Задачи и способы регулирования ОК
Регулирование ОК ГТД производится с целью обеспечения устойчивой их работы на всех эксплуатационных режимах и получения максимально возможных величин πк* и ξк*на основных рабочих режимах. Поскольку отрицательные явления в работе ОК связаны со срывом потока со спинки лопатки, то основной задачей регулирования ОК является получение на всех рабочих режимах расчетных или близких к ним углов атаки потока на лопатки. Эта задача в современных ОК решается следующими способами:
а) перепуском воздуха из одной или нескольких средних ступеней ОК в атмосферу (или во внешний контур ТРДД);
б) поворотом лопаток направляющих аппаратов;
в) применением двух- или трехкаскадных ОК.
Перепуск воздуха. Для предотвращения или устранения помпажа в первых ступенях ОК необходимо увеличить осевую скорость, т.е. увеличить расход воздуха через эти ступени. Это достигается открытием перепускных окон.
Рис. 18. Схема осевого компрессора с клапаном перепуска воздуха
При соответствующем количестве выпускаемого воздуха можно получить расчетное натекание воздуха на лопатки РК. При этом πст и ξст ступеней, расположенных до окон перепуска, возрастут. Увеличение плотности воздуха, поступающего в ступени ОК, расположенные за окнами перепуска, приведет к уменьшению осевых скоростей в них; треугольники скоростей в последних ступенях приблизятся к расчетным. В результате πст и ξст последних ступеней также возрастут. Таким образом, перепуск воздуха на пониженных nпр обеспечивает увеличение запаса устойчивости ОК, повышение напорности всех ступеней и повышение их КПД. Однако следует иметь в виду, что несмотря на улучшение работы ОК, перепуск воздуха в атмосферу приводит к снижению тяги двигателя и ухудшению его экономичности. При перепуске воздуха в наружный контур двигателя и использовании этого воздуха для создания тяги эффективность такого способа регулирования ОК увеличивается.
Поворот лопаток НА позволяет непосредственно изменять углы натекания в различных ступенях ОК. На практике поворотные НА устанавливаются в первых и последних ступенях, где углы натекания при работе ОК в различных условиях изменяются в большей степени. Для управления углами натекания потока на лопатки РК первой ступени производится увеличение предварительной закрутки потока в сторону вращения РК путем поворота лопаток ВНА в направлении уменьшения установочных углов. Последние ступени ОК на пониженных nпр работают, как известно, работают при малых углах натекания. Их увеличение до оптимального значения достигается поворотом лопаток НА предыдущих ступеней на увеличение установочных углов (на уменьшение предварительной закрутки потока).
Для обеспечения устойчивой работы ОК современных ГТД поворот лопаток НА применяется совместно с перепуском воздуха. Имея в виду, что помпаж в ОК возникает при определенных приведенных, а не физических оборотах, управление клапанами перепуска воздуха и поворотом лопаток НА производится по приведенным оборотам.
Рис. 19. Регулирование компрессора поворотом лопаток ВНА
а – ВНА; б – изменение треугольника скоростей; в – ВНА с лопатками переменной кривизны
Поворот рабочих лопаток также может служить средством приближения углов атаки на нерасчетных режимах к их расчетным значениям (применение лопаток переменной кривизны). Но в конструктивном отношении он значительно более сложен и в настоящее время практически не применяется.
Применение многокаскадных ОК. Каскадом ОК называется группа его ступеней, приводимая во вращение отдельной ступенью или группой ступеней турбины. ОК современных ГТД могут иметь два или три последовательно расположенных каскада.
Рис. 20. Схема 2-вального (двухкаскадного) ТРД: 1 – КНД; 2 – КВД
На расчетном режиме работа многокаскадного ОК принципиально не отличается от работы обычного одновального ОК. На нерасчетных режимах многокаскадный ОК имеет некоторые особенности. Прежде всего, отдельные каскады многокаскадного ОК низконапорны, т.е. степень повышения давления в каждом из них ниже суммарной πк = πкндπквд.Известно, что ОК с πк<4 работают устойчиво во всем диапазоне рабочих режимов. Кроме того, многокаскадная конструктивная схема ОК обеспечивает способность ГТД к так называемому саморегулированию.
Идея саморегулирования сводится к следующему. В передних ступенях углы натекания при снижении оборотов возрастают, что приводит к увеличению аэродинамических нагрузок на лопатки, т.е. к «затяжелению» ступеней. Последние ступени вследствие уменьшения углов натекания в этих условиях «облегчаются». Если указанные группы ступеней выделить в отдельные каскады, «облегчение» и «затяжеление» ступеней приведет к изменению частоты их вращения. Обороты ротора первого каскада n1 несколько уменьшатся, а обороты ротора второго каскада n2 несколько возрастет. Уменьшение n1 приводит к снижению углов натекания, а увеличение n2 – к росту углов натекания. В обоих случаях изменение углов натекания происходит в направлении их оптимальных значений. Это повышает запас устойчивости и КПД ОК на пониженных режимах работы. Способность ГТД самопроизвольно (за счет «затяжеления» или «облегчения» ступеней) поддерживать близким к оптимальному режим течения в каскадах ОК и представляет собой свойство саморегулирования.
4.7. Конструктивные компоновки осевых компрессоров
Конструктивные компоновки ОК зависят от типа ГТД, потребной степени повышения давления, степени двухконтурности и др.
Для ТРД и ТВД небольшой тяги (мощности) с низкими параметрами рабочего процесса применяют однокаскадные ОК с числом ступеней не более 8-10. Проточную часть таких ГТД выполняют с постоянным наружным диаметром, при котором корпус имеет простую в изготовлении цилиндрическую форму, а последние ступени, благодаря возрастанию среднего диаметра, обладают достаточно высокой напорностью.
В ГТД с умеренными и относительно высокими параметрами рабочего процесса применяют двухкаскадные ОК, обладающие повышенными по сравнению с однокаскадными схемами запасами газодинамической устойчивости. Основное применение двухкаскадные ОК получили в ТРДД.
У ТРДД с умеренной степенью двухконтурности (1-3) вентилятор и КНД обычно выполняют с одинаковым числом ступеней, или снабжают КНД дополнительными (подпорными) ступенями. Характерным элементом конструкции двухкаскадных ОК ТРДД является переходный корпус между КНД и КВД.
Трехкаскадные ОК используют в ТРДД с большой степенью двухконтурности (у=4-8). Вентиляторы таких ТРДД обычно выполняют одноступенчатыми сверхзвуковыми. Подшипники роторов вентилятора, КНД и КВД устанавливают по одному на каждый ротор. Это позволяет существенно уменьшить осевые габариты ОК и его массу.
Для высоконапорных ОК ТРДД проточную часть КВД обычно профилируют с постоянным наружным диаметром. При такой компоновке лопатки последних ступеней сохраняют достаточную напорность благодаря увеличению среднего диаметра (окружной скорости).
Проточные части вентиляторов ТРДД выполняют по различным схемам, чаще – с постоянным внутренним или постоянным средним диаметром, что позволяет уменьшить диаметр массивного переходного корпуса.
Для КНД и КСД целесообразно применять проточную часть с постоянным внутренним диаметром, либо комбинированную схему проточной части: в первых ступенях с постоянным средним диаметром, а в последних – с постоянным внутренним.
Рис. 21. Схемы проточной части многоступенчатого компрессора
а – с постоянным внешним диаметром; б – с постоянным внутренним диаметром; 3 – с постоянным средним диаметром; 4 – компромиссная схема
Роторы ОК
Ротор включает вращающиеся элементы конструкции: рабочие лопатки, диски (или барабан), на которых закреплены рабочие лопатки, валы или цапфы, которыми ротор опирается через подшипники на корпус. Различают три конструктивных типа роторов: барабанные, дисковые и смешанные (барабанно-дисковые) – рис. 20.
Рис. 22. Типы роторов осевых компрессоров
а – барабанный; б – дисковый; в – барабанно-дисковый; 1,3 – передняя и задняя цапфы; 2 – барабан; 4 – диски; 5 – вал; 6 – барабанный участок ротора
Достоинством ротора барабанного типа является высокая изгибная жесткость, обусловленная большим диаметром барабана, основным недостатком – низкая прочность на разрыв и малая радиальная жесткость. Указанные недостатки резко ограничивают практическое применение барабанных роторов. Их иногда используют в низконапорных ОК малоразмерных ГТД.
Достоинством дискового ротора является высокая прочность на разрыв, поэтому они способны работать при больших окружных скоростях; существенным недостатком является низкая изгибная жесткость, определяемая жесткостью вала относительно небольшого диаметра.
Барабанно-дисковые роторы сочетают в себе достоинства барабанных и дисковых конструкций. Они имеют высокую жесткость во всех направлениях, хорошо сопротивляются действию центробежных сил при больших окружных скоростях. Получили основное применение в современных ГТД. В зависимости от выбранного способа соединения между собой элементов конструкции барабанно-дисковые роторы могут быть разборные и неразборные.
Рабочие лопатки являются главными элементами ротора ОК. В межлопаточных каналах РК происходит преобразование работы вращения ротора в кинетическую энергию движения воздуха и одновременно в потенциальную энергию его давления. Все остальные элементы конструкции ротора служат только для передачи механической энергии к рабочим лопаткам. Рабочая лопатка состоит из профилированной части (пера) и хвостовика, предназначенного для крепления лопатки на диске или барабане.
Крепление рабочих лопаток обычно осуществляют с помощью хвостовиков типа «ласточкин хвост», устанавливаемых в продольные пазы ободов дисков. В первых ступенях ОК часто применяют шарнирное крепление лопаток с помощью хвостовиков типа «проушина». Массивные лопатки вентиляторов ТРДД иногда крепят в продольных пазах ободов дисков с помощью хвостовиков елочного типа.
Для повышения жесткости длинных лопаток вентиляторов ТРДД и демпфирования их колебаний на профильной части лопаток выполняют антивибрационные полки, между которыми в РК осуществляют плотный контакт. В перспективных конструкциях вентиляторов ТРДД рабочие лопатки предполагают применять без полок. Ведутся разработки широких пустотелых лопаток, обладающих достаточно высокой собственной жесткостью. Для демпфирования колебаний предусматривается размещение во внутренних полостях лопаток сотовых заполнителей.
Статоры ОК
Статор – это неподвижная часть ОК, состоящая из направляющих аппаратов, корпуса ОК, корпусов НА, корпусов опор и различных оболочковых конструкций. Конструктивные компоновки статоров различают по числу отдельно выполненных и соединенных в определенной последовательности корпусов опор и корпусов НА. По этому признаку выделяют двух-, трех- и многокорпусные статоры.
В ОК с небольшим числом ступеней, а также в КВД или КСД многих ТРДД применяют двухкорпусные статоры. Статоры такого типа характерны для двигателей, силовые корпусы которых выполнены с внешней силовой связью. Двух- и трехкаскадные ОК ТРДД имеют многокорпусные статоры (четырех- и пятикорпусные) с объединенными корпусами опор. Роль объединенного корпуса опор в таких статорах обычно выполняет переходный корпус, который является корпусом задней опоры КНД и передней опоры КВД.
Направляющие аппараты (НА) устанавливают за РК для дальнейшего повышения давления воздуха в диффузорных межлопаточных каналах за счет снижения скорости потока в абсолютном движении. НА состоит из направляющих лопаток, закрепленных к наружному и внутреннему бандажным кольцам. Наружные бандажи служат для крепления НА к оболочке корпуса, а внутренние – для повышения жесткости. Иногда внутренние бандажи не применяют, используя НА консольного типа.
Входные направляющие аппараты (ВНА) устанавливают перед РК первых ступеней для предварительной закрутки потока обычно по направлению вращения ротора с целью снижения относительной скорости потока в РК. Вентилятора ТРДД с большой степенью двухконтурности часто применяют без ВНА с целью снижения уровня шума. Лопатки ВНА обычно выполняют с обогреваемыми входными кромками, во внутренние полости которых подводят горячий воздух от последних ступеней ОК для предотвращения обледенения.