ПРЕДЕЛЬНО ДОСТИЖИМОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЯ В ОДНОСТУПЕНЧАТОМ КОМПРЕССОРЕ

Александр Владимирович Ефимов, научный сотрудник ЦИАМ

Первоначально статья задумывалась как обзорная по существующим и перспективным высоконапорным центробежным ступеням, степень повышения полного давления в которых p* = 10 и более. Данный класс ступеней вызывает большой интерес как в России, так и за рубежом. При этом следует отметить, что зарубежные двигателестроительные фирмы уже давно используют высоконапорную центробежную ступень с π* ~ 8,0…9 в одноступенчатых компрессорах малоразмерных ГТД. Так устроены, например, компрессоры ГТД фирмы Allison 250-С30 с π* = 8,5, G_пр = 2,34 кг/с; ТР319 фирмы Turbomeka с π* = 8,5; ТМ319 "Ариус" фирмы Turbomeka с π* = 8,1, G_пр ~ 1,6…1,9 кг/с; ТР-500 фирмы Teledyne Continental с π* = 8,0, G_пр = 1,9 кг/с; PW206А производства Pratt&Whitney, Канада с π* = 8,1, G_пр = 1,95 кг/с; японского двигателя MG5 с π* = 11,0, Gпр = 2,9 кг/с и других. Мировая тенденция в развитии компрессоров для таких двигателей сводится, в частности, к повышению *. Созданием высокоэффективной высоконапорной ступени занимаются в России и СНГ. Прежде всего - на ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", на Санкт-Петербуржском объединении "Завод им. В.Я. Климова", на ФГУП "ММПП "Салют", в ОАО "Аэросила", на украинском ГП "Ивченко-Прогресс" и в ОАО "Мотор Сич". Работы ведутся и в кооперации. Так, проект центробежного компрессора двигателя АИ-450МС с π* ~ 8,0 производства украинских моторостроителей был выполнен ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова".

Однако естественным образом в статью захотелось включить хотя бы эскизный набросок и осевой ступени, имеющей максимальное значение π* (в данном случае π* > 3). Тем более интересно предпринять подобную попытку из-за схожести процесса подвода энергии к газу в данных типах лопаточных машин.

В рабочем колесе, и только в нем, к газу подводится кинетическая энергия, а в статорных венцах и частично в рабочем колесе кинетическая энергия газа преобразуется в потенциальную. Таким образом, достигается поставленная цель: увеличение полного давления. Величина статического давления на выходе из компрессора ГТД диктуется условиями работы камеры сгорания.

Достижимый предел повышения полного давления, разумеется, различен для данных типов ступеней, а вот величиной, объединяющей их, может быть максимальное значение окружной скорости U_к. Именно эта величина определяет то количество энергии, которое может быть подведено к газу, а сама она ограничена максимально допустимым из соображений прочности значением. Для каждого из применяемых в двигателестроении материалов, пригодных для производства элементов лопаточных машин, есть предельно допустимое значение окружной скорости. Для титана и высокопрочной стали эта величина примерно равна 720 м/с. Она определяется из ограничения по пределу прочности ρU²/2.

Предположим, что принято решение спроектировать центробежную и осевую ступени, у которых величины максимальных окружных скоростей U (для осевой ступени - окружная скорость на периферии рабочего колеса, для центробежной ступени - на выходе из рабочего колеса) одинаковы и близки к предельно допустимому значению.

Для получения максимального значения π* при приемлемом значении к.п.д. необходимо минимизировать потери в элементах компрессора. У многоступенчатого компрессора можно выделить как повторяющиеся, так и характерные только для данного венца источники потерь. По расположению венца в тракте ступени можно естественным образом выделить: входной направляющий аппарат (ВНА), рабочее колесо (РК), выходной направляющий аппарат (НА), спрямляющий аппарат (СА).

Для простоты сравнения потерь в элементах будем считать, что на входе в ступень имеем невозмущенный поток. В этом случае ВНА работает в наиболее благоприятных условиях. Несомненным источником потерь полного давления при течении газа во входном направляющем аппарате является вязкое трение. Вследствие того, что ВНА, в общем случае, имеет на входной кромке некоторый угол атаки, на некоторых режимах могут возникать потери из-за неоптимальности обтекания профиля лопатки. Если ВНА выполнен регулируемым, т.е. с изменяемым углом установки, то в этом случае на режимах с большим прикрытием ВНА могут возникать развитые отрывные течения, которые являются дополнительными источниками потерь. К отдельному источнику потерь следует отнести также возможный отвод горячего воздуха для нужд противообледенительной системы. Наличие системы подогрева ВНА приводит к неравномерности температуры воздуха на входе в РК. В межлопаточном канале ВНА также происходит увеличение потерь из-за подогрева воздуха на поверхности лопаток.

Собственно говоря, на всех твердых стенках межлопаточного канала и втулочной и периферийной поверхностях возникает пограничный слой со скоростью и температурой, отличными от соответствующих характеристик ядра потока. Распределение статического давления зависит от наличия или отсутствия окружной составляющей скорости газа на выходе из лопаточного венца.

При наличии радиального зазора между лопаткой ВНА и втулочной (или периферийной) поверхностью возникает перетекание газа со стороны давления "корыта" на сторону разряжения на "спинку" лопатки, что также является источником дополнительных потерь. Однако следует иметь в виду, что течение в межлопаточном канале ВНА конфузорное, с небольшим увеличением скорости, что способствует уменьшению потерь и выравниванию неравномерности полей газодинамических параметров потока перед РК.

Таким образом, на лопатки РК натекает поток, имеющий заведомо неравномерные распределение полей скоростей, температур и, соответственно, неравномерное распределение полного давления как по радиусу, так и в окружном направлении. Причем лопатки РК периодически пересекают ядро потока, вытекающего из межлопаточного канала ВНА, и след от лопатки ВНА. Следовательно, на входе в рабочее колесо периодически изменяются условия натекания на входную кромку, а внутри межлопаточного канала образуется некоторая периодическая структура.

Ввиду высокого значения окружной скорости на входе и выходе РК (вследствие заявленной задачи получения максимально возможного значения коэффициента повышения полного давления в ступени π*), на входе в рабочее колесо появляются потери, связанные с околозвуковым и сверхзвуковым натеканием потока в относительном движении на рабочие лопатки. Наличие периодического изменения газодинамических параметров натекающего потока провоцирует периодическое изменение угла атаки, что, в свою очередь, также является источником дополнительных потерь на входе в рабочее колесо.

Течение в межлопаточном канале РК заведомо диффузорное (хотя могут встречаться и локальные конфузорные участки). Торможение потока от характерной для периферийных сечений РК сверхзвуковой скорости в относительном движении до дозвуковой (также в относительном движении) скорости на выходе при правильном профилировании может быть организовано в системе косых скачков уплотнения. Подобное постепенное торможение потока способствует снижению потерь в межлопаточном канале РК.

Дополнительные потери возникают при наличии промежуточных лопаток в межлопаточном канале РК. В силу геометрических особенностей профиля лопатки угол заострения входной кромки промежуточной лопатки оказывается заведомо больше угла заострения входной кромки основной лопатки, что способствует возникновению дополнительного источника потерь даже несмотря на то, что скорость натекания в относительном движении для промежуточной лопатки оказывается ниже. На эти неизбежные потери приходится идти ради той же самой цели - получения максимального значения π* при приемлемом значении к.п.д.

Свою долю потерь вносит также перетекание по периферийной поверхности в радиальном зазоре со стороны поверхности давления на сторону разряжения. В центробежном колесе с данным видом потерь можно бороться, применив закрытое колесо. Но при этом следует, конечно, иметь в виду, что, убрав данный вид потерь, мы добавляем поверхность трения, а появление дополнительной поверхности требует изменения профилирования лопаток рабочего колеса и, разумеется, дополнительного экспериментального и теоретического исследования.

Попытки применения закрытого колеса в осевых высоконапорных ступенях показали неэффективность данного мероприятия. Больший эффект для данного типа РК дает применение щелевого надроторного устройства.

Существенным отличием течения газа в межлопаточном канале РК является обязательное наличие центробежных и кориолисовых сил, что приводит к увеличению диффузорности канала по сравнению со статорными венцами при равной геометрической диффузорности.

На следующий лопаточный венец - НА натекает поток с газодинамическими параметрами, уже существенно неравномерными и по радиусу, и по шагу. В межлопаточном канале НА образуется течение с периодической структурой как от следа лопаток РК, так и от частично размытой периодической структуры следов от ВНА. Таким образом, в конфузорном канале НА имеется неравномерный и нестационарный поток, весьма склонный к местным, локализованным отрывам, которые, в свою очередь, могут перерастать в нелокализованные отрывные течения, способные занять значительную часть межлопаточного канала. Следовательно, разработчики вынуждены выбирать уменьшенную диффузорность канала НА и разбивать статорный венец на ряд последовательных венцов.

Предварительные расчеты показывают: для ступени с максимально достижимым π* скорость натекания потока на лопатки НА (в абсолютном движении) будет трансзвуковой, что приводит к узкой настроенности данного венца по углу атаки. Таким образом, если в области некоторой расчетной точки можно добиться оптимальных углов натекания на лопатки НА, то на режимах, отличных от расчетных, возникает источник дополнительных потерь из-за неоптимальности углов атаки.

Как мы установили, для данного типа ступеней будет характерно применение последовательно расположенной группы статорных венцов. Условно можно назвать их НА-I (первого ряда), НА-II (второго ряда) и СА (спрямляющий аппарат). В ступени добавляются потери, связанные с натеканием газового потока на лопатки каждого ряда, а также потери, обусловленные неидеальностью обтекания каждого лопаточного венца и неоптимальностью углов атаки. Последние будут определяться не только отличием режима от расчетного, но и нестационарностью течения. Как было показано, на все последующие венцы периодически натекает поток, имеющий газодинамические параметры следа и ядра впереди стоящих венцов.

Остановимся на различиях в источниках потерь в статорных и роторных венцах в центробежных и осевых ступенях. Нужно отметить, что высоконапорная осевая ступень приближается по своему облику к промежуточным "диагональным" ступеням.
Главное и неизбежное отличие центробежной ступени от описанной осевой в силу геометрических особенностей - существенное увеличение диффузорности канала. Это связано с естественным ограничением по минимальной величине высоты канала в меридиональном сечении и постоянным увеличением величины среднего радиуса. Положительный результат дает выбор в роторных венцах распределения угла поворота потока по течению, обеспечивающего конфузорный канал на выходе из рабочего колеса.

В равной степени утверждение о более высокой диффузорности канала относится и к статорной части центробежной ступени. Для снижения величины диффузорности канала в статорных венцах приходится выбирать меньшие значения углов поворота потока. Это приводит к тому, что углы поворота потока в статорных элементах центробежной ступени (а именно - в радиальных лопаточных диффузорах), как правило, выбираются не превышающими 10°. Таким образом, и центробежная, и осевая ступени, рассчитанные на наибольшее значение π*, требуют развитой "выходной системы", т.е. устройства, преобразующего остаточную кинетическую энергию газа на выходе из рабочего колеса в потенциальную.

(Продолжение в следующем номере)