Сокращение количества ступеней на примере двигателя НК-25

Требуется сократить количество ступеней в газогенераторе двигателя НК-25, сохранив при этом характеристики, габариты двигателя и не потерять в КПД ступеней.

Для решения данной задачи был выполнен газодинамический расчет двигателя  НК-25  в программе Excel, из которого мы получили диаметральные значения втулочных и периферийных сечений на входе и выходе из каждого каскада, число ступеней и КПД по диаграмме Смита для каждого каскада.

Одним из возможных способов сокращения количества ступеней – изменение формы проточной части, что повлечет за собой изменение её среднего диаметра.

Есть три вида форм: при постоянном втулочном диаметре (ПВД), постоянном периферийном диаметре (ППД) и постоянном среднем диаметре (ПСД).

В нашем двигателе турбина не вызывает желания ее как-то изменить, так как она, на наш взгляд, имеет наилучшую форму и место положения. Что касается компрессора, в частности СД и ВД, то здесь мы и будем проводить изменения, количество ступеней явно можно сократить. Компрессор НД тоже, как и турбину, трогать не будем, так как это повлечет за собой увеличение габаритов двигателя.

Для проведение манипуляций с формой проточной части зададим окружную скорость формулой, зависящей от диаметра:

D_ср ⋅ π ⋅ n

.

Затем проанализируем форму проточной части для компрессора СД и ВД. ПВД позволяет сохранить максимальную высоту лопатки в сечении на выходе, что благоприятно скажется на потерях из-за пограничного слоя (минимизируется относительно ядра), однако окружная скорость в таком случае будет ниже. ППД позволяет добиться большей окружной скорости из-за увеличения среднего диаметра, что приведет к уменьшению количества ступеней. ПСД сочетает в себе достоинства обоих предыдущих вариантов, однако, они не столь ярко выражены. Вернемся к нашему двигателю. Для компрессора СД выберем вариант ППД. Однако сделать ППД равным максимальному периферийному диаметру в прототипе не получится из-за нехватки места на последних ступенях. Разместим на необходимую величину ближе к оси вращения двигателя и в конечно итоге количество ступеней теперь сократилось с 5 до 4. Для компрессора ВД подойдет ПВД, однако для того, чтобы переход от СД к ВД не был таким крутым, и мы не потеряли в уменьшение количества ступеней, мы разнесем

КВД дальше от оси вращения двигателя. Количество ступеней сократилось с 7 до 6.

Рисунок 1 — Газодинамический расчет двигателя НК-25 с сокращенным количеством ступеней

Рисунок 2 — Диаграмма Смита для ступени компрессора

Рисунок 3 - Полученная форма проточной части всех каскадов, наложенная на продольный разрез двигателя

В данной работе, изменяя форму проточной части КСД и КВД, мы сократили количество ступеней у КСД с 5 до 4, а у КВД с 7 до 6, при этом все характеристики и габариты двигателя НК-25, а также КПД ступеней сохранились.