Компрессор авиационного двигателя: Компрессоры авиационных ГТД. | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

КОМПРЕССОР | Авиация — коммерческая, гражданская, спецавиация…

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. 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.

Многоступенчатый осевой компрессор авиационного двигателя

Авторы патента:

Белоус Владимир Иосифович (BY)

F04D27/02 — способы и устройства для устранения помпажа

F02C9/18 — путем отбора, перепуска или путем воздействия на изменяемые связи по рабочему телу между турбинами, компрессорами или их ступенями

 

Многоступенчатый осевой компрессор авиационного двигателя содержит две или более последовательно установленные ступени. Компрессор также снабжен средством для отключения части ступеней, выполненным в виде средства для отключения одной или более последних ступеней. Изобретение улучшает регулирование компрессора. 5 ил.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения. Может быть использовано в многорежимных сверхзвуковых и в дозвуковых газотурбинных авиационных двигателях.

Известен дозвуковой авиационный двигатель с большой степенью двухконтурности двухвальный ПС-90А [1]. В двигателе установлен вентилятор, приводимый турбиной низкого давления. Компрессор высокого давления состоит из 13 последовательных осевых ступеней, при этом входной направляющий аппарат и направляющие аппараты первой, второй и третьей ступеней выполнены регулируемыми. Осуществляется перепуск воздуха из промежуточных ступеней компрессора высокого давления. Недостатком данного двухкаскадного компрессора является сложность конструкции и ненадежность в работе. Невозможен быстрый и надежный переход с режима пониженной тяги на режим максимальной тяги.

Известен многоступенчатый осевой компрессор по патентному документу SU 1677375. При работе этого компрессора для обеспечения его беспомпажной работы в условиях повышения сопротивления сети за компрессором часть воздуха из-за последней ступени подается на вход промежуточных ступеней по каналу перепуска через регулируемый клапан, являющийся дроссельным устройством. Недостатком этого компрессора является неизбежное уменьшение расхода воздуха через компрессор при увеличении сопротивления сети за компрессором и невозможность быстро изменить степень сжатия компрессора.

Известен многоступенчатый осевой компрессор по патентному документу US 4038818. Указанный компрессор снабжен средством для отключения части ступеней, а именно двух передних ступеней. Это дает возможность при повышении температуры поступающего в компрессор воздуха, не меняя оборотов ротора, сделать работу неотключенных ступеней более расчетной. Но данная конструкция не позволяет восстановить или увеличить расход воздуха через компрессор при увеличении сопротивления сети за компрессором.

Заявляемое изобретение представляет собой новое средство механизации компрессора. Предлагается снабдить многоступенчатый осевой компрессор средством для отключения части ступеней, причем средством для отключения одной или более последних ступеней. В сверхзвуковых двигателях целесообразна замена двухвальной схемы двигателя одновальной одноконтурной. В дозвуковых двухвальных двухконтурных двигателях предлагается применять отключение последних ступеней в последнем каскаде компрессора. Отключение и подключение последних ступеней в компрессоре сверхзвуковых двигателей позволяет отказаться от других средств механизации компрессора: двухкаскадного компрессора и регулируемых направляющих аппаратов статора. Поддерживая приведенное число оборотов ротора равным расчетному значению, есть возможность практически мгновенно менять степень сжатия компрессора путем отключения или подключения последних ступеней. Это позволит быстро менять температуру газов перед турбиной и тягу двигателя без изменения оборотов ротора, регулируя степень расширения газов в турбине. Условия работы оставшихся работать ступеней компрессора будут расчетными или близкими к расчетным. Подключение ранее отключенных последних ступеней в последнем каскаде дозвукового двухконтурного двигателя позволяет практически мгновенно увеличить расход воздуха через внутренний контур и дает возможность поднять температуру газов перед турбиной, регулируя подачу топлива. При этом увеличивается тяга двигателя без опасности появления помпажа компрессора.

Для отключения ступеней предлагается использовать устройства перепуска воздуха в последних ступенях. При этом скорость выхода воздуха из рабочего колеса отключаемой ступени возрастает настолько, что рабочая нагрузка с рабочего колеса снимается. Вместо перепуска воздуха возможно использование различных сцепных муфт приводов. При помощи сцепной муфты рабочее колесо соединяется с ротором двигателя в режиме включения и разъединяется с ротором в режиме отключения ступени. При этом воздушный поток проходит через рабочее колесо, которое не оказывает на него силового воздействия.

На фиг. 1 изображена схема трех последних ступеней каскада компрессора с отключением двух последних ступеней с помощью устройства перепуска воздуха; на фиг. 2 изображена схема варианта отключения трех последних ступеней каскада компрессора; на фиг. 3 изображен треугольник скоростей ступени компрессора с осевым входом в режиме отключения; на фиг. 4 изображен треугольник скоростей ступени компрессора с предварительной закруткой потока по вращению колеса в режиме отключения.

Однокаскадный осевой компрессор одноконтурного сверхзвукового реактивного двигателя содержит двенадцать последовательных ступеней. Схема последней части компрессора изображена на фиг. 1. На роторе 1 компрессора закреплены рабочие лопатки 2. Каждый ряд лопаток 3, закрепленный на статоре компрессора, может быть заменен двумя последовательными рядами неподвижных лопаток с целью уменьшения сопротивления течению воздушного потока в режиме отключения данной ступени. Две последние ступени компрессора снабжены устройствами перепуска воздуха 4 и 5. Кольцевая полость 6 вокруг отключаемых ступеней предназначена для обеспечения свободного движения воздуха в режиме отключения. Направляющий аппарат 7 на входе в полость 6 может быть использован для возможной закрутки потока. Кольцевая полость 6 соединена вместе с выходом компрессора со входом в камеру сгорания 8 двигателя. Размер, количество и конкретное расположение окон перепуска 4 и 5 определяется исходя из условия обеспечения наилучшего отключения ступеней. Перепуск возможно осуществить с помощью гибкой стальной ленты, закрывающей отверстия в корпусе компрессора в сечении, где необходим перепуск. Также перепуск возможно осуществить с помощью клапанов перепуска воздуха. Окна перепуска в этих клапанах закрываются заслонками, управляемыми гидроцилиндрами. Устройства перепуска воздуха 4 и 5 являются средством для отключения двух последних ступеней в компрессоре. Компрессор соединен валом с турбиной. Двигатель имеет регулируемое сопло, оборудован системой автоматического управления.

С целью упрощения запуска раскрутку ротора 1 двигателя целесообразно начинать с отключенными последними ступенями. После предварительной раскрутки ротора 1 стартером следует закрыть окна перепуска 4 и 5 и одновременно подать — воспламенить топливо в камере сгорания двигателя. Обороты двигателя быстро достигнут расчетного значения. Система автоматического управления поддерживает режим постоянства приведенных оборотов двигателя n_пр= const, регулируя, например, подачу топлива в камеру сгорания по сигналу центробежного регулятора и сигнала от датчика температуры воздуха, поступающего на вход компрессора. В зависимости от того, какая требуется тяга двигателя в данный момент времени, осуществляется регулировка температуры газов перед турбиной T_г^* путем регулировки степени расширения газов в турбине П_т^* при помощи регулируемого сопла. При этом предлагается регулировать степень сжатия компрессора П_к^* путем закрытия или открытия окон перепуска 4 и 5 ступеней. Таким образом, чтобы увеличение или уменьшение степени сжатия в раз соответствовало увеличению или уменьшению соответственно Т_г^* в k раз. В этом случае режим работы работающих ступеней и расход воздуха через компрессор будет поддерживаться расчетным или близким к нему. Например, увеличению Т_г^* с 1069 до 1400K должно соответствовать увеличение степени сжатия компрессора раза. Для этого достаточно подключить одну ступень (фиг.5). Подключение еще одной ступени к работе соответственно позволит дополнительно увеличить Т_г^* без уменьшения расхода воздуха через компрессор. Закрытие окон перепуска 4 и 5 соотвествует подключению этих ступеней к работе, а открытие — к отключению. Сверхзвуковой двигатель с регулируемым соплом, у которого несколько последних ступеней в осевом компрессоре выполнены отключаемыми, имеет не один, а несколько расчетных режимов — в зависимости от того, сколько ступеней компрессора подключено к работе. Вследствие этого есть возможность отказаться от других средств механизации компрессора. Увеличение тяги двигателя происходит быстро на любой возможной высоте полета. Для запуска двигателя в полете с режима авторотации следует одновременно закрыть окна перепуска 4 и 5 и начать подачу топлива с воспламенением. Кроме указанного выше варианта регулировки двигателя возможно применение специальных команд, регулирующих подачу топлива при отключении и подключении ступеней компрессора.

На фиг. 2 изображена схема варианта отключения последних ступеней в компрессоре, при котором кольцевая полость 6 непосредственно не соединена со входом в камеру сгорания двигателя. Окна перепуска 5 открыты при отключении последней ступени, окна перепуска 4 и 5 отрыты при отключении двух последних ступеней, окна 4, 5 и 9 — при отключении трех последних ступеней.

Отключение и подключение ступеней компрессора может быть применено в качестве эффективного средства против помпажа компрессора в дозвуковых многовальных газотурбинных двигателях двухконтурных и турбовинтовых в последнем каскаде компрессора при быстром восстановлении тяги двигателя. Подключение ступеней дает возможность неограниченно быстро увеличить расход топлива, расход воздуха через внутренний контур и тягу двигателя. Увеличивается скорость восстановления оборотов роторов от пониженных до номинальных.

Свободное течение воздуха в каналах рабочего колеса отключенной ступени будет соответствовать фиг. 3 или 4. Для того, чтобы снять рабочую нагрузку с рабочего колеса отключаемой ступени, необходимо выполнить условие C_1u = C_2u, то есть окружные составляющие абсолютной скорости на входе в рабочее колесо и на выходе из него должны стать равны. В случае осевого входа воздушного потока в рабочее колесо (фиг. 3) осевым должен быть и выход. Для этого, в результате открытия окон перепуска воздух в межлопаточных каналах рабочего колеса должен не сжиматься, как это имеет место при рабочем режиме работы ступени, а расширяться и ускоряться под действием градиента статического давления при сужении канала течения от F₁ на входе до F₂ на выходе из рабочего колеса. Если абсолютная скорость C₂ достигнет величины C₂= tg₂u, выход воздуха из рабочего колеса станет осевым, значит крутящий момент на данном рабочем колесе станет равен практически нулю. U = скорость окружная рабочего колеса; индексы 1 и 2 обозначают значения параметров на входе и выходе из рабочего колеса соответственно; ₂ — угол между относительной скоростью на выходе W₂ и фронтом рабочего колеса. Эти обозначения относятся также к схеме на фиг. 4. Но в этом случае воздушный поток имеет предварительную закрутку перед рабочим колесом в сторону вращения рабочего колеса. В результате открытия окон перепуска воздуха при данном угле ₂ должно выполниться условие C_1u= C_2u. Следует учитывать при расчете компрессора, что скорость потока при сужении канала течения не может стать выше критической. Обтекание лопаток рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата отключенной ступени будет проходить без заметного гидравлического сопротивления. На рабочем колесе отключенных ступеней останется незначительная нагрузка, связанная с необходимостью поддерживать циркуляцию воздуха.

В том случае, если для отключения ступеней вместо перепуска воздуха применяются сцепные муфты приводов, происходит уменьшение частоты вращения рабочего колеса отключенной ступени независимо от частоты вращения ротора 1 до величины, при которой C_1u станет равной C_2u. В качестве сцепных муфт приводов могут быть использованы различные управляемые муфты: фрикционные, кулачковые, гидравлические. Управление муфтами может быть гидравлическим, пневматическим, электромагнитным.

Из приведенного описания совершенно очевидно, что возможны многие модификации и варианты настоящего изобретения. Число ступеней в компрессоре, число отключаемых ступеней, режимы регулирования, расчетные режимы двигателей могут быть различными. Конструкция компрессора позволяет отказаться от сложных автоматов приемистости, гидрозамедлителей и ограничителей нарастания давления топлива перед форсунками. Появляется возможность поднять температуру газов перед турбиной до максимального значения при сниженной температуре воздуха на входе в компрессор.

Источники информации 1) Пивоваров В.А. Авиационный двигатель ПС-90А, Москва, 1989 год.

Формула изобретения

Многоступенчатый осевой компрессор авиационного двигателя, содержащий две или более установленные последовательно ступени, причем компрессор снабжен средством для отключения части ступеней, отличающийся тем, что средство для отключения части ступеней выполнено в виде средства для отключения одной или более последних ступеней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 09.10.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---

 

Похожие патенты:

Турбокомпрессор // 2162165

Изобретение относится к компрессоростроению и, в частности к осевым, диагональным и осецентробежным компрессорам газотурбинных установок

Турбокомпрессор // 2162164

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к осевым, диагональным и осецентробежным компрессорам газотурбинных установок

Универсальная газотурбинная установка // 2157901

Способ и устройство защиты компрессора от помпажа // 2150611

Изобретение относится к области защиты осевых и центробежных компрессоров от помпажа и может быть использовано в системах защиты и управления газоперекачивающих агрегатов

Ступень турбомашины // 2148732

Изобретение относится к авиадвигателестроению и может быть использовано в компрессорах газотурбинных двигателей

Центробежный компрессор (варианты) и способ регулирования центробежного компрессора // 2138692

Устройство для регулирования перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки // 2136975

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинных двигателей, в частности, к устройствам, обеспечивающим устойчивую работу вспомогательных силовых установок (ВСУ) летательных аппаратов при изменении количества отбираемого воздуха потребителем

Газотурбинный двигатель (варианты) // 2126492

Спускной клапан (варианты) // 2119100

Центробежный компрессор со стабилизирующим поток корпусом // 2117825

Изобретение относится к области центробежных компрессоров

Газотурбинный двигатель (варианты) // 2126492

Способ работы высокотемпературной газотурбинной установки // 2044907

Клапан перепуска рабочего тела // 2011875

Система регулирования газотурбинного двигателя // 2008482

Изобретение относится к автоматическому регулированию, в частности к системам регулирования газотурбинных двигателей (ГТД)

Способ управления газотурбогенератором // 1774043

Способ регенерации тепла в газотурбинном двигателе // 1661466

Изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям, позволяет повысить экономичность двигателя на частичных режимах при сжатии воздуха до степени повышения давления более 20 и нагреве выше 1200°С

Способ регулирования многокаскадного компрессора газотурбинного двигателя // 1394790

Регулятор перепуска и отбора воздуха // 357361

Блок для регулирования турбомашины // 211219

Патент 193840 // 193840

Турбохолодильная установка с отбором воздуха от двухконтурного турбореактивного двигателя // 2168122

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к воздушным турбохолодильным установкам

Компрессоры

+ Только текстовый сайт + Версия без Flash + Свяжитесь с Гленном The banner informs younger students of the Kid’s Page»> Эта страница предназначена для учащихся колледжа, старшей или средней школы. Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице доступно на Детская страница. Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены газотурбинные двигатели, также называемые реактивными двигатели. Есть несколько разных типы газотурбинных двигателей, но все газотурбинные двигатели имеют некоторые общие детали. Все турбины двигатели имеют компрессор для повышения давления поступающего воздуха до того, как он попадет в камеру сгорания. Производительность компрессора оказывает большое влияние на общий двигатель производительность. Как показано на рисунке выше, существует два основных типа компрессоры: осевой и центробежный . На фото компрессор слева называется осевым компрессором, потому что поток через компрессор проходит параллельно оси вращения. компрессор справа называется центробежным компрессор, потому что поток через этот компрессор поворачивается перпендикулярно оси вращения. Центробежные компрессоры, которые использовались в первых реактивных двигателях, до сих пор используются на небольших турбореактивных двигателях и турбовальный двигатели и как насосы на ракета двигатели. Современный большой турбореактивный и турбовентиляторный двигатели обычно используют осевые компрессоры. Зачем переходить на осевые компрессоры? Средняя, ​​одноступенчатая, центробежный компрессор может увеличить давление в 4 раза. аналогичный средний одноступенчатый осевой компрессор увеличивает давление всего на коэффициент 1,2. Но относительно легко связать вместе несколько ступеней и производят многоступенчатый осевой компрессор . в многоступенчатый компрессор, давление умножается от ряда к ряду (8 стадий по 1,2 на стадию дает коэффициент 4,3). Это намного больше сложно изготовить эффективный многоступенчатый центробежный компрессор потому что поток должен быть направлен обратно к оси на каждой ступени. Поскольку поток направлен перпендикулярно оси, двигатель с центробежный компрессор, как правило, шире, имеет большее поперечное сечение площади, чем соответствующая ось. Это создает дополнительные нежелательные аэродинамическое сопротивление. По этим причинам наиболее высокая производительность, высокая степень сжатия В газотурбинных двигателях используются многоступенчатые осевые компрессоры. Но, если только требуется умеренная степень сжатия, центробежный компрессор намного проще в использовании. Виды деятельности: Экскурсии с гидом Детали реактивного двигателя: Компрессор: Турбореактивные двигатели: Форсажные турбореактивные двигатели: Навигация . . Домашняя страница руководства для начинающих   + Горячая линия генерального инспектора + Данные о равных возможностях трудоустройства публикуются в соответствии с Законом об отсутствии страха + Бюджеты, стратегические планы и отчеты о подотчетности + Закон о свободе информации + Повестка дня президентского руководства + Заявление НАСА о конфиденциальности, отказ от ответственности, и сертификация доступности       Редактор: Нэнси Холл Официальный представитель НАСА: Нэнси Холл Последнее обновление: 13 мая 2021 г. + Связаться с Гленном

Компрессорная секция авиационного турбинного двигателя и типы компрессоров

Компрессорная секция газотурбинного двигателя выполняет множество функций. Его основная функция заключается в подаче воздуха в количестве, достаточном для удовлетворения потребностей горелок. В частности, для выполнения своего назначения компрессор должен повышать давление массы воздуха, поступающего из воздухозаборного тракта, а затем нагнетать его на горелки в необходимом количестве и под требуемыми давлениями.

Второй функцией компрессора является подача отбираемого воздуха для различных целей в двигателе и самолете. Отбираемый воздух берется из любой из различных ступеней давления компрессора. Точное расположение выпускных отверстий, конечно же, зависит от давления или температуры, необходимых для конкретной работы. Порты представляют собой небольшие отверстия в корпусе компрессора, примыкающие к конкретной ступени, из которой должен выпускаться воздух; таким образом, различные степени давления доступны, просто нажав на соответствующую ступень. Воздух часто отбирается из конечной ступени или ступени с самым высоким давлением, поскольку в этот момент давление и температура воздуха максимальны. Иногда может возникнуть необходимость охладить этот воздух под высоким давлением. Если он используется для наддува кабины или других целей, для которых избыточное тепло было бы неудобным или вредным, воздух проходит через блок кондиционирования воздуха, прежде чем он попадет в кабину. Отработанный воздух используется по-разному. Некоторые из текущих применений отбираемого воздуха:

1. Герметизация, обогрев и охлаждение кабины
2. Противообледенительное и противообледенительное оборудование
3. Пневматический запуск двигателей
4. Вспомогательные приводные агрегаты (ADU)

Два основных типа компрессоров, используемых в настоящее время в газотурбинных авиационных двигателях центробежный поток и осевой поток. Компрессор с центробежным потоком достигает своей цели, подбирая входящий воздух и ускоряя его наружу за счет центробежного действия. Компрессор с осевым потоком сжимает воздух, в то время как воздух продолжает двигаться в своем первоначальном направлении потока, что позволяет избежать потерь энергии, вызванных поворотами. Компоненты каждого из этих двух типов компрессоров имеют свои индивидуальные функции при сжатии воздуха для секции сгорания. Ступенью в компрессоре считается повышение давления.

Центробежные компрессоры

Центробежный компрессор состоит из рабочего колеса (ротора), диффузора (статора) и коллектора компрессора. [Рисунок 1] Центробежные компрессоры имеют высокий подъем давления на ступень, который может составлять около 8:1. Как правило, центробежные компрессоры ограничены двумя ступенями из-за соображений эффективности. Двумя основными функциональными элементами являются крыльчатка и диффузор. Несмотря на то, что диффузор представляет собой отдельный блок, который размещается внутри и крепится болтами к коллектору, весь узел (диффузор и коллектор) часто называют диффузором. Для уточнения при ознакомлении с компрессором блоки рассматриваются индивидуально. Рабочее колесо обычно изготавливается из кованого алюминиевого сплава, термически обработанного, обработанного и сглаженного для минимального ограничения потока и турбулентности.

Рис. 1. (A) Компоненты центробежного компрессора; (B) Колено выпуска воздуха с поворотными лопастями для снижения потерь давления воздуха

В большинстве типов рабочее колесо изготавливается из цельной поковки. Крыльчатка этого типа показана на рис. 1. Крыльчатка, функция которой состоит в том, чтобы подбирать и ускорять воздух, направляемый наружу к диффузору, может быть двух типов — с одинарным или двойным входом. Принципиальные различия между двумя типами крыльчаток заключаются в размере и расположении воздуховодов. Двусторонний тип имеет меньший диаметр, но обычно работает с более высокой скоростью вращения, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха. Одностороннее рабочее колесо, показанное на рис. 2, обеспечивает удобный воздуховод непосредственно к проушине рабочего колеса (нагнетательные лопасти), в отличие от более сложного воздуховода, необходимого для доступа к задней стороне двухстороннего типа. Хотя крыльчатка с односторонним входом немного более эффективна в приеме воздуха, она должна быть большого диаметра, чтобы подавать такое же количество воздуха, как и рабочее колесо с двойным входом. Это, конечно, увеличивает габаритный диаметр двигателя.

Рис. 2. Рабочее колесо одностороннего входа

В воздуховод двухкамерного компрессора входит воздуховод. Эта камера необходима для компрессора двустороннего входа, потому что воздух должен поступать в двигатель почти под прямым углом к ​​оси двигателя. Следовательно, чтобы создать положительный поток, воздух должен окружать компрессор двигателя с положительным давлением перед входом в компрессор. В состав некоторых установок в качестве необходимых частей нагнетательной камеры входят вспомогательные дверцы воздухозаборника (продувочные дверцы). Эти продувочные люки пропускают воздух в моторный отсек во время наземной эксплуатации, когда потребности в воздухе для двигателя превышают расход воздуха через воздухозаборники. Двери удерживаются закрытыми под действием пружины, когда двигатель не работает. Однако во время работы двери автоматически открываются, когда давление в моторном отсеке падает ниже атмосферного. Во время взлета и полета набегающее давление воздуха в моторном отсеке помогает пружинам удерживать двери закрытыми.

Диффузор представляет собой кольцевую камеру с несколькими лопастями, образующими ряд расходящихся проходов в коллектор. Лопасти диффузора направляют поток воздуха от крыльчатки к коллектору под углом, предназначенным для сохранения максимального количества энергии, передаваемой крыльчаткой. Они также подают воздух в коллектор со скоростью и давлением, достаточными для использования в камерах сгорания. Обратитесь к рисунку 1-A и обратите внимание на стрелку, указывающую путь воздушного потока через диффузор, а затем через коллектор.

Коллектор компрессора, показанный на рис. 1-A, отводит поток воздуха от диффузора, который является составной частью коллектора, в камеры сгорания. Коллектор имеет по одному выпускному отверстию для каждой камеры, что обеспечивает равномерное распределение воздуха. Выходное колено компрессора прикручено болтами к каждому выходному отверстию. Эти воздуховыпускные отверстия выполнены в виде воздуховодов и известны под разными названиями, например воздуховоды, выпускные колена или впускные воздуховоды камеры сгорания. Независимо от используемой терминологии, эти выпускные каналы выполняют очень важную часть процесса диффузии; то есть они меняют радиальное направление воздушного потока на осевое, в котором процесс диффузии завершается после поворота. Чтобы колена могли эффективно выполнять эту функцию, внутрь колен иногда встраивают поворотные лопатки (каскадные лопатки). Эти лопасти уменьшают потери давления воздуха за счет гладкой вращающейся поверхности. [Рисунок 1-Б]

Осевой компрессор

Осевой компрессор состоит из двух основных элементов: ротора и статора. Ротор имеет лопасти, закрепленные на шпинделе. Эти лопасти толкают воздух назад так же, как пропеллер, из-за их угла наклона и контура аэродинамического профиля. Ротор, вращающийся с высокой скоростью, всасывает воздух на входе в компрессор и прогоняет его через ряд ступеней. От входа к выходу воздух течет по оси и сжимается в соотношении примерно 1,25:1 на ступень. Действие ротора увеличивает сжатие воздуха на каждой ступени и ускоряет его назад через несколько ступеней. При такой повышенной скорости энергия передается от компрессора воздуху в виде энергии скорости. Лопасти статора действуют как диффузоры на каждой ступени, частично преобразовывая высокую скорость в давление. Каждая следующая пара лопаток ротора и статора образует ступень давления.

Количество рядов лопаток (ступеней) определяется количеством воздуха и требуемым повышением общего давления. Коэффициент сжатия компрессора увеличивается с количеством ступеней сжатия. В большинстве двигателей используется до 16 ступеней и более.

Статор имеет ряды лопаток, которые, в свою очередь, закреплены внутри кожуха. Статорные лопасти, которые неподвижны, выступают радиально к оси ротора и плотно прилегают к обеим сторонам каждой ступени лопастей ротора. В некоторых случаях корпус компрессора, в который вставлены лопатки статора, горизонтально разделен на половины. Верхнюю или нижнюю половину можно снять для осмотра или обслуживания лопастей ротора и статора.

Функция лопаток статора состоит в том, чтобы получать воздух из впускного воздуховода или с каждой предыдущей ступени, повышать давление воздуха и подавать его на следующую ступень с нужной скоростью и давлением. Они также контролируют направление воздуха к каждой ступени ротора для достижения максимально возможной эффективности лопаток компрессора. На рисунке 3 показаны элементы ротора и статора типичного осевого компрессора. Лопаткам ротора первой ступени может предшествовать узел входного направляющего аппарата, который может быть фиксированным или регулируемым.

Рис. 3. Элементы ротора и статора типичного осевого компрессора движения воздуха, поступающего в компрессор. Эта предварительная закрутка в направлении вращения двигателя улучшает аэродинамические характеристики компрессора за счет уменьшения сопротивления лопаток ротора первой ступени. Входные направляющие лопатки представляют собой изогнутые стальные лопатки, обычно приваренные к стальным внутреннему и внешнему кожухам. На нагнетательном конце компрессора лопатки статора сконструированы так, чтобы выпрямлять воздушный поток и устранять турбулентность. Эти лопасти называются выпрямляющими лопастями или узлом выпускной лопасти. Корпуса осевых компрессоров не только поддерживают лопатки статора и обеспечивают внешнюю стенку осевого пути, по которому следует воздух, но также обеспечивают средства для извлечения компрессорного воздуха для различных целей. Лопатки статора обычно изготавливаются из стали, устойчивой к коррозии и эрозии. Довольно часто они обтянуты полосой из подходящего материала для упрощения проблемы с креплением. Лопасти вварены в кожухи, а наружный кожух прикреплен к внутренней стенке корпуса компрессора радиальными стопорными винтами. Лопасти ротора обычно изготавливаются из нержавеющей стали, а последние ступени — из титана. Конструкция крепления лопастей к венцам дисков ротора различается, но обычно они вставляются в диски либо бульбовым, либо елочным способом. [Рисунок 4] Затем лезвия фиксируются на месте различными способами. Концы лопаток компрессора имеют уменьшенную толщину за счет вырезов, называемых профилями лопаток. Эти профили предотвращают серьезное повреждение лопасти или корпуса в случае контакта лопастей с корпусом компрессора. Это состояние может возникнуть, если лопасти ротора слишком ослаблены или опора ротора уменьшается из-за неисправного подшипника. Несмотря на то, что профили лопаток значительно снижают такие возможности, иногда лопатка может сломаться под нагрузкой от трения и нанести значительный ущерб лопаткам компрессора и узлам лопаток статора. Лопасти различаются по длине от входа до выхода, потому что кольцевое рабочее пространство (от барабана до кожуха) постепенно уменьшается к задней части за счет уменьшения диаметра кожуха. [Рисунок 5] Эта функция обеспечивает довольно постоянную скорость прохождения через компрессор, что помогает поддерживать постоянный поток воздуха. Рис. Ротор имеет барабанную или дисковую конструкцию. Ротор барабанного типа состоит из колец, которые соединены фланцами так, чтобы они подходили друг к другу, при этом вся сборка может быть скреплена сквозными болтами. Этот тип конструкции подходит для низкоскоростных компрессоров, где центробежные напряжения невелики. Ротор дискового типа состоит из ряда дисков, изготовленных из алюминиевых поковок, насаженных на стальной вал, с лопастями ротора, соединенными ласточкиным хвостом с ободами дисков. Другой метод изготовления ротора состоит в том, чтобы выточить диски и вал из цельной алюминиевой поковки, а затем прикрепить болтами стальные короткие валы к передней и задней части узла, чтобы получить опорные поверхности подшипников и шлицы для соединения с валом турбины. Роторы барабанного и дискового типа показаны на рисунках 5 и 6 соответственно. Рис. 6. Ротор дискового компрессора Совокупность ступеней компрессора и турбины на общем валу представляет собой двигатель, называемый двигателем. Общий вал получается путем соединения валов турбины и компрессора подходящим способом. Золотник двигателя поддерживается подшипниками, установленными в соответствующих корпусах подшипников. Как упоминалось ранее, в настоящее время используются две конфигурации осевого компрессора: один ротор/золотник и двойной ротор/золотник, иногда называемый сплошным золотником и разделенным золотником (двухзолотниковый, двойной золотник). В одной версии цельнозолотникового (однозолотникового) компрессора используются регулируемые направляющие лопатки на входе. Кроме того, первые несколько рядов лопаток статора являются переменными. Основное различие между регулируемым входным направляющим аппаратом (VIGV) и регулируемым статорным аппаратом (VSV) заключается в их положении относительно лопаток ротора. VIGV находятся перед лопастями несущего винта, а VSV — за лопастями несущего винта. Углы входных направляющих лопаток и первых нескольких ступеней статорных лопаток могут быть переменными. Во время работы воздух поступает в переднюю часть двигателя и направляется в компрессор под нужным углом с помощью регулируемой впускной направляющей и направляется VSV. Воздух сжимается и нагнетается в камеру сгорания. Топливная форсунка, которая входит в каждую гильзу сгорания, распыляет топливо для сгорания. Эти переменные контролируются в прямой зависимости от количества мощности, которую двигатель должен производить в зависимости от положения рычага управления мощностью. Большинство турбовентиляторных двигателей относятся к типу компрессоров с разделенной катушкой. В большинстве больших турбовентиляторных двигателей используется большой вентилятор с несколькими ступенями сжатия, называемый золотником низкого давления. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт 2019 © Все права защищены. Карта сайта