку, при котором средняя скорость в узком сечении межлопаточного канала решетки на данном угле атаки достигает местной скорости звука, называется максимальным и обозначается .Дальнейшее увеличение скорости набегающего потока сверх и, следовательно, увеличение объемного расхода воздуха через дозвуковую решетку становится невозможным (происходит «запирание» решетки).

При обтекании решетки с обычной дозвуковой профилировкой лопаток сверхзвуковым потоком перед решеткой образуется система головных ударных волн.

Назначения околозвуковых и сверхзвуковых ступеней.

Околозвуковыми (трансзвуковыми) обычно называют такие ступени, в которых число М изменяется по высоте лопатки от повышенных дозвуковых значений до умеренных сверхзвуковых ( ). В сверхзвуковых ступенях поток воздуха, обтекающий лопатки, имеет сверхзвуковую скорость по всей их высоте.

В дозвуковых ступенях скорости обтекания передних кромок лопаток ограничены значениями . Это накладывает значительные ограничения на расход воздуха, окружную скорость и степень повышения давления в ступени, не позволяет добиться существенного снижения габаритных размеров и массы высоконапорного компрессора.

Для обеспечения работы трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней с высоким КПД необходимо специальное профилирование лопаток и выбор умеренных значений диффузорности межлопаточных каналов. Отличительными особенностями профилей лопаток таких ступеней являются: малая относительная толщина ( и менее), смещение максимального прогиба средней линии на хорды, тонкая передняя кромка, наличие прямолинейного или близкого к нему входного участка спинки профиля.

Типы околозвуковых и сверхзвуковых ступеней, их принцип работы и область применения.

Ступени могут быть выполнены по следующим газодинамическим схемам:

1) ступень со сверхзвуковым рабочими колесом и дозвуковым направляющим аппаратом

, , ;

2) ступень со сверхзвуковым рабочим колесом и сверхзвуковым направляющим аппаратом:

а) , , (за счет большой закрутки и );

б) , , , (в рабочем колесе осуществляется его скорости).

Принцип работы ступени заключается в следующем. На входном участке решетки рабочего колеса осуществляется торможение сверхзвукового потока до дозвукового в одном или нескольких скачках уплотнения (от до ). Далее, как и в дозвуковой ступени, при течении воздуха в межлопаточном канале происходит небольшой поворот потока и его торможение до скорости . Из рабочего колеса поток поступает в направляющий аппарат, течение воздуха в котором аналогично течению в дозвуковой ступени.

Околозвуковые и сверхзвуковые ступени благодаря повышенной закрутке и высоким окружным скоростям при использовании их в качестве первых ступеней компрессора (вентилятора) обеспечивают получение степени сжатия и более при затраченной работе и КПД ступени .

Вентиляторные ступени современных ТРДД характеризуются большими окружности скоростями, которые достигают на наружном радиусе 420…470 м/с при числе М по относительной скорости до 1,4…1,5.

Особенности условия работы вентилятора.

Вентилятор является одним из основных узлов двухконтурных турбореактивных двигателей, осуществляющий сжатие воздуха, проходящего как через первый, так и через второй контуры.

Распределение работы по высоте лопаток вентилятора.

Профилирование ступеней вентилятора осуществляется, как правило, при переменной (по высоте лопатки) эффективной работе. При этом выбор схемы газодинамических и геометрических параметров вентилятора производится так, чтобы исключить появление больших гидравлических потерь, связанных с непостоянством работы по высоте лопатки основного рабочего колеса.

В основном рабочем колесе, начиная от втулки и до некоторого диаметра , на котором лопатки в состоянии передать эффективную работу , работа должна увеличиваться, оставаясь близкой к предельному значению. Начиная от диаметра и выше, эффективная работа остается неизменной и равной . Для уменьшения неравномерности параметров потока за вентилятором и гидравлических потерь установлена подпорная ступень. По высоте этой ступени эффективная работа должна изменяться так, чтобы сумма и была равна , т.е.

.

Особенности течения воздуха в вентиляторной ступени.

Течение воздуха вентиляторной ступени имеет некоторые особенности, связанные с относительно малым втулочным диаметром и сравнительно высокой степенью повышения давления.

С увеличением плотности воздуха происходит значительное сужение меридионального сечения канала по потоку, в результате чего появляется радиальная составляющая скорости, а лопатки обтекаются под некоторым переменным углом (появляется скольжением потока).

Скольжение потока приводит к изменению основных характеристик лопаточных венцов. Это связанно, прежде всего, с увеличением критического числа при возрастании угла скольжения . Рост приводит к увеличению толщины пограничного слоя у поверхности лопаток и гидравлических потерь при их обтекании. Поэтому с увеличением КПД диффузорной решетки снижается.

При создании компрессорных и вентиляторных ступеней влияние скольжения на напор и КПД ступени учитывают.

Для создания высокого напора необходимо иметь высокие окружные скорости. В современных вентиляторах окружная скорость на конце лопаток основного рабочего колеса достигает более .