Конструкция и параметры компрессора ТРДД

КОНСТРУКЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ КОМПРЕССОРА ТРДД

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

I. I Изучение конструкции основных узлов осевого компрессора.

I. II Определение основных параметров осевого компрессора.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Компрессор обеспечивает сжатие воздуха и подачу его в камеру двигателя. Он состоит из ротора 3 и статора 4 (рис.1, см. приложение). Ротор - вращающаяся часть компрессора включает в себя рабочие лопатки 5, диски 8, цапфы 9 и подшипники 10. диск, с закрепленными на нем лопатками, называется рабочим колесом (РК). Каждый ряд неподвижных лопаток за РК образует спрямляющий аппарат (СА). Вся неподвижная часть компрессора называется статором. Ряд неподвижных лопаток 2 перед первым рабочим колесом является входным направляющим аппаратом (ВНА).

При вращении ротора рабочие лопатки совершают над воздухом техническую работу. Сила P воздействия рабочей лопатки на воздух направлена по нормали к каждой точке внутренней поверхности лопатки. Эта сила может быть разложена на окружную Pu и осевую Pa составляющие (см. рис. 2, см. приложение). Окружная составляющая вызывает увеличение окружной скорости воздуха, а осевая составляющая - перемещает воздух параллельно оси ротора.

В результате воздействия рабочих лопаток абсолютная скорость потока увеличивается C2>C1 , (рис.2) и повышается давление P2>P1. Увеличение давления происходит вследствие уменьшения относительной скорости воздуха W2<W1, из-за увеличения площади проходного сечения каналов, образованных лопатками.

В спрямляющих аппаратах происходит преобразование приобретенной в рабочем колесе кинетической энергии в потенциальную, т. е. происходит дальнейшее повышение давления за счет снижения абсолютной скорости потока. Для этого каналы, образованные лопатками СА, имеет увеличивающиеся сечения. Кроме того, СА обеспечивают определенное направление потока на входе в следующую ступень.

На выходе из СА последней ступени воздух имеет осевое направления для чего иногда устанавливается два ряда лопаток СА (см. рис.1).

На рабочие лопатки воздух поступает за счет избыточного давления перед ними. Избыточное давление появляется в связи с перемещением воздуха рабочими лопатками параллельно оси ротора.

В связи с тем, что плотность воздуха по длине компрессора увеличивается, а осевая скорость воздуха остается почти постоянной, площади проходных сечений от ступени к ступени должны уменьшаться. Уменьшение площади достигается уменьшением длин лопаток. На последних ступенях осевая скорость может несколько уменьшаться. Это делается для того, чтобы лопатки последних ступеней не получились слишком короткими. В ступенях с короткими лопатками увеличиваются потери и снижается КПД.

Повышение давления в одной ступени невелико (в 1,15+1,35 раза), поэтому осевые компрессоры всегда выполняются многоступенчатыми (5+16 ступеней).

Проточная часть компрессора проектируется только на один расчетный режим. На нерасчетных режимах нарушается соответствие между площадями проходных сечений и изменением плотности. Это приводит к изменению распределения осевых скоростей по тракту и соответственно к изменению углов атаки на лопатках разных ступеней, т. е. к рассогласованию работы ступеней нерегулируемого компрессора. При уменьшении приведенной частоты вращения углы атаки на первых ступенях увеличиваются, а на последних - уменьшаются и даже становятся отрицательными. При увеличении приведенной частоты рассогласование ступеней имеет противоположный характер.

Для уменьшения рассогласования ступеней на нерасчетных режимах применяются различные способы регулирования компрессоров, целью которого может быть:

- обеспечение устойчивости работы компрессора на нерасчетных режимах;

- снижение уровня вибронапряжений в лопатках при повышенных углах атаки;

- повышение КПД компрессора на нерасчетных режимах.

Регулирование компрессора может осуществляться:

- перепуском воздуха на проточной части компрессора в атмосферу;

- изменением соотношения между частотами вращения роторов различных ступеней;

- поворотом лопаток ВНА и спрямляющих аппаратов.

В изучаемом компрессоре применяется одновременное регулирование СА в первых и последних ступенях, что обеспечивает устойчивую работу и высокий КПД на нерасчетных режимах, а также расчетный расход воздуха при больших сверхзвуковых скоростях полета.

3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Преобразование энергии в потоке газа описывается уравнением I-ого закона термодинамики

, (1)

где: - тепло, подведенное (+) или отведенное (-) от газа;

- приращение энтальпии газа;

- техническая работа, совершаемая газом (+) или над газом (-);

- приращение кинетической энергии газа.

В целях упрощения считается, что течение воздуха в компрессоре происходит без теплообмена с окружающей средой и без трения, но с совершением технической работы над воздухом . В этом случае уравнение (I) принимает вид

(2)

После интегрирования (2) в пределах В-К (см. рис. I) получим

, (3)

где: - энтальпия заторможенного воздуха на выходе из компрессора;

- энтальпия заторможенного воздуха на входе в компрессор.

Таким образом, при указанных допущениях техническая работа равна адиабатической работе сжатия воздуха в компрессоре

, (4)

где: - степень повышения давления в воздухе в компрессоре.

Для сжатия воздуха при наличии гидравлических потерь требуется большая работа, чем в случае адиабатического сжатия. Совершенство процесса сжатия воздуха в компрессоре оценивается адиабатическим КПД:

, (5)

где: - действительная (внутренняя) работа сжатия воздуха в компрессоре при наличии гидравлических потерь, равная

(6)

- полная работа политропного сжатия воздуха в компрессоре;

- работа гидравлических сопротивлений;

- дополнительная работа сжатия воздуха, вызванная его подогревом вследствие гидравлических сопротивлений.

Внутренняя (действительная) работа ступени равна

(7)

где: - окружная скорость рабочего колеса на среднем радиусе лопатки;

- закрутка воздуха в колесе (см. рис.2).

Для обеспечения наименьшего веса и размеров компрессора, высокого КПД и улучшения устойчивой работы на нерасчетных режимах внутренняя работа компрессора распределяется по его ступеням неравномерно, с учетом условий и особенностей работы каждой ступени.

Первая ступень нагружается значительно меньше, чем последующие, т. к. она работает в наиболее неблагоприятных условиях как по числу М из-за относительно низкой температуры воздуха на входе, так и вследствие малой густоты решетки из-за большой длины лопаток (см. рис.4, см. приложение).

В последующих ступенях температура воздуха на входе в ступень возрастает, и, следовательно, увеличивается местная скорость звука. Это позволяет при допустимом числе M на входе в ступень повысить окружную скорость колеса. Кроме того, в последующих ступенях возможно увеличение густоты решетки , т. к. на большем диаметре втулки размещается больше лопаток меньшей длины.

В связи с этим внутреннюю работу можно увеличивать по ступеням от первой к последующим.

В последних одной - двух ступенях внутреннюю работу целесообразно уменьшить, т. к. длина этих лопаток мала, что приводит к увеличению относительной величины радиальных зазоров и, следовательно, к снижению КПД.

Внутренняя работа каждой ступени компрессора может быть определена по формуле (7) при известных:

Окружной скорости на среднем диаметре колеса – U,

Осевой скорости на входе в колесо – ,

Углах и на среднем диаметре колеса (см. рис.2).

Закрутка потока в колесе (см. рис.2) вычисляется по формуле

(8)

Степенью реактивности ступени компрессора называется отношение адиабатической работы сжатия в колесе к внутренней работе ступени

(9)

Скорость вычисляется по формуле

(10)

Современные компрессоры ГТД в большинстве случаев выполняются со степенью реактивности ступеней . При план скоростей получается симметричным, а соответствующие скорости и углы потока в РК и СА одинаковыми (рис.2). В связи с этим лопатки РК и СА имеют одинаковую форму и размеры, одинаково нагружены газовыми силами. Кроме того, профильные потери решеток РК и СА получаются минимальными.

Предварительная загрузка при согласно (9)

(11)

И должна быть направлена в сторону вращения, т. к.

4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ КОМПРЕССОРА

(на нормальном режиме при H=0 и v=0)

4.1. Расход воздуха через компрессор Gв=158 кг/с.

4.2. Степень повышения давления в компрессоре .

4.3. КПД компрессора .

4.4. Частота вращения ротора =800 I/c.

4.5. Осевая скорость на входе в ступени (см. приложение).

4.6. Масса компрессора =480 кг.

4.7. Габаритные размеры:

- диаметр рабочего колеса 1-ой ступени - =900 мм;

- длина компрессора =1450 мм.

5. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ КОМПРЕССОРА

Компрессор осевой 14-ти ступенчатый однороторный сверхзвуковой (рис.4). Проточная часть компрессора выполнена с постоянным наружным и увеличивающимся внутренним диаметром. Исключение составляет только участок первой ступени, где переменны внутренний и наружный диаметры.

Устойчивая работа компрессора и улучшение характеристик на нерасчетных режимах обеспечивается применением поворотного ВНА и поворотных лопаток СА первых четырех и последних пяти ступеней.

Компрессор состоит из ротора и статора (рис.4, см. приложение).

5.1. Ротор компрессора

Ротор (рис.3, см. приложение) дисково-барабанного типа. Он состоит из 14 дисков с лопатками, четырех промежуточных колец 12 между дисками 9+13 ступеней, диска - проставки 16, между дисками 13 и 14 ступеней, цапфы 20, соединяемых в один узел тремя телескопическими стяжными трубами 33, 36, 37 с двумя сферическими шайбами 31, 32 и гайкой 30.

Сферические шайбы исключают изгибные напряжения в стяжных трубах. Телескопические стяжные трубы применяются для обеспечения необходимых деформационных характеристик ротора и стяжных труб при усилии затяжки в 570 КН.

Диски имеют барабанные участки, на торцах которых выполнены трапецевидные шлицы. Торцевые шлицы обеспечивают взаимную центровку дисков, передачу Мкр и допускают расширение дисков в радиальном направлении. Барабанные участки образуют тело равного сопротивления изгибу, что позволяет при малом весе обеспечить необходимую жесткость.

Каждое РК состоит из диска, рабочих лопаток и контровки. Исключение составляет рабочее колесо 2-й ступени, которое имеет только барабанный участок без диска.

Промежуточные кольца 12 образуют внутренний контур проточной части ротора и обеспечивают минимальный радиальный зазор между поворотными лопатками СА последних ступеней. Для сохранения балансировки они фиксируются от проворачивания.

Диск – проставка 16 применен для уменьшения нагружения дисков 13 и 14 центробежными силами проставки.

Для исключения 1-й изгибной формы колебаний и снижения вибрационных напряжений лопатки 2,3 и 4-й ступеней крепятся при помощи шарнирных узлов.

В шарнирных узлах применяется сухая смазка для рассеивания энергии колебаний и уменьшения износа. Все остальные лопатки крепятся к дискам замками типа «ласточкин хвост». Для устранения наклепа замковая части лопаток покрываются серебром и устанавливаются в диски с зазором.

Рабочие лопатки первой ступени на профильной части имеют полки для снижения уровня вибрационных напряжений.

Фиксация лопаток в осевом направлении 9+14 ступеней осуществляется промежуточными кольцами 12 и выступами на концах лопаток, а лопаток 1,5+8 ступеней – радиальными штифтами (узел 2 рис.3).

Концы профильных частей лопаток 5+14 ступеней заострены для улучшения их приработки при касании о покрытие корпуса.

Передняя цапфа выполнена заодно с диском 1-й ступени. На ней установлены роликовый подшипник 4 (рис.3) и кольца уплотнения. Внутри цапфы имеется бурт с 12 прямоугольными пазами, через которые устанавливается стягивающая труба 37.

На задней цапфе 20 (рис.3) установлены опорно-упорный подшипник 23 и кольца лабиринтного уплотнения 24,25, которые фиксируются корончатой гайкой 26.

Внутри цапфы устанавливаются детали соединения ротора компрессора с ротором турбины.

Перед сборкой рабочие колеса подвергаются статической балансировке. На колесах 1+4 ступеней она достигается подбором лопаток, а на 5+13 – с помощью грузов 34 (рис.3), устанавливаемых на барабанных участках.

Динамическая балансировка собранного ротора производится установкой балансировочных грузов 49 и 19 на диск 1-й ступени и на лабиринтное кольцо 18, последней ступени.

Для уменьшения осевой нагрузки ротора на диск 17 и цапфу 20 установлены кольца лабиринтных уплотнений 18 и 21, а плотность А рис.4 сообщается с атмосферой.

Диски 1+13 ступеней и все лопатки, наружная и средняя труба изготовлены из жаропрочных титановых сплавов, задняя цапфа, диск 14-ой ступени и внутренняя труба – из жаропрочных сталей.

5.2. Статор компрессора

.

Статор компрессора включает в себя передний 3, средний 8 и задний 12 корпусы, соединяемые фланцевыми узлами 4, 7, 9 рис.4. Центровка соединительных узлов осуществляется по кальцевым буртам к призонным болтам (см. выноски рис.4). Герметичность соединений обеспечивается точностью обработки соединяемых поверхностей и необходимым количеством стягивающих болтов.

5.2.1. Передний корпус

Передний корпус 3 рис.4 выполняется литьем из жаропрочного магниевого сплава. Проточная часть корпуса представляет собой сужающий кольцевой канал, образованный двумя цилиндрическими оболочками, соединенными 8-ю стойками обтекаемой формы. К переднему корпусу крепится кок I, в проточной части устанавливаются лопатки ВНА, а внутри роликовый подшипник 26 и центральный привод агрегатов. На внешней оболочке выполняются ребра жесткости и фланцы для крепления агрегатов.

Стойки корпуса полые, в них размещаются рессоры 27 привода агрегатов и коммуникации.

Для предотвращения обледенения стойкости, лопатки ВНА и кок имеют специальные каналы, в которые подводится нагретый воздух из 7 ступени компрессора.

5.2.2. Входной направляющий аппарат

Лопатки ВНА выполнены из жаропрочного алюминиевого сплава. В корпусе они устанавливаются на две цилиндрические цапфы. Через внутренние полые цапфы подводится горячий воздух на обогрев передней кромки лопаток. Тракты для горячего воздуха образуются профильной накладкой (рис.4), приклепываемой к носовой части лопатки. Цапфы устанавливаются в подшипниках скольжения, уменьшение коэффициента трения обеспечивается применением фторпластовых прокладок. Для компенсации перекосов внутренние цапфы выполнены сферическими. Все лопатки ВНА поворачиваются одновременно одним кольцом через рычаги.

5.2.3. Средний корпус компрессора

Средний корпус 8 выполнен разборным с шестью разъемами в плоскостях, перпендикулярных оси ротора. Принятые шесть разъемов обеспечивают одновременную сборку ротора и корпуса.

Части корпуса первых четырех ступеней имеют однотипную конструкцию. Каждая из них состоит из наружного кольца (рис.4) 4, поворотных лопаток 5, внутренних колец и кольца лабиринтного. Внутренние кольца имеют разъем в плоскости осей цапф.

Лопатки СА первых четырех ступеней имеют цилиндрические цапфы, которыми они устанавливаются в подшипники скольжения с фторпластовыми втулками. Для компенсации перекосов на внутренние цапфы напрессованы сферические кольца. Управляются лопатки также, как лопатки ВНА.

СА 5+8 ступеней выполнены с неподвижными лопатками и размещены в общей секции среднего корпуса. Каждый из СА состоит из наружного и внутреннего колец, лопаток и узла лабиринтного уплотнения. Лопатки по концам имеют хвостовики прямоугольной формы, которыми они соединяются с наружным и внутренним кольцами, имеющими ответные пазы. В пазы наружных колец хвостовики устанавливаются с натягом и фиксируются резьбовыми штифтами, а во внутренние кольца – с зазором для обеспечения свободного перемещения при температурном расширении.

К секции корпуса СА крепятся радиальные штифтами 21, обеспечивающими их центровку, передачу крутящего момента и осевых сил.

СА 9+13 ступеней выполнены поворотными, имеют однотипнуюконструкцию и состоят из общего наружного корпуса II и лопаток. Все лопатки СА консольного типа с одной цапфой, устанавливаемой в подшипнике скольжения корпуса.

Управление поворотом лопаток такое же, как у лопаток первых ступеней. Минимальные радиальные зазоры между рабочими лопатками и корпусом обеспечивается антифрикционным покрытием корпуса. При касании концов рабочих лопаток о покрытие происходит его выработка без разрушения лопаток.

Все детали среднего корпуса выполнены из жаропрочного титанового сплава.

5.2.4. Задний корпус компрессора

Задний корпус компрессора 12 (рис.4) является одним из основных силовых узлов двигателя, в котором размещена задняя опора 17 компрессора и монтируются узлы крепления двигателя.

Он включает в себя наружный обод с фланцами, двухрядный СА, корпус подшипника и коническую диафрагму 14. реакция опоры 17 передается на обод 12 через корпус подшипника, диафрагму 14 и лопатки.

Оба ряда лопаток СА верхними хвостовиками устанавливаются с натягом в продольные пазы обода, образуя соединение типа «ласточкин хвост».

Диафрагма имеет два фланца: к наружному призонными болтами крепятся лопатки, а к внутреннему – корпус подшипника. В корпус устанавливается радиально-упорный подшипник с резервным внутренним кольцом.

Все детали заднего корпуса, обод, лопатки, диафрагма и корпус подшипника изготовлены из жаропрочных сталей типа 12Х18Н9Т.

6. ЗАДАНИЕ

При выполнении лабораторной работы студенты должны:

6.1. изучить принцип работы и конструкцию компрессора.

6.2. изобразить конструктивную схему ступени.

6.3. построить план скоростей ступени.

6.4. расчетным путем определить внутреннюю работу и степень реактивности ступени.

6.5. по результатам расчетов всей подгруппы построить график распределения работы компрессора по ступеням.

7. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

7.1. Изучение принципа работы, вопросов теории и устройства компрессора, выполняется студентами самостоятельно по методическому руководству с использованием чертежа общего вида и планшета компрессора.

При изучении устройства компрессора основное внимание уделить:

- конструкции рабочих лопаток и лопаток спрямляющих аппаратов;

- конструкции узлов крепления лопаток к дискам и корпусу;

- конструкции дисков, узлов их крепления между собой и к цапфам;

- конструкции опорных узлов;

- конструкции корпуса компрессора;

- разгрузке ротора от осевых сил;

- системе уплотнений.

7.2. Используя чертеж общего вида и планшет изобразить конструктивную схему ступени компрессора, заданной преподавателем. На схеме должно быть выявлено конструкция диска, рабочая лопатка спрямляющий аппарат, узлы крепления лопаток к диску и корпусу.

7.3. Используя данные, приведенные в приложении 1 пособия , построить план скоростей ступени и определить:

- окружную составляющую относительной скорости на входе в лопатку

;

- окружную составляющую относительной скорости на выходе из лопатки:

;

- закрутку потока в рабочем колесе

;

- угол между абсолютной скоростью на входе в лопатку и окружной скоростью:

;

- угол между абсолютной скоростью на выходе из лопатки и окружной скоростью:

;

здесь С1u=U-W1u

C2u=U-W2u

-  по результатам расчетов в масштабе построить план скоростей РК.

7.4. определить внутреннюю работу ступени и степень реактивности

;

7.5. По результатам расчетов всей подгруппы построить график распределения работы компрессора по ступеням и пояснить его.

8. ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ РАБОТЫ

Работа оформляется на стандартном бланке. В нем должно быть представлено:

8.1. конструктивная схема рассчитываемой ступени.

8.2. план скоростей ступени.

8.3. результаты расчета.

8.4. график распределения работы компрессора по ступеням с пояснением его.

9.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1. Объяснить конструкцию:

- входного направляющего аппарата;

- рабочего колеса 1-й ступени;

- спрямляющего аппарата 1-й ступени;

- узлов уплотнения 1-й ступени;

- рабочего колеса 2-й ступени;

- рабочего колеса 5-й ступени;

- рабочего колеса 13-й ступени;

- спрямляющего аппарата 13-й ступени;

- рабочего колеса 14-й ступени;

- спрямляющего аппарата 14-й ступени;

- передней опоры ротора;

- задней опоры ротора.

9.2. Дать определение внутренней работы ступени и степени реактивности.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

№ ступени	Длина лопатки h	Средний радиус колеса rср	Окружн. скорость на среднем радиусе U	Осевая скорость на входе в ступень Ca	Установочные углы на входе и выходе из рабочих лопаток
	мм	мм	м/с	м/с	град	град
1	265	317,5	254	170	45,60	62,76	1,02	0,98	1,94	0,515
2	233	333,5	266,8	175	44,13	63,70	0,97	1,03	2,02	0,494
3	190	355	284	180	43,50	62,30	0,95	1,05	1,90	0,525
4	160	370	296	180	42,42	61,20	0,91	1,09	1,82	0,550
5	156	372,5	298	180	41,85	61,70	0,90	1,12	1,86	0,540
6	128	386	308,8	180	40,9	60,70	0,87	1,15	1,78	0,560
7	106	397	317,6	180	40,1	60,05	0,84	1,19	1,74	0,570
8	90	405	324	180	39,8	59,00	0,83	1,2	1,67	0,600
9	80	410	328	180	40,03	57,70	0,84	1,19	1,58	0,630
10	65	417,5	333	175	39,34	55,50	0,82	1,22	1,45	0,690
11	55	421,5	337,2	170	38,8	53,54	0,80	1,24	1,35	0,740
12	50	425	340	165	38,2	51,70	0,79	1,27	1,27	0,790
13	46	427	341,6	160	37,65	50,00	0,77	1,30	1,19	0,840
14	42	429	343,2	155	37,1	48,30	0,76	1,32	1,12	0,890

Рис.1 Схема компрессора и ступени.

1.Входное устройство. 2.Входной направляющий аппарат. 3.Ротор. 4.Средний корпус.

5.Рабочая лопатка 6.Лопатка спрямляющего аппарата. 7.Задний корпус.

8.Диск. 9.Полуоси. 10.Подшипники.

Рис.2 Схема и план скоростей ступени

Рис.3 Ротор

Рис.4