ГЛАВА XI. КОМПРЕССОР

### НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Компрессор газотурбинного двигателя предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. Сжатие воздуха необходимо для более полного преобразования подводимого в камеру сгорания тепла в кинетическую энергию газового потока. Это наглядно видно из формулы, выражающей зависимость термического коэффициента полезного действия двигателя (ht) от степени повышения давления компрессора

где pк — степень повышения давления в компрессоре;

к — показатель адиабаты.

Анализ формулы показывает, что при отсутствии сжатия (pк=1) термический КПД равен нулю и, следовательно, введенное в двигатель тепло в результате сгорания топлива не идет на увеличение кинетической энергии газа. С увеличением степени повышения давления повышается термический КПД, возрастает эффективность использования подводимого в двигатель тепла. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к компрессорам, наряду с требованиями обеспечения надежной и устойчивой работы на всех эксплуатационных режимах, предъявляются требования обеспечить возможность получения больших степеней сжатия при малой массе и габаритах.

Возможность удовлетворения этих требований в значительной степени определяется конструкцией компрессора. По конструкции компрессоры современных авиационных двигателей разделяются на два типа: центробежные и осевые.

Центробежные компрессоры имеют целый ряд преимуществ перед осевыми: простота конструкции и малая трудоемкость в изготовлении, удовлетворительная характеристика при переменных режимах работы, возможность получения больших степеней повышения давления в одной ступени (pст=3...6).

Основные недостатки центробежных компрессоров по сравнению с осевыми — меньший КПД, небольшая пропускная способность и большие габаритные размеры в поперечном направлении.

Осевые компрессоры имеют более высокий коэффициент полезного действия, большую пропускную способность, выполняются многоступенчатыми, а потому имеют более высокую степень повышения давления и, следовательно, более высокий КПД, однако они более сложны и дороги в изготовлении, менее устойчивы в газодинамическом отношении и менее надежны в эксплуатации.

Высокая надежность, простота конструкции и большая газодинамическая устойчивость предопределили использование на двигателе М701 центробежного компрессора.

Центробежный компрессор (рис. 85) состоит из ротора и статора. Лопатки вращающегося направляющего аппарата (воздухозаборника) совместно с лопатками рабочего колеса образуют межлопаточные каналы и вместе с корпусом — проточную часть компрессора.

Рабочее колесо с вращающимся направляющим аппаратом (ВНА) и валом образуют ротор компрессора, а корпус компрессора с диффузором — его статор. Вращающийся направляющий аппарат — это спрофилированный лопаточный венец, обеспечивающий безударный вход воздуха на лопатки рабочего колеса.

На входе во ВНА величина и направление относительной скорости W1 определяются величинами абсолютной скорости C1 и изменяющейся по высоте лопаток окружной скорости U1 (рис. 86).

Для обеспечения безударного входа углы загиба лопаток ВНА делают близкими к углам направления относительной скорости W1. Поскольку направление относительной скорости меняется по высоте лопатки, углы загиба лопаток ВНА также изменяются пропорционально высоте лопатки, увеличиваясь от втулки к периферии.

Рис. 85. Продольный разрез компрессора двигателя М701с-500:

1 — входной корпус компрессора; 2 — передняя стенка компрессора; 3 — переднее опорное кольцо лопаточного диффузора; 4 — фланец отбора воздуха для охлаждения узла турбины; 6 — заднее опорное кольцо лопаточного диффузора; 6 — крыльчатка компрессора; 7 — передний зал; 8 — основной вал ротора; 9 — силовой конус; 10 — задний корпус компрессора; 11 — горловина заднего корпуса компрессора; 12— нижний узел крепления двигателя; 13 — лопатка диффузора; 14 — штифт; 15 — передний подшипник с корпусом переднего уплотнения; 16 — вращающийся направляющий аппарат крыльчатки компрессора

В межлопаточных каналах происходит поворот воздушного потока, вращающийся направляющий аппарат вовлекает воздушный поток во вращение, закручивает его и сообщает ему кинетическую энергию вращательного движения.

Рис. 86. Треугольник скоростей воздуха на входе в колесо центробежного компрессора

В межлопаточных. каналах колеса центробежного компрессора поток воздуха, поступающий из ВНА, движется в направлении от центра к периферии: с непрерывным возрастанием окружной скорости. На двигателе М701 окружная скорость колеса компрессора меняется от 130 м/с у втулки до 450 м/с на периферии (на максимальном режиме работы двигателя). Вращение потока вызывает появление центробежных сил, повышающих давление воздуха. Таким образом, из колеса выходит закрученный воздушный поток с большой скоростью, т. е. обладающий большой кинетической энергией.

Из колеса воздушный поток поступает в диффузор, в котором полученная кинетическая энергия превращается в работу сжатия. Поэтому на выходе из диффузора скорость воздуха уменьшается, а давление и температура увеличиваются.

Процесс сжатия воздуха в компрессоре происходит с определенными потерями. Так, вследствие вязкости воздуха при вращении колеса происходит трение воздуха, окружающего колесо, и воздуха, движущегося по межлопаточным каналам, о стенки колеса. Это трение создает дополнительный момент сопротивления вращению колеса и требует на его преодоление затрат дополнительной работы, которая входит составной частью в работу, затрачиваемую на вращение компрессора. Основную часть потерь вызывает трение торцевых поверхностей лопаток колеса и воздуха, движущегося по этому колесу, о воздух, находящийся в осевых зазорах между колесом и корпусом компрессора.

Кроме трения воздуха, увлеченного во вращение лопатками колеса, о стенки корпуса значительное влияние на величину потерь оказывает перетекание воздуха по зазорам между торцами лопаток и стенкой корпуса. Это приводит к возникновению дополнительных гидравлических потерь. Перетекание воздуха обусловливается наличием разности давлений с обеих сторон лопатки колеса, которая, в свою очередь, является следствием радиального относительного движения воздуха в колесе и абсолютного движения по спирали с возрастающей окружной скоростью, вызывающих появление сил, действующих перпендикулярно относительной скорости в сторону, обратную направлению движения. Действие этих сил создает перепад давления по обе стороны лопаток, что является источником возникновения момента сопротивления, на преодоление которого необходимо затратить работу. Поскольку величина зазора между лопатками колеса компрессора и корпусом существенно влияет на величину потерь, а следовательно, и на коэффициент полезного действия компрессора, этот зазор конструктивно стараются сделать минимальным.

### ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Центробежный компрессор двигателя М701 (см. рис. 85) выполнен с односторонним входом и состоит из двух основных частей: неподвижной (статор) и подвижной (ротор).

Статор включает: входной корпус 1 переднюю стенку 2, задний корпус 10, лопаточный диффузор.

Ротор компрессора состоит из заборника 16, крыльчатки компрессора 6 и переднего вала 7.

Входной корпус компрессора (рис. 87) отлит из легкого магниевого сплава типа МЛ-5 и представляет собой два концентрично расположенных цилиндра, соединенных между собой шестью стойками.

Через шесть каналов, образованных стойками и цилиндрическими поверхностями корпуса, воздух поступает к заборнику колеса компрессора. Поскольку основной задачей входного устройства является обеспечение подвода воздуха к колесу компрессора с минимальными гидравлическими потерями и с равномерным тюлем скоростей и давлений, все обтекаемые поверхности тщательно обработаны, а перед стойками устанавливается специально спрофилированный обтекатель из листового материала. Между стойками и обтекателем образуется полость, по которой проходит горячий воздух, отбираемый из полости лопаточного диффузора. В результате этого стойки нагреваются, что предотвращает возможность их обледенения. Горячим воздухом обогревается и кок электростартера, который крепится к корпусу коробки приводов, расположенной внутри малого цилиндра (ступицы) входного корпуса компрессора. К заднему фланцу ступицы крепится корпус переднего подшипника ротора двигателя.

Рис. 87. Входной корпус компрессора:

1 — кок стартера; 2 — обтекатель; 3 — стойка вертикальная; 4 — крышка коробки вспомогательных приводов; 5 — штуцер для соединения с бачком суфлирования; 6 — прокладка фланца бачка суфлирования; 7 — прокладка коробки масляных фильтров; 8 — приемник статического и динамического давления для баростата

В нижней части входной корпус переходит в прямоугольный фланец, к которому крепится коробка масляных фильтров, одновременно являющаяся и емкостью для масла.

В верхней части входной корпус переходит в коробку вспомогательных приводов, имеющую разъем в горизонтальной плоскости.

Вертикальные стойки (верхняя и нижняя) утолщены и выполнены полыми. Внутри верхней стойки проходит верхний вертикальный вал привода коробки вспомогательных приводов, в нижней стойке — вал привода масляных насосов. В стойках просверлены каналы для подвода под давлением масла к форсункам. После смазки масло по внутренним полостям вертикальных стоек сливается в коробку масляных фильтров.

На наклонной правой верхней стойке размещается приемник статического и динамического давлений воздуха для подвода в камеру баростатического регулятора.

Входной корпус задним фланцем с помощью шпилек крепится к передней стенке компрессора.

Передняя стенка компрессора в своей внутренней части является продолжением профилированной части входного корпуса и выполнена в форме диска с отверстием в центре к двумя фланцами. К одному фланцу крепится входной корпус компрессора, а вторым фланцем передняя стенка соединяется с задним корпусом компрессора.

Передняя стенка компрессора отлита из легкого сплава типа силумин. С наружной ее стороны имеются ребра жесткости. Кроме того, жесткость обеспечивается также 28 лопатками диффузора, которые шпильками крепятся к передней стенке и заднему корпусу компрессора.

На передней стенке справа расположены фланцы для крепления распределителя топлива и барометрического регулятора. Между этими фланцами имеются два отверстия, через которые воздух отбирается для поддавливания подвесных баков и гидробака, а также для автомата приемистости.

С левой стороны расположено отверстие с фланцем для установки пневмоклапана, через который отбирается воздух в кабину самолета и антиобледенительную систему двигателя. Задний корпус компрессора является основной силовой частью статора. На нем расположены две боковые цапфы и нижний узел крепления двигателя. В верхней части корпуса имеются два рым-болта для подъема двигателя. Задний корпус компрессора отливается из легкого сплава типа силумин. На задней части корпуса равномерно по окружности имеются горловины с фланцами для крепления патрубков компрессора, по которым сжатый воздух подается из компрессора в камеры сгорания.

В задней части корпуса имеется фланец с 48 отверстиями для крепления силового конуса. На внешней поверхности заднего корпуса отлито 19 ребер жесткости, а с внутренней стороны выполнена кольцевая проточка под заднее опорное кольцо лопаточного диффузора. Равномерно по окружности корпуса расположено 28 отверстий под шпильки крепления лопаток диффузора. Вверху слева и внизу справа расположены отверстия с треугольными фланцами для отбора воздуха на охлаждение узла турбины.

Задний корпус компрессора вместе с передней стенкой и лопатками диффузора образуют закрытую полость, в которой размещено рабочее колесо компрессора.

Лопаточный диффузор служит для преобразования кинетической энергии воздушного потока в энергию давления. Он состоит из переднего и заднего опорных колец и 28 вставных алюминиевых лопаток. Лопатки после сборки диффузора образуют 28 расширяющихся каналов, в которых обеспечивается снижение скорости потока воздуха и соответствующее повышение его давления.

Ротор компрессора состоит из крыльчатки, вращающегося направляющего аппарата и переднего вала. Крыльчатка компрессора с односторонним входом воздуха изготовлена из ковкого алюминиевого сплава типа АК-5. Она имеет форму диска, в передней части которого расположены 24 радиальные лопатки. Лопатки заборника являются как бы продолжением этих лопаток. В передней части крыльчатки в ее центре имеются центровочный буртик и фланец с 12 отверстиями для крепления переднего вала. В задней части крыльчатка переходит в развитый фланец с 18 отверстиями и центровочным буртиком для крепления вала компрессора. На периферии диска имеются пять кольцевых выступов лабиринтного уплотнения, предотвращающего перетекание воздуха в полость силового конуса. Заборник ВНА своей ступицей устанавливается на передний вал компрессора и фиксируется от проворачивания двумя штифтами.

Поверхность лопаток заборника, прилегающая к лопаткам крыльчатки, выполнена конусной, что обеспечивает полное прижатие концов лопаток при наличии зазора у основания. Такой предварительный натяг увеличивает жесткость и обеспечивает снижение динамических напряжений в лопатках заборника в процессе работы двигателя.

Для компенсации смещения лопаток заборника под действием аэродинамических сил в сторону, противоположную вращению, лопатки заборника устанавливают со смешением по направлению вращения на 0,4 мм относительно лопаток колеса. В этом случае при работе двигателя лопатки прогибаются и устанавливаются строго против лопаток колеса.

Передний вал ротора компрессора полый, изготовлен из хромоникелеваиадиевой стали типа 18ХНВА. Он служит для установки заборника ВНА и переднего подшипника компрессора.

### ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ КОМПРЕССОРА,
ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ

Как уже отмечалось, высокая эксплуатационная надежность центробежных компрессоров является одним из основных факторов, предопределивших их использование в авиационных двигателях. Однако достижение высокой надежности невозможно без строгого выполнения всех требований по их эксплуатации, а также без знания недостатков, обусловленных особенностями конструкции.

Неустойчивая работа двигателя (помпаж) является обычно следствием нарушения плавности обтекания лопаток заборника и диффузора, что сопровождается резкими колебаниями скорости и давления потока воздуха при одновременном падении давления за компрессором и росте температуры газов, а также падением частоты вращения ротора компрессора. Как правило, помпаж сопровождается тряской двигателя и хлопками.

Физическая сущность помпажа заключается в следующем. В процессе работы компрессора на расчетном режиме обеспечивается плавное обтекание входных кромок лопаток заборника и лопаток диффузора (рис. 88а). Отклонение расхода воздуха от расчетной величины изменяет величину и направление относительно скорости воздуха на входе в компрессор. При уменьшении расхода воздуха (рис. 88в) поток набегает на вогнутую поверхность (корытце) лопатки, образуя завихрения и разрежение на выпуклой ее поверхности (на спинке). Это разрежение способствует дальнейшему распространению завихрений в компрессоре.

Рис. 88. Образование срывных явлений в центробежном компрессоре

При увеличении расхода воздуха (рис. 88б) поток набегает на спинку лопатки, но зарождающиеся на вогнутой части завихрения локализуются повышенным давлением, возникающим при этой поверхности при работе двигателя, и поэтому не нарушается работа компрессора.

Условия образования завихрений в лопаточном диффузоре аналогичны. При уменьшении расхода воздуха по сравнению с расчетным на спинке лопатки возникают завихрения, которые вследствие разрежения на этой поверхности начинают интенсивно развиваться, занимая значительную часть межлопаточного канала. Происходит периодически повторяющаяся закупорка компрессора, что может сопровождаться выбросами воздуха на вход в компрессор и привести к росту температуры газов на турбине.

Общее представление о склонности компрессора к помпажу дает характеристика компрессора (рис. 89), представляющая собой зависимость степени повышения давления от приведенного расхода воздуха, проходящего через компрессор, при различной приведенной частоте вращения.

Рис. 89. Характеристика компрессора

На каждом установившемся режиме компрессор совместно с турбиной работает только при определенном расходе воздуха, определяемом рабочей точкой. Линия, соединяющая рабочие точки на характеристике компрессора при различной частоте вращения, называется линией рабочих режимов.

Кроме этой линии для каждой частоты вращения наносят точки начала помпажа. Линия, соединяющая эти точки, называется границей помпажа.

Точка пересечения линий рабочих режимов и границы помпажа называется критической. Область между границей помпажа и рабочей линией — область беспомпажной работы, определяющая «запас компрессора по помпажу». На практике этот запас оценивается как выраженное в процентах отношение разности критической и максимальной частот вращения к максимальной частоте вращения:

D n = |  |
nкр – nmax
nmax
| × 100%. |

У современных двигателей запас устойчивой работы должен быть не менее 12...17%. Однако в процессе эксплуатации двигателя происходит износ деталей проточной части, ухудшается состояние обтекаемой потоком воздуха поверхности, что неизбежно приводит к снижению запаса устойчивости компрессора.

Снижение атмосферного давления, увеличение температуры воздуха, а также регулировка автомата приемистости в сторону уменьшения времени приемистости (даже в пределах регулировки, разрешенной инструкцией по эксплуатации) способствуют возникновению помпажа. В случае появления признаков помпажа двигателя М701 (хлопки, тряска, рост температуры газов и т. п.) необходимо снизить частоту вращения.

На запас устойчивости двигателя по помпажу существенное влияние также оказывают эксплуатационные и технологические (ремонтные) факторы. Все повреждения деталей проточной части двигателя (забоины входных кромок лопаток заборников, деформация лопаток, повреждения лопаток диффузора) приводят к ухудшению обтекания лопаток, образованию вихрей и смещению границы помпажа на характеристике компрессора вправо. Увеличение гидравлических сопротивлений деталей газовоздушного тракта (заварка и коробление жаровых труб, коробление лопаток соплового аппарата и т. п.) приводит к смещению рабочей линии влево, что также уменьшает запас устойчивости двигателей по помпажу.

Разрушение колеса центробежного компрессора является наиболее опасным отказом, приводящим к разрушению двигателя и повреждению отдельных узлов и систем самолета.

Разрушение происходит на максимальном или близком к нему режиме работы двигателя. Причиной разрушения колес компрессора является возникновение и развитие усталостных трещин на тыльной стороне колеса в месте галтельного перехода полотна диска в ступицу из-за воздействия на них повышенных нагрузок изгибного характера при неустойчивой работе двигателя.

Снижение долговечности материала колеса является следствием растрескивания поверхностного слоя материала при его анодировании и повышенной чувствительности материала колес к трещинам.

В целях предотвращения случаев разрушения колес компрессора при их изготовлении производится рентгеновский контроль на отсутствие внутренних пороков в материале, а при ремонте введен ультразвуковой контроль колес на отсутствие трещин, коррозионных поражений и других дефектов. Для предотвращения коррозии все колеса компрессора при ремонте покрываются эмалью.

Поскольку максимальные нагрузки в колесе компрессора возникают при нарушениях устойчивой работы двигателя, то необходимо следить за его газодинамической устойчивостью на переходных и установившихся режимах. При выявлении неустойчивой работы следует провести ультразвуковой контроль колеса компрессора, устранить выявленные неисправности в соответствии с требованиями Инструкции по техническому обслуживанию и эксплуатации двигателя М701с-500, а также дополнительно повысить устойчивость работы двигателя путем увеличения времени приемистости в пределах норм технических условий и уменьшения диапазона рабочих частот вращения ротора двигателя путем повышения режима малого газа и снижения максимальной частоты вращения ротора также в пределах норм технических условий.

Большое значение имеет выполнение требований по прогреву и охлаждению двигателей. После каждого запуска двигателя первый вывод его на максимальный режим должен проводиться после прогрева на следующих режимах:

n=52%, в течение 1 мин,

n=65%, в течение 2 мин — не менее.

При этом давление масла должно быть не более 2,5 кгс/см2;

n=94%, в течение 0,5 мин;

n=97%, в течение 0,5 мин.

Охлаждение двигателя перед его выключением производится на режимах:

n=78%, в течение 2 мин — при снежных осадках или при температуре окружающего воздуха, близкой к нулю;

n=52%, в течение 2 мин, если температура окружающего воздуха выше минус 15°С, и в течение 3 мин, если ниже минус 15°С — при работе двигателя перед выключением на режиме n=97%;

n=36...39%, в течение 0,5 мин — во всех случаях.

Соблюдение режимов охлаждения проверяется по данным объективного контроля. При выявлении нарушении режимов прогрева или охлаждения двигатель допускается к дальнейшей эксплуатации только после ультразвукового контроля колеса компрессора. Для предотвращения случаев разрушения колес компрессора в эксплуатации также введен их периодический ультразвуковой контроль на отсутствие трещин.