| |
({{?}}к*) по мере совершенствования газотурбинного двигателя возрастает: в
первых турбореактивных двигателях {{?}}к* была равна 4—5, в турбореактивных
двухконтурных двигателях и турбовинтовых двигателях 80х гг. она достигает
30—40.
Для реализации термодинамического цикла с постоянным давлением в камере
сгорания в авиационном газотурбинном двигателе используются только лопаточные К.
(см. Лопаточные машины). Повышение давления в К. происходит в результате
преобразования механической энергии, подводимой к валу К. от турбины, в
потенциальную энергию воздуха. Во всех типах лопаточных К. передача
механической энергии привода воздуху в соответствии с Эйлера формулой
реализуется в роторе путём воздействия на поток аэродинамических сил,
возникающих при обтекании лопаток рабочих колёс; при этом увеличивается и
кинетическая и потенциальная энергия воздуха. В неподвижных элементах К. —
направляющих аппаратах компрессора или диффузорах — часть кинетической энергии
преобразуется в потенциальную.
К. газотурбинного двигателя состоит, как правило, из несколько последовательно
расположенных ступеней (см. Ступень компрессора, турбины); по форме средней
поверхности тока в них различают осевые (ОК), центробежные (ЦК), диагональные
(ДК) и комбинированные, состоящие из ступеней разных типов (осецентробежные —
ОЦК, оседиагональные). Форма поверхности тока определяет особенности
преобразования энергии в рабочем колесе: в ОК работа сжатия примерно равна
изменению кинетической энергии в относительном движении; в ЦК повышение
давления в большей степени происходит вследствие изменения кинетической энергии
в переносном движении, равного работе центробежных сил. Увеличение радиуса
средней поверхности тока в ЦК и ДК увеличивает работу, передаваемую воздуху:
при одинаковой окружной скорости на внешнем диаметре рабочего колеса работа
ступени ЦК в 2—3 раза превышает работу осевой ступени.
При высоких {{?к*}} К. обычно делится на несколько последовательных,
механически не связанных каскадов (групп ступеней), каждый из которых
приводится отдельной турбиной; используются одно-, двух- и трёхкаскадные К.
Первая (по потоку) группа ступеней называется К. низкого давления (КНД), К.
газогенератора — К. высокого давления; средний каскад К. трехкаскадного
двигателя — К. среднего давления. КНД двухконтурного турбореактивного двигателя
состоит из вентилятора и (в некоторых случаях) подпорных ступеней,
устанавливаемых во внутреннем контуре. В авиационном газотурбинном двигателе
КНД составляется из осевых ступеней. ОК позволяет получить производительность
до 200 кг/с с 1 м2 лобовой площади на входе в первое рабочее колесо.
Политропический коэффициент полезного действия может превышать 90% (см.
Коэффициент полезного действия компрессора, турбины).
Число ступеней ОК авиационного газотурбинного двигателя достигает 17; с конца
70х гг., несмотря на рост {{?}}к* число ступеней в ОК вновь создаваемых
двигателей уменьшается — средняя удельная работа на ступень увеличивается с
20—25 до 40—60 кДж*с/кг, главным образом за счёт увеличения окружной скорости
до 500 м/с и более.
В каждом каскаде ОК (рис. 1) рабочие колёса жёстко связаны друг с другом
сваркой, болтовыми соединениями, торцовыми шлицами или стяжным болтом. Наиболее
распространённая конструкция ротора барабанно-дисковая. Лопатки рабочих колёс
крепятся в ободе диска с помощью замков преимущественно типа «ласточкин хвост»
или набираются в кольцевой паз на ободе диска. Лопатки направляющих аппаратов
крепятся в кольце, устанавливаемом в наружном корпусе К., и либо выполняются
консольными, либо объединяются по внутреннему диаметру кольцом, на котором
укреплена уплотнительная обечайка, покрытая истираемым материалом, или сотовая.
На соответствующем участке поверхности ротора выполняются в этом случае
несколько кольцевых гребешков, образующих лабиринтное уплотнение,
предотвращающее перетекание воздуха из области за направляющим аппаратом на
вход в него.
Центробежный К. (рис. 2) состоит из входного направляющего аппарата, рабочего
колеса (РК), безлопаточного и лопаточного диффузора и радиально-осевого канала
со спрямляющим аппаратом. В авиационных конструкциях используются
преимущественно полуоткрытые РК, представляющие собой диск с выполненными за
одно с ним лопатками. В РК поток отклоняется в тангенциальном и радиальном
направлениях. На выходном участке лопатки выполняются либо радиальными, либо
загнутыми назад («реактивное» колесо). Только в ЦК первых турбореактивных
двигателей использовались «активные» колёса с лопатками, загнутыми на выходном
участке в направлении вращения. Наиболее высокий коэффициент полезного действия
и благоприятную форму характеристики имеют ЦК с реактивными колёсами, ЦК бывают
двухступенчатыми или их комбинируют с осевыми ступенями. Степень повышения
давления в ЦК зависит в основном от окружной скорости u2 на внешнем диаметре РК
и отношения D2/D1 и достигает в первых ступенях 6—8, во второй и последней
ступенях ОЦК — 3—4. Политропический коэффициент полезного действия 83—86% и
существенно зависит от степени повышения давления и размеров К.
Конструкция ДК аналогична конструкции ЦК. Степень повышения давления в ДК также
определяется значением u2, отношением D2/D1 и углом выхода потока из рабочего
колеса и достигает {{?}}к* = 3—5 при политропическом коэффициенте полезного
действия 85—87%; на коэффициент полезного действия значительно влияют диаметр
компрессора и зазор между лопатками РК и корпусом, зависящий от жёсткости
конструкции и тепловых деформаций.
Лит.: Нечаев Ю. Н., Федоров Р. М., Теория авиационных газотурбинных двигателей,
ч. 1, М., 1977; Холщевников К. В., Елин О. Н., Митрохин В. Г., Теория и расчет
авиационных лопаточных машин, М., 2 изд., 1986.
|
|