1.7. Ограничения по устойчивой работе входных устройств

Следствием помпажа воздухозаборника, помимо увеличения газодинамических нагрузок на элементы его конструкции, является значительное повышение уровня нестационарности потока перед двигателем, приводящее, как правило, к нарушению устойчивой работы компрессора. В отдельных случаях помпаж компрессора по той же причине может возникать и на режимах "зуда" воздухозаборника.

Запас газодинамической устойчивости воздухозаборника по помпажу зависит, с одной стороны, от условий совместной работы воздухозаборника и компрессора, а с другой, - от числа М полета и угла атаки (скольжения) самолета. Указанные факторы учитываются программами регулирования сверхзвуковых входных устройств.

Однако конструктивно оказывается весьма сложным обеспечить требуемый диапазон изменения положения регулирующих органов для всех возможных сочетаний режимов полета самолета и работы двигателя. Это заставляет вводить ограничения, осуществляемые экипажем при пилотировании самолета или обеспечиваемые с помощью специальных блокировок, вводимых в систему автоматического регулирования.

2. Компрессор

2.1. Теория ступени компрессора гтд

Компрессор в ГТД служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Применение компрессора позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя. Применение компрессора позволяет ГТД развивать тягу на месте и на малых скоростях полета.

Компрессор должен удовлетворять следующим требованиям:

- сжатие воздуха происходит при возможно меньших потерях подводимой работы, то есть при возможно большем КПД;

- устойчиво работает во всем диапазоне эксплуатационных режимов;

- подвод воздуха в камеру сгорания производится без пульсаций давления, расхода и скорости;

- имеет возможно меньший вес и габариты;

- имеет высокую надежность.

Основными типами компрессоров авиационных газотурбинных двигателей являются многоступенчатые осевые или осецентробежные компрессоры.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия в отдельных его ступенях.

2.2. Схема и принцип действия ступени осевого компрессора

В современных ГТД наиболее часто используются осевые компрессоры как более полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления и большие расходы воздуха при высоких коэффициентах полезного действия и сравнительно малых диаметральных габаритных размерах и массе.

Осевой компрессор имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.

Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом. Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток, закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:

- направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

- спрямление потока, закрученного впереди стоящим колесом, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу повышения давления воздуха.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Перед рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.

При вращении рабочего колеса за счет сообщенной внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение скорости в абсолютном движении.

Преобразование кинетической энергии воздуха, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени.

Если рассечь лопатки ступени цилиндрической поверхностью и развернуть ее на плоскость, то сечения лопаток рабочего колеса представятся в виде одинаковых и одинаково расположенных профилей, образующих решетку профилей рабочего колеса.

Рассмотрим течение воздуха через решетки профилей, пренебрегая неравномерностью потока в окружном направлении. На входе в рабочее колесо скорость воздуха по отношению к корпусу компрессора (будем называть ее абсолютной скоростью) в общем случае может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени или установки перед колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки справа налево с окружной скоростью "u". Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток "w" применим известное правило сложения скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.

Треугольник, составленный из векторов "c", "u" и "w", называется треугольником скоростей на входе в колесо.

Лопатки рабочего колеса должны быть установлены таким образом, чтобы во избежание срыва потока передние кромки их были направлены по направлению вектора "w" или под небольшим углом к нему. При этом форма (кривизна) профилей лопаток выбирается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса был больше угла входа. В этом случае поворот потока сопровождается увеличением поперечного сечения каждой струи воздуха, проходящей через канал между двумя соседними лопатками. В результате относительная скорость воздуха в рабочем колесе уменьшается, а давление возрастает.

Направление потока за решеткой при безотрывном ее обтекании определяется в основном конструктивным углом установки задней (выходной) кромки лопатки.

Поворот потока воздуха в рабочем колесе сопровождается возникновением на каждой лопатке аэродинамической силы "P" направленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля. Разложим силу "P" на две составляющие. Составляющую, направленную параллельно вектору окружной скорости, назовем окружной составляющей, а нормальную к ней составляющую, направленную параллельно оси компрессора - осевой составляющей. Осевая составляющая передается на упорный подшипник вала компрессора. Окружная составляющая направлена против движения лопаток колеса и стремится замедлить их вращение. Поэтому для поддержания постоянной частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен соответствующий крутящий момент. Работа, затрачиваемая на вращение колеса идет на увеличение энергии воздуха, прошедшего через колесо. Это проявляется в том, что обычно скорость воздуха за колесом оказывается больше скорости воздуха перед колесом, несмотря на одновременное увеличение давления. Соответственно полный напор воздушного потока за колесом также возрастает.

Абсолютная скорость "с" на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника на векторах скоростей "w" и "u". Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости "с" на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.

Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток воздуха в обратную сторону, причем форма их подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости воздуха за ступенью "с" было близко к направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо "с". При этом, как и в рабочем колесе, поворот потока приводит к увеличению поперечного сечения струи воздуха, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость воздуха в направляющем аппарате падает, а давление растет. Но здесь рост давления обеспечивается только за счет использования кинетической энергии воздуха, приобретенной им в рабочем колесе.

Полный напор воздушного потока в направляющем аппарате уже не растет, а несколько уменьшается из-за влияния гидравлических потерь.

Независимо от уровня чисел "М" набегающего на лопатки потока и формы проточной части, течение воздуха через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости воздуха в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.