Компрессор

· Перечисление назначений компрессора.

· Описание центробежного и осевого типов компрессоров, применяемых для авиационных двигателей.

· Название основных компонентов ступени компрессора и описание их функций.

· Описание изменений газовых параметров (p, t, v) в ступени компрессора.

· Определение термина «степень повышения давления» и указание ее величины для ступени центробежного и осевого компрессоров.

· Указание достоинств двухступенчатого центробежного компрессора.

· Перечисление преимуществ и недостатков центробежного компрессора по сравнению с осевым.

· Название некоторых двигателей, имеющих осевой и центробежный компрессоры.

· Объяснение сужения кольцевого воздушного канала в осевом компрессоре.

· Указание входной и выходной скорости ступени осевого компрессора.

· Указание, что осевые компрессоры имеют степени повышения давления до 35 и выходные температуры до 600°C.

· Описание причины крутки лопаток компрессора с помощью треугольников скоростей.

· Указание назначения ВНА.

· Указание причины щелканья компрессора при вращении на земле, т.е. из-за авторотации.

· Описание конструкции двух-(и трех-)вальных компрессоров современных двигателей, принципов их работы и достоинств.

· Определение терминов «срыв потока компрессора» и «помпаж».

· Указание следующих условий, вызывающих срыв потока и помпаж:

o резкое увеличение расхода топлива при повышении оборотов (RPM);

o низкие обороты, т.е. малый газ;

o сильный боковой ветер на земле;

o обледенение воздухозаборника двигателя;

o загрязнение или повреждение лопаток компрессора;

o повреждение воздухозаборника двигателя.

· Описание следующих индикаторов срыва потока и помпажа:

o ненормальный шум в двигателе;

o вибрации;

o колебания RPM;

o повышение EGT;

o иногда вырывание горящих газов из воздухозаборника и выхлопного устройства.

· Перечисление действий пилота в случае срыва потока.

· Описание конструктивных методов для минимизации вероятности возникновения срыва потока и помпажа.

· Указание мер для пилота по предотвращению возникновения срыва потока и помпажа.

· Описание диаграммы компрессора (диапазон помпажа) с линиями RPM, границы срыва потока, устойчивой работы и ускорения.

021 03 03 03 Диффузор. Описание функций диффузора

3.1. ТИПЫ КОМПРЕССОРОВ

Перед добавлением топлива в камеры сгорания и последующего расширения продуктов сгорания в турбинах, воздух необходимо сжать.

Существует два основных типа компрессоров, применяемых в настоящее время в двигателях: один формирует осевой поток через двигатель, а другой создает центробежный.

В обоих случаях компрессоры приводятся турбиной, которая соединяется с рабочими колёсами компрессоров при помощи вала.

3.2. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Центробежный компрессор прочнее осевого. Этот факт и то, что он проще и дешевле в изготовлении из данных двух типов делало центробежный компрессор самым популярным выбором для ранних ГТД.

Однако компрессор имеет один или два недостатка, которые переместили его на вторую позицию для больших современных двигателей. Если мы сравним центробежный и осевой компрессоры с одинаковой лобовой площадью, прежде всего, мы обнаружим, что осевой компрессор может расходовать намного больше воздуха, чем центробежный и с помощью осевого компрессора можно получить гораздо большие степени повышения давления.

Величина тяги, создаваемая двигателем, частично зависит от массового расхода воздуха через него. Можно продемонстрировать, что двигатель с центробежным компрессором вырабатывает меньшую тягу, чем с осевым той же лобовой площади.

3.3. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Турбина вращает крыльчатку компрессора с высокой скоростью. Воздух постоянно всасывается в центральную зону крыльчатки от вращения направляющих лопаток, а центробежная сила отталкивает его на периферию.

Рис. 3.1. Конструктивные элементы центробежного компрессора

Из-за расширяющейся формы межлопаточного канала давление воздуха увеличивается при прохождении его к периферии лопаток, а из-за добавления энергии в баланс сил, скорость потока также возрастает.

Воздух покидает периферию крыльчатки и проходит в секцию диффузора – систему стационарных расширяющихся каналов, разработанных для преобразования кинетической энергии (скорости) в потенциальную энергию (давление).

На практике примерно 50% роста давления в компрессоре получается на крыльчатке, а остальные 50% - в секции диффузора.

Степень повышения давления одноступенчатого центробежного компрессора будет в области 4:1. Это означает, что давление на выходе ступени компрессора будет примерно в 4 раза выше давления на входе.

Чтобы получить более высокую степень сжатия в двигателе, можно установить последовательно два центробежных компрессора.

На практике не целесообразно устанавливать более двух центробежных ступеней. Крайне высокие скорости на периферии крыльчатки и экстремальные центробежные нагрузки делают невозможной эффективную работу третьей ступени.

В результате, при использовании центробежных компрессоров невозможно получить степень повышения давления более 15:1.

Данные компрессоры дают возможность поворачивать поток воздуха на большие углы с минимальными потерями, они также используются для завершения расширения.

3.4. ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Работа осевого компрессора основывается на том же принципе, что и центробежного – он преобразовывает кинетическую энергию в энергию давления (потенциальную). Однако способ преобразования другой.

Осевой компрессор, показанный на рис. 3.2, состоит из нескольких рядов вращающихся (роторных) лопаток аэродинамической формы, перемежающихся рядами неподвижных (статорных) диффузорных лопаток, также имеющих аэродинамический профиль.

Ступень состоит из одного ряда роторных лопаток, закрепленных на дисках барабана ротора, и следующего ряда статорных лопаток, закрепленных на внешнем корпусе компрессора.

У ротора и статора межлопаточное пространство формирует расширяющиеся каналы.

Турбина вращает с высокой постоянной скоростью ротор компрессора, происходит преобразование добавочной механической энергии в кинетическую (скорость) и потенциальную (давление).

В статоре давление увеличивается за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную. Этот процесс показан на рис. 3.2.

Простыми словами, ступень ротора выполняет ту же работу, что и крыльчатка центробежного компрессора, а статорную ступень можно сравнить с диффузором центробежного компрессора. Степень повышения давления в каждой отдельной ступени весьма мала: от 1,1 до 1,2:1. Это означает, что первая ступень может повысить давление только на 3 psi. Вследствие этого, для получения высоких степеней сжатия, требуемых для современных авиационных двигателей, в одном каскаде могут использоваться много ступеней (рис. 3.3), и двигателей может иметь до трех каскадов. Этот метод весьма эффективен, например, в двигателе RB 211 можно получить степени повышения давления до 35:1. У данного двигателя величина повышения давления в последней ступени может достигать 80psi. Высокие давления могут приводить к повышению температуры на выходе компрессора до 600°C..

Рис. 3.2. Изменения давления и скорости по тракту осевого компрессора

В настоящее время в некоторых двигателях применяется комбинация осевого и центробежного компрессора.

Рис. 3.3. Однокаскадный компрессор

3.5. ПОДДЕРЖАНИЕ ОСЕВОЙ СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Пространство между барабаном ротора и внешним корпусом компрессора называется кольцевым воздушным каналом. Для поддержания осевой скорости воздуха при сжатии до меньшего объема кольцевой канал должен сужаться.

Это постепенное сужение получается с помощью придания конической формы либо внешнему корпусу компрессора, либо барабану ротора, а в некоторых случаях и комбинации этих методов. Это показано на рис. 3.3.

3.6. УПРАВЛЕНИЕ РАСХОДОМ ВОЗДУХА

Увеличение степени повышения давления компрессора прогрессивно усложняет обеспечение его эффективной работы во всем диапазоне частот. Это обусловлено фактом, что степень повышения давления в двигателе падает при падении частоты вращения компрессора. Поэтому при замедлении двигателя, объем поглощаемого воздуха увеличивается, т.к. он не сжимается с прежней силой.

Увеличенный объем воздуха в секции КВД осложняет его прохождение через доступное пространство, скорость потока снижается, и в некоторых случаях может вызвать запирание и турбулентность.

Такое снижение скорости происходит по всей длине компрессора и может вызвать феномен под названием срыв потока, который, в случае несвоевременного выявления, может усугубиться и перерасти в помпаж, ситуацию, когда, в худшем случае, поток воздуха в двигателе мгновенно меняет направление на обратное.

3.7. СРЫВ ПОТОКА

Угол атаки лопатки компрессора складывается из осевой скорости воздуха, огибающего лопатку, и скорости ее вращения.

Эти две скорости складываются и образуют вектор, который дает фактический угол атаки воздушного потока на лопатке.

Срыв потока компрессора можно описать как дисбаланс между двумя скоростями, который может произойти по разным причинам, ниже перечислены некоторые из них:

a) Чрезмерный расход топлива, вызванный резким разгоном двигателя (осевая скорость понижается из-за увеличения обратного давления в камере сгорания).

b) Работа двигателя выше или ниже расчетных параметров RPM (увеличение или уменьшение скорости вращения лопатки компрессора).

c) Турбулентность или нарушение воздушного потока в воздухозаборнике (уменьшается осевая скорость).

d) Загрязненные или поврежденные компоненты компрессора (снижение осевой скорости из-за снижения степени повышения давления).

e) Загрязненная или поврежденная турбина (потеря мощности на привод компрессора вызывает снижение осевой скорости из-за снижения степени повышения давления).

f) Слишком бедная топливно-воздушная смесь из-за резкого замедления двигателя (осевая скорость увеличивается из-за уменьшения обратного давления в камере сгорания).

Любое из перечисленных выше условий может привести к срыву потока в компрессоре, а когда это произойдет, возникнет частичное обрушение воздушного потока в двигателе.

Индикаторами срыва потока в компрессоре является увеличение уровня вибрации двигателя и повышение температуры выхлопных газов (EGT).

Последний эффект (увеличение EGT) вызывает факт уменьшения поступления воздуха в камеры сгорания, соответственно, уменьшение количество воздуха на охлаждение продуктов сгорания, выхлопных газов.

Срыв потока компрессора является прогрессирующим феноменом, и теоретически может начаться на одной лопатке, ухудшая работу всей ступени, а затем, если не принять своевременных мер по локализации, охватывает весь двигатель.

3.8. ПОМПАЖ

Прогрессивное ухудшение ситуации приведет к полному обрушению потока в двигателе, называемому помпаж. В некоторых случаях это может вызвать мгновенное реверсирование газов в двигателе с вырыванием воздуха из воздухозаборника, сопровождаемым громким хлопком. При возникновении помпажа дроссель соответствующего двигателя нужно закрывать медленно.

Такую ситуацию наиболее часто вызывают неисправности или недостатки обслуживания топливной системы, а в чрезвычайных ситуациях могут прикладываться настолько высокие изгибные нагрузки на лопатки ротора компрессора, что они входят в зацепление с лопатками статора с потенциальными катастрофическими последствиями.

Помимо громкого шума, обычно сопровождающего помпаж, существует большой рост EGT, а результирующая потеря тяги может вызвать рыскание самолета.

3.9. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ СРЫВА ПОТОКА И ПОМПАЖА

Работа двигателя за рамками оптимальной частоты и осевой скорости является неизбежной. Конструкторским критерием является стремление вырабатывать наибольшую эффективность вблизи максимальной частоты, а работу на уровнях ниже этой точки можно получить, сбросив газ.

Это означает, что мы меняем частоту вращения компрессора и осевую скорость потока, проходящего через двигатель. Делая это, мы устанавливаем параметры срыва потока и помпажа.

Методы установления отсутствия помпажа должны быть установлены согласно соответствующему двигателю. Ниже приведены некоторые из этих методов:

a) использование поворотного входного направляющего аппарата (ВНА);

b) использование поворотных лопаток статора;

c) использование перепуска воздуха в компрессоре;

d) использование многокаскадных компрессоров;

e) активное управление зазорами между законцовками рабочих лопаток и корпусом компрессора.

3.10. ПОВОРОТНЫЙ ВНА

Поворотный ВНА устанавливается на двигателях, имеющих особую проблему со срывом потока в компрессоре на низких оборотах во время ускорения или замедления вращения ротора двигателя. Лопатки устанавливаются непосредственно перед первой ступенью ротора и могут автоматически поворачиваться вокруг своих осей для изменения проходного канала в компрессор для воздушного потока. Т.о. поддерживается правильное соотношение между частотой вращения компрессора и расходом воздуха в его передних ступенях.

На низких частотах вращения компрессора лопатки поворотного ВНА развернуты так, чтобы создавать поворот воздушного потока, корректируя его относительное направление для достижения оптимального угла атаки на рабочих лопатках ротора. Оптимальный угол атаки позволяет сглаживать и ускорять разгон двигателя.

3.11. ПОВОРОТНЫЕ СТАТОРНЫЕ ЛОПАТКИ

После успешного прохождения первой ступени ротора, воздушный поток может все еще иметь проблемы при прохождении вглубь компрессора, когда условия работы двигателя отличаются от оптимальных. Для минимизации таких проблем на некоторых двигателях устанавливаются поворотные статорные лопатки, см. рис. 3.4.

Рис. 3.4. Типичные поворотные статорные лопатки

Эти лопатки могут автоматически поворачиваться. Т.о. при снижении частоты вращения компрессора от оптимального расчетного значения лопатки постепенно закрывают проходной канал для поддержания приемлемого угла атаки на последующих лопатках ротора.

3.12. ПЕРЕПУСК ВОЗДУХА В КОМПРЕССОРЕ

Как объяснялось ранее в параграфе 3.6, когда двигатель замедляется, его степень повышения давления будет уменьшаться, и объем воздуха в задней части компрессора будет больше.

Этот избыточный объем вызывает запирание в задней части компрессора и снижение массового расхода воздуха. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение скорости воздушного потока в передней части компрессора и усиление склонности к срыву потока.

Если в промежуточные ступени компрессора внедрить перепускные клапаны, как показано на рис. 3.5, их можно открывать на низких оборотах или во время разгона двигателя для отбора некоторого избыточного объема воздуха.

Рис. 3.5. Работа клапана перепуска (отбора) компрессора

Это будет иметь эффект увеличения скорости воздуха на ранних ступенях компрессора и снижение запирающего эффекта на последних ступенях.

Такая комбинация обеспечивает меньшую вероятность срыва потока во время работы с открытым перепуском, но у применения данной системы существуют и недостатки.

При открытии клапанов перепуска компрессора, не зависимо, являются ли это превентивной мерой возникновения срыва потока, или осуществляется отбор воздух на нужды систем самолета, массовый расход воздуха через двигатель увеличивается.

Это вызовет падение тяги для данного положения РУД, что приводит к повышению удельного расхода топлива в двигателе и повышению EGT из-за снижения количества доступного охлаждающего воздуха.

3.13. МНОГОКАСКАДНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Совершенствование ранних двигателей с осевым потоком заключалось в добавлении ступеней компрессора на один вал для получения более высоких степеней повышения давления.

Это постоянно осложняло поддержание эксплуатационной гибкости в отношении частоты вращения двигателя.

Лопатки компрессора установлены под таким углом, чтобы создавать пиковую производительность на оборотах, близких к максимальным, когда осевая скорость потока и частота вращения лопатки создают оптимальный угол атаки потока к лопатке, см. параграф 3.7.

Любое уменьшение оборотов двигателя изменяет симметрию в векторной диаграмме в отношении осевой скорости, и угол атаки больше не соответствует оптимальному значению, на низких оборотах двигателя постоянно присутствует проблема срыва потока.

Для преодоления этой проблемы компрессор изначально разделили на две, а затем на три секции, каждая из которых приводилось через вал собственной турбины.

В такой конструкции двигателя при закрытии дросселя частота вращения каскада НД падает быстрее, чем частота каскада ВД. С помощью регулировок можно обеспечить поддержание симметрии векторной диаграммы относительно угла атаки в более широком диапазоне, значительно сокращая вероятность возникновения срыва потока.

3.14. АКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЗАЗОРАМИ

Дальнейшее совершенствование конструкции для управления воздушным потоком в двигателе привело к созданию активного управления зазорами. Основной проблемой во всех случаях срыва потока является то, что угол араки потока на лопатке не соответствует своему оптимальному значению, см. параграф 3.7.

Срыв может произойти в результате изменений либо осевой скорости потока вокруг лопатки, либо скорости вращения лопатки.

Если осевой скоростью во всем диапазоне частот вращения двигателя можно будет управлять, тогда вероятность возникновения срыва потока или помпажа уменьшится.

Одним из методов является изменение размера кольцевого канала в зоне ВД компрессора, что еще недавно считалось невозможным.

С помощью охлаждения корпуса компрессора мы можем вызвать его сжатие для получения желаемого размера кольцевого канала между ним и законцовками лопаток. Охлаждающим веществом чаще всего является воздух, подаваемый в трубки вокруг внешней стороны корпуса компрессора.

3.15. ДИАПАЗОН ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА

Было показано, что срыв потока/помпаж компрессора возникает из-за дисбаланса между расходом воздуха в компрессоре и степенью повышения давления. На рис. 3.5а, показано, как разработана конструкция двигателя с запасом безопасности, предусмотренным для снижения риска срыва потока/помпажа.

Рис. 3.5а. Диапазон помпажа компрессора

3.16. КОНСТРУКЦИЯ

На рис. 3.3 показаны основные конструктивные методы, широко распространенные для устройства компрессора. Вал ротора опирается на подшипники и соединен с валом турбины с допуском на небольшую вариацию смещения соосности.

Центробежная нагрузка на компрессор требует закрепления лопаток ротора на диске, а диск крепится на валу ротора.

Существуют различные типы методов крепления, самым популярным из которых является крепление корневой части лопатки с помощью замка «ласточкин хвост» и фиксация на диске с помощью стержня или стопорной пластины.

Для меленьких двигателей становится все сложнее разработать практичный способ фиксации и сохранить минимальный вес диска.

Одним из способов решения этой проблемы является интегрирование лопаток и диска, которое называется «blisk».

Корпус компрессора изготовлен из алюминиевого сплава в области передних ступеней и из стальных сплавов в области промежуточных ступеней.

В секции КВД температуры настолько высоки, что выдерживать их способны только сплавы на основе никеля.

3.17. ЛОПАТКИ РОТОРА

Лопатки ротора имеют аэродинамическую форму и обычно изготавливаются из кованной нержавеющей стали, подвергаются механической обработке до точных допусков для установки на диск ротора.

От передней к задней части компрессора лопатки уменьшаются в размере для создания сужающейся формы кольцевого канала, рис. 3.4.

На некоторых ступенях НД, где температуры не очень высокие, могут устанавливаться лопатки из титана.

Обычно применяется крепление методом ласточкин хвост, см. рис. 3.6, которое допускает посадку лопатки на диск с зазором. Под действием центробежной силы при вращении лопатка жестко закрепляется в замке. Поэтому во время авторотации на земле лопатки издают треск, похожий на звук от постукивания ногтей.

Рис. 3.6. Типичная лопатка ротора компрессора

3.18. ЛОПАТКИ СТАТОРА

Лопатки статора также имеют аэродинамическую форму и закрепляются к корпусу компрессора либо непосредственно, либо через бандажные кольца.

На ранних ступенях лопатки могут быть сгруппированы в сегменты, а самые длинные имеют бандаж на внутренней части для предотвращения вибраций под действием скорость воздушного потока вокруг них, рис. 3.7.

На ранних двигателях для изготовления статорных лопаток применялись алюминиевые сплавы, но они не выдерживали повреждений от попадания посторонних предметов.

Сплавы на основе стали и никеля имеют высокую усталостную прочность и реже трескаются или изнашиваются от удара. Титановые сплавы иногда применяются для лопаток на первых ступенях, но они не подходят для более глубоких ступеней из-за негативного воздействия высоких температур.

Рис. 3.7. Сегменты бандажированных статорных лопаток

Другая проблема связана с истиранием, избыточный износ может привести к механическому отказу, значительная теплота от трения может вызывать возгорание титана, приводя, в лучшем случае, к дорогостоящему ремонту, а в худшем – к риску для сохранения летной годности.

3.19. ЛОПАТКИ ВЕНТИЛЯТОРА

Лопатки КНД двигателей с высокой степенью двухконтурности, лучше известные как лопатки вентилятора, первоначально изготавливались из прочных титановых сплавов, т.к. данный материал сочетает высокие прочностные свойства с малой плотностью.

Получающийся в результате низкий вес лопатки очень важен для того, чтобы вентилятор был способен выдерживать несбалансированные силы в случае его повреждения. Не смотря на высокую прочность титановых сплавов, лопатки должны иметь встроенный демпфер.

Демпфер представляет собой полку, установленную на половине размаха лопатки, которая устраняет аэродинамическую нестабильность, но, к сожалению, добавляет вес. А когда требуются две полки, как показано на рис. 3.8, они подвергаются воздействию потока на законцовках со сверхзвуковыми характеристиками.

Проводились эксперименты с новыми материалами, особенно с углеволокном, но его гибкость сильно ухудшает эффективность изготовленных из него лопаток, и в настоящее время его применение в основном сведено на нет.

Рис. 3.8. КНД двигателя с высокой степенью двухконтурности или вентилятор

Большие успехи были достигнуты в изготовлении лопаток с центральной частью сотовой конструкции, покрытой оболочкой из титана, рис. 3.9.

Такой метод создает дополнительную прочность и облегчает вес, давая возможность изготавливать широкохордовые лопатки вентилятора. Расширенная хорда обеспечивает устойчивость лопатки, поэтому исчезает необходимость в демпфере.

Рис. 3.9. Конструкция широкохордовой лопатки вентилятора

3.20. ЗАГРЯЗНЕНИЕ КОМПРЕССОРА (И ТУРБИНЫ)

Накопление загрязнений на лопатках компрессора и турбины снижает эффективность устройства и может серьезно ухудшить его производительность.

Загрязнения в компрессоре, которые, главным образом, представляют собой соли и примеси промышленных зон, ухудшают аэродинамическое качество лопаток.

В турбине загрязнения имеют форму сульфитации, накопления сернистых отложений от сгорания топлива, которые нарушают аэродинамическую форму лопаток турбины и соплового аппарата, а через определенное время приводят к эрозии их защитного покрытия.

Если главной причиной загрязнения является всасывание соли, тогда периодическая промывка компрессора чистой водой может предотвратить применение абразивной чистки, которая потребуется в противном случае. Промывка может выполняться либо во время прокрутки двигателя стартером, либо во время работы на малом газе. Эта процедура известна как мойка для удаления солей.

Если загрязнения достигли стадии, когда антисолевая промывка уже не эффективна, может понадобиться очиститель поверхности эмульсионного типа. Он распыляется в воздухозаборник двигателя в тех же условиях, что и антисолевая промывка. Эта процедура называется мойка для восстановления производительности.

Такие меры также полезны для турбины. Их периодическое применение позволяет продлить ресурс для некоторых двигателей.

Для двигателей с центробежным компрессором применяется более интенсивная очистка. Она заключается во всасывании абразивной крошки в воздухозаборник во время работы на малом газе.

Абразивом является дробленая скорлупа грецкого ореха (американцы используют дробленые абрикосовые косточки). К сожалению, из-за сгорания крошки в камере сгорания, данный метод не может очистить компоненты турбины, так же, как и жидкостной метод.

ГЛАВА 4 – КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Дата добавления: 2014-12-10