Центробежные компрессоры ГТД: конструкции и особенности

Центробежные компрессоры находят широкое применение в газотурбинных двигателях (ГТД) малого и среднего размеров, а также в качестве основных компрессоров и последних ступеней осецентробежных компрессоров.

Центробежный компрессор иногда оказывается предпочтительным по соотношению своих основных габаритных размеров: он имеет существенно больший диаметр, чем осевой с одинаковым расходом воздуха, но гораздо короче осевого и может удачно сочетаться по габаритам с противоточной камерой сгорания. Центробежный компрессор позволяет создать компактный двигатель, например, для вертолета или вспомогательной силовой установки (ВСУ), когда общие габаритные размеры двигателя определяются не столько компрессором, сколько другими его элементами (редуктором, теплообменником, электрогенератором и др.).

Ротор центробежного компрессора и типы рабочих колес. Ротор центробежного компрессора может состоять из одной односторонней крыльчатки (колеса полуоткрытого типа), например, в приводных центробежных нагнетателях поршневых двигателей и в малоразмерных двигателях для летающих мишеней (как показано на рис. 2.4.22, а).

Увеличение расхода воздуха при тех же радиальных габаритных размерах компрессора может быть получено применением двухсторонней крыльчатки (как показано на рис. 2.4.22, б), а увеличение степени повышения давления — установкой второй центробежной ступени.

Рис. 2.4.22. Схема центробежных компрессоров с крыльчаткой: а — односторонней; б — двухсторонней; 1, 5 — направляющие аппараты; 2 — выходное устройство; 3 — диффузор; 4 — рабочее колесо

Стремление повысить коэффициент полезного действия (КПД) центробежного компрессора за счет уменьшения перетечек воздуха над лопатками по открытой стороне обусловило появление закрытого колеса (как показано на рис. 2.4.23, в).

Рис. 2.4.23. Схемы открытого (а), полуоткрытого (б) и закрытого (в) колес центробежного компрессора

Однако такое колесо технологически сложнее открытого и полуоткрытого. Кроме того, наружная стенка нагружает лопатки и колесо центробежными силами, что ограничивает частоту вращения и, следовательно, степень повышения давления.

Открытое колесо не является оптимальным (как показано на рис. 2.4.23, а), так как потери от перетечек воздуха у него выше, а прочность конструкции (как статическая, так и вибрационная) хуже, чем у наиболее распространенного полуоткрытого колеса (как показано на рис. 2.4.23, б).

Крыльчатка, состоящая из двух частей, наиболее целесообразна в применении, когда лопатки на основной части расположены радиально и образованы плоскими поверхностями, а входная часть крыльчатки (вращающийся направляющий аппарат — ВНА), образованная криволинейными поверхностями, изготовлена отдельно, что в целом упрощает технологию производства. Радиальное направление лопаток колес соответствует степени реакции ступени компрессора около 0,5. При других значениях этого параметра лопатки имеют более сложную конфигурацию, направлены не радиально. В этом случае разделение колеса на две части не упрощает технологию: всю крыльчатку изготовляют как одно целое.

Для предотвращения ослабления посадки колеса центробежного компрессора на вал, так же, как и для дисков осевого компрессора, применяют широкую ступицу, у которой крайние сечения остаются ненагруженными центробежными силами от основной массы детали.

Если перед центробежной ступенью отсутствуют осевые ступеней, то часто колесо ступени выполняют консольным и крепят к валу на фланце.

На роторе центробежного компрессора с односторонним колесом принимают меры для уменьшения осевой силы, обусловленной разностью давлений воздуха на рабочей и нерабочей сторонах диска (как показано на рис. 2.4.24). Установка лабиринтного уплотнения на нерабочей стороне диска у периферии и стравливание избыточного давления — наиболее распространенный способ решения этой проблемы.

Конструкция входа и профилирование лопаток. При использовании центробежной ступени в качестве последней в осецентробежных компрессорах вход в центробежную ступень должен быть согласован с последней ступенью осевой части компрессора, поэтому колесо центробежной ступени имеет относительно большие диаметры по входу, чем у отдельно стоящих центробежных компрессоров, у которых диаметр втулки на входе обычно небольшой.

Рис. 2.4.24. Центробежный компрессор с односторонним колесом: 1 — вращающаяся лопатка; 2 — «улитка»

При малом диаметре входа возникают трудности по размещению лопаток в центральной части диска. Из-за малого шага лопаток по втулке на входе приходится иногда выполнять лопатки разных размеров, укорачивая их через одну (как показано на рис. 2.4.25), чтобы не было очень большого загромождения входа в колесо передними кромками лопаток, которые нельзя делать слишком тонкими по прочностным и технологическим соображениям.

Рис. 2.4.25. Крыльчатка центробежного компрессора с лопатками полного профиля и укороченными

Центробежные ступени осецентробежного компрессора с относительно большим диаметром на входе обычно имеют лопатки одинакового полного профиля. Центробежная ступень интегрируется в общий ротор с осевыми ступенями в соответствии с компоновкой двигателя.

Если осецентробежный компрессор является каскадом высокого давления двухкаскадного компрессора, то размеры втулки центробежного колеса должны быть достаточными для размещения вала компрессора низкого давления (КНД).

В турбовинтовых газотурбинных двигателях (ТВГТД) с расположением редуктора перед компрессором вал от силовой турбины к редуктору должен проходить через компрессор, и диаметр втулки последней ступени получается относительно большим.

Статорная часть центробежного компрессора. Статорная часть центробежного компрессора состоит из:
- входного устройства;
- диффузора;
- выходного устройства, объединенных силовым корпусом с опорами.

Входное устройство может быть с осевым направлением потока, диагональным или радиальным. Конфигурация входа определяется компоновкой двигателя на летательном аппарате (ЛА) или местом компрессора в конструктивной схеме двигателя.

Перед входом в колесо может устанавливаться ВНА с вращающимися 1 (см. рис. 2.4.24) или неподвижными лопатками, аналогичными статорным лопаткам осевых компрессоров.

Организация диффузорного перехода. В диффузоре происходит торможение закрученного потока воздуха, выходящего из рабочего колеса (РК). Диффузор обычно состоит из безлопаточного и лопаточного (безлопаточный диффузор может отсутствовать) диффузоров.

Лопаточный диффузор — это один или два ряда лопаток, закрепленных между стенками. Лопатки нередко изготовляют вместе с одной из стенок диффузора отливкой или фрезерованием. Расстояние между стенками постоянно или увеличивается по радиусу, что позволяет несколько уменьшить радиальные размеры компрессора.

Выходные устройства и корпус. Выходное устройство в случае выпуска воздуха в камеру сгорания изменяет направление течения воздуха от радиального на осевое и может содержать лопатки, которыми устраняется остающаяся за радиальным лопаточным диффузором закрутка потока. В соответствии с компоновкой двигателя выходное устройство может представлять собой кольцевой канал между двумя стенками или несколько патрубков (например, у двигателей НИН, Дервент, ВК-1).

Трубчатые диффузоры, представляющие собой установленные на выходе из колеса конические патрубки, которые не только затормаживают поток, но и выпускают его в нужном направлении, являются аэродинамически эффективными.

Выходные устройства компрессоров вспомогательных силовых установок часто выполняют в виде «улитки» 2 — изогнутого расширяющегося газосборного патрубка, к которому удобно подсоединить отводящий трубопровод (см. рис. 2.4.24).

Корпус центробежного компрессора обычно входит в силовую схему двигателя и испытывает в связи с этим значительные нагрузки. Кроме того, он нагружен внутренним давлением. Жесткость корпуса обеспечивается ребрами, перемычками и др., поскольку сложная его конфигурация может приводить при высоких нагрузках к недопустимым деформациям.