Лекция № 12 « Входные устройства »

Входное устройство предназначено для подвода к компрессору атмосферного воздуха с минимальными потерями и с определенной скоростью, а также для сжатия воздуха в полете за счет скоростного напора.

Входное устройство ТРД с осевым компрессором представляет собой канала кольцевого сечения.

У ТРД с центробежным компрессором роль входного устройства двигателя выполняет входное устройство компрессора.

Принцип действия и параметры входного устройства.

Для более равномерного заполнения рабочего колеса компрессора воздухом входному устройству обычно придают форму суживающегося канала, выравнивающего поток воздуха перед компрессом. Осевая скорость на входе в компрессор колеблется в пределах .

При работе на земле скорость воздуха, поступающего в двигатель, возрастает от нуля (на границе невозмущенной среды) до (перед компрессором). При этом во входном устройстве создается разрежение (за счет ускорения потока и вследствие гидравлических потерь, возникающих при движении воздуха на входе в компрессор), равное

.

Температура воздуха в соответствии с изменением скорости уменьшается на величину

.

В полете воздух во входное устройство входит с повышенным давлением, так как перед входом в двигатель происходит предварительное сжатие его за счет скоростного напора, в результате чего скорость воздуха уменьшается, а давление и температура его повышаются.

Газодинамическое совершенство входного устройства характеризуется не величиной потерь, а коэффициентом восстановления полного давления

, равным отношению полного давления на входе в компрессор к полному давлению в невозмущенном потоке. Чем больше потери, тем меньше величина .

Эффективность процесса преобразования кинетической энергии в потенциальную во входном устройстве характеризуется изоэнтропической степенью повышения давления воздуха скоростным напором, равной отношению полного давления воздуха к статическому давлению в окружающей среде:

.

Величина является функцией числа полета, и потерь в воздухозаборника и определяется из выражения

,

где .

Входные устройства разделяются на класса: а) для дозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростей полета, б) для сверхзвуковых скоростей полета.

Воздухозаборники для дозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростей полета.

Воздухозаборник представляет собой профилированный канал со скругленными входными кромками для предотвращения срыва потока при изменении угла атаки в полете.

Процесс торможения зависит от отношения скорости полета к скорости воздуха во входном отверстии . Желательную величину при неизменных и расходе воздуха получают выбором соответствующей площади .

Далее воздух движется по каналу, образованному стенками воздухозаборника. Форма его зависит от типа силовой установки и условий ее компоновки на летательном аппарате. Он имеет расширяющуюся часть, где скорость снижается для уменьшения потерь полного давления, и суживающуюся, где воздух разгоняется, что способствует получению более равномерного поля скоростей и давлений на входе в компрессор и предотвращает его неустойчивую работу.

Если превышает скорость звука, то перед входным отверстием образуется прямой скачок уплотнения (ударная волна), что приводит к дополнительным потерям полного давления и росту внешнего сопротивления воздухозаборника (уменьшение сопротивления достигается заострением входной кромки). Начиная с применяют сверхзвуковые воздухозаборники.

Сверхзвуковых воздухозаборники.

В отличие от дозвукового в сверхзвуковом воздухозаборнике торможение потока происходит не в прямом скачке уплотнения, а в системе скачков, образованной выдвинутым вперед центральным телом – конусом или клином. Соосно расположенная обечайке, имеющая заостренную переднюю кромку, ограничивает снаружи внутренний канала воздухозаборника.

Сверхзвуковая зона внутреннего канала воздухозаборника, несмотря на появление в нем прямого скачка уплотнения и связанные с этим потери давления, предотвращает разрушение системы скачков при случайных пульсациях давления на входе в компрессор. Так, при внезапном повышении давления перед компрессором, прямой скачок перемещается к горлу, где скорости меньше, интенсивность скачка уменьшается и уменьшаются связанные со скачком потери давления. Понижение давления перед компрессором вызывает перемещение скачка во входу в компрессор и увеличение потерь давления.

Производительность воздухозаборника или его пропускная способность оцениваются коэффициентом расхода, под которым понимают отношение расхода воздуха через Воздухозаборник при данной скорости полета к его максимальному значению

.

Если подставить в уравнение значения

и ,

получим .

Характеристики воздухозаборника.

Характеристикой воздухозаборника называется зависимость, показывающая связь коэффициента восстановления полного давления с коэффициентом расхода при постоянном . Такая характеристика называется дроссельной, получается она экспериментальным путем.

Регулирование сверхзвуковых воздухозаборников.

Воздухозаборник и двигатель работают в одной системе. Воздухозаборник должен быть снабжен системой регулирования для согласования его работы с работой компрессора.

Согласования производительности входного устройства с потребным расходом воздуха можно добиться следующими способами:

1) изменением площади входа – отклонением кромки обечайки или других элементов воздухозаборника;

2) осуществлением сверхзвукового обтекания потока – с уменьшением количества воздуха, поступающего во входное устройство;

3) использованием специальной системы перепуска воздуха из воздухозаборника в атмосферу; воздух перепускается через створку в дозвуковой части за горлом непосредственно в атмосферу или через створку в гондолы в атмосферу через дозвуковое или сверхзвуковое сопло Лаваля.

 

Лекция № 13 «Компрессоры»

Компрессор в ГТД служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.

Основные типы и назначение компрессоров. Основные элементы осевого компрессора.

Основными типами компрессоров являются осевые и центробежные. Реже применяются диагональные компрессоры.

Осевой компрессор выполняют либо в виде сплошного барабана с насаженными на него лопатками, либо в виде отдельных дисков, смонтированных на одном валу. Вал осевого компрессора устанавливают обычно на двух подшипниках качения, из которых один является опорно – упорным и служит для восприятия осевых усилий. Осевой компрессоры в зависимости от повышения давления воздуха имеют от до ступеней. Высота лопаток компрессора от ступени к ступени уменьшается.

Центробежные компрессоры применяются с односторонним или двусторонним входом. Использование центробежных компрессоров с двусторонним входом позволяет значительно уменьшить габаритный диаметр компрессора при заданном расходе воздуха или при одинаковом диаметре компрессора увеличить почти вдвое расход воздуха. Расход воздуха через задний вход компрессора, находящийся в зоне расположения камер сгорания, оказывается примерно на меньше, чем через передний вход. Это объясняется увеличением гидравлических сопротивлений вследствие удлинения пути подачи воздуха к заднему входу компрессора и подогревом воздуха от камер сгорания.

Работа сжатия воздуха и КПД компрессора.

Затрачиваемая в компрессоре работа расходуется на сжатие воздуха и на преодоление потерь.

,

где представляет собой полную работу сжатия.

Отношение полного давления на выходе из компрессора к полному давлению на входе в него называется степенью повышения полного давления в компрессоре

Степень совершенства компрессора характеризуется адиабатным КПД – отношением изоэнтропической работы к работе компрессора:

.

КПД учитывает гидравлические потери – на трене воздуха и вихреобразования, потери на перетекание воздуха в зазоре между торцами лопаток и корпусом компрессора.

Ступень осевого компрессора.

Совокупность рабочего колеса с расположенным за ним спрямляющим аппаратом называют ступенью компрессора.

В осевых компрессорах применяются также ступени, в которых воздух, поступающий в рабочее колесо, предварительно закручивается в направляющем аппарате. Предварительная закрутка воздуха может осуществляться в направлении вращения рабочего колеса или против его вращения.

Повышение давления воздуха в ступени характеризуется степенью повышения давления

,

равной отношению полного давления на выходе из ступени к полному давлению на входе в нее; .

Параметры и размеры ступени.

Ступень компрессора прежде всего характеризуется своими геометрическими параметрами (размерами): наружным диаметром и диаметром втулки . Эти основные размеры определяют и средний диаметр колеса, под которым понимают либо среднеарифметический диаметр

либо среднегеометрический, окружность которого делит площадь сечения на равные части.

Среднегеометрический диаметр получается из соотношения

,

откуда

.

Важное значение для оценки лобовых габаритов имеет относительный диаметр втулки , под которым понимают отношение диаметра втулки к диаметру колеса

.

Для того, чтобы при заданном наружном диаметре колеса максимально увеличить полезную площадь для прохождения воздух, необходимо по возможности уменьшать относительный диаметр втулки. Это видно из следующей зависимости:

.

Относительный диаметр втулки первых ступени находится в пределах , а последних ступеней (где плотность воздуха достаточно большая и нет «дефицита» в площадях) .

Секундный расход воздуха равно

Относительная скорость для первых ступеней компрессора применяют , так как от ступени к ступени постепенно уменьшают, а последних ступеней принимают .

В современных компрессорах окружная скорость на наружном диаметре меняется в пределах .

Степень повышения давления . В первых ступенях , а в последних .

КПД ступени . В современных компрессорах КПД ступени меняется в пределах .

Коэффициент расхода ступени .

.

Для первых ступеней , для последних .

Коэффициент затраченного напора ступени .

.

Степень реактивности .

Параметры решетки и профиля.

Основные параметры решетки и профиля.Решетка характеризуется шириной ; шагом ; хордой ; густотой решетки ; относительной толщиной профиля ; удлинением лопаток .

Профиль в решетке характеризуется углом изгиба входной и выходной кромок и ; и входным и выходным углами потока; и – входным и выходным углами профиля; углом изгиба средней линии профиля ; углом атаки ; углом отставания потока на выходе из решетки ; углом установки профиля .

План скоростей ступени.

Для характеристики течения воздуха в элементарной ступени используется план скоростей. Он представляет собой треугольник скоростей воздуха на входе в РК и на выходе из него, совмещенные в одной точке. Осевые составляющие скоростей имеют на плане индексы , а окружные ; и - углы потока на входе, а и - углы потока на выходе из решетки, образованно векторами скоростей с фронтом решетки.

Окружная составляющая абсолютной скорости перед РК называется предварительной закруткой.

Важными характеристиками течения воздуха в решетке являются угол поворота потока (он изменяется в пределах ) и закрутка воздуха в РК, определяемая как разность окружных составляющих скоростей воздуха на входе в РК и на выходе из него , от которой зависит работа, сообщаемая воздуху в ступени.

Работа ступени.

Пренебрегая затратами энергии на трение торцовых поверхностей РК о воздух, очень малыми в осевом компрессоре, можно определить работу ступени (она называется теоретическим напором ступени) как произведение силы на окружную скорость:

.

Величина ограничивается значениями для дозвуковых и для сверхзвуковых ступеней.

Степень реактивности ступени.

Распределение общей работы сжатия воздуха в ступени или общего повышения давления в ней между РК и НА характеризуется степенью реактивности ступени – отношением адиабатной работы сжатия воздуха в РК к теоретическому напору ступени:

.

Типы ступеней.

В компрессорах применяются ступени с

Если , то все повышение давления воздуха осуществляется в РК.

Ступень с применяют в качестве первой дозвуковой ступени, или второй, если первая сверхзвуковая.

Величина характерна для ступени с осевым входом.

Ступени с , в которых все повышение давления происходит в НА, а в РК – только разгон потока, практически не встречаются, так как отличаются большими потерями в НА из – за высоких абсолютных скоростей воздуха.