К определению подогрева воздуха, транспортируемого через полости ротора осевого компрессора

ТЕОРИЯ АВИАЦИОННЫХ И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 

УДК 621.438:536.24 

Н. Н. САЛОВ,

докт. техн. наук 
(СГТУ, Севастополь)

 К определению подогрева воздуха, транспортируемого 
через полости ротора осевого компрессора 

Экспериментально изучено температурное состояние потока охлаждающего воздуха при его 
транспортировке через внутренние полости осевых компрессоров ГТД с учетом изменения 
температуры в месте отбора в зависимости от режима работы двигателя. 

На 
переменных 
режимах 
работы 
двигателя 
температура воздуха, отбираемого для охлаждения, 
меняется в диапазоне от 50 °С на режиме малого газа до 
250 
°С 
на 
номинальном 
режиме. 
Дальнейшая 
транспортировка 
охлаждающего 
воздуха 
через 
внутренние полости барабанно-дисковой конструкции 
роторов 
осевых 
компрессоров 
сопровождается 
подогревом, зависящим от интенсивности теплоотдачи 
охлаждаемых деталей ротора. В расчетах систем 
воздушного охлаждения ГТД температуру воздуха, 
транспортируемого 
по 
охлаждаемому 
тракту 
компрессора, 
принято 
определять 
методом 
последовательных 
приближений 
со 
сведением 
теплового баланса на каждом рассчитываемом участке. 
Отсутствие практических рекомендаций по расчету 
коэффициентов теплоотдачи деталей охлаждаемого 
тракта 
приводит 
к 
определенным 
погрешностям 
температуры охладителя [1]. 

В 
данной 
работе 
излагаются 
результаты 
экспериментальных 
исследований 
температурного 
состояния отбираемого на охлаждение ГТД воздуха при 
транспортировке 
его 
через 
внутренние 
полости 
барабанно-дисковой 
конструкции 
роторов 
осевых 
компрессоров. 

Рабочий 
участок 
экспериментального 
стенда 
представляет модель пятиступенчатого ротора осевого 
компрессора барабанно-дисковой конструкции с соосно 
расположенным 
центральным 
валом. 
Общий 
вид 
рабочего участка показан на рис. 1. Ротор рабочего 
участка состоит из барабана 2 и двух полувалов (1 и 10), 
соединенных между собой болтами. Внутри, по 

образующей барабана 2, расположен слой изоляции из 
асботкани толщиной 4 мм. На асботкань уложен 
электронагреватель 5, изготовленный из нержавеющей 
стальной ленты толщиной 0,6 мм. Питание к шинам 
электронагревателя подводится от клемм генератора 
постоянного тока мощностью 9 кВт при напряжении 12 
вольт, через скользящие контакты с помощью меднографитовых щеток 9. В рабочем участке установлены 
пять дисков 3 и шесть проставочных колец 4. Диски и 
проставочные 
кольца 
изолированы 
от 
электронагревателя тонким слоем стеклоткани. Диски 
имеют 
центральные 
отверстия 
с 
утолщениями, 
характерные для дисков осевых компрессоров ГТД. В 
первых трех дисках диаметры центральных отверстий 
уменьшаются по течению охлаждающего воздуха, 
образуя ступенчатое расположение дисков в роторе 
рабочего участка. Центральный вал 8 и ротор рабочего 
участка 
приводятся 
во 
вращение 
независимыми 
электродвигателями постоянного тока мощностью 4,5  
и 13,5 кВт соответственно, управление которыми 
осуществляется 
электромашинными 
усилителями. 
Охлаждающий сжатый воздух от высоконапорной 
воздуходувки через воздухоподводящий сальник 11 
прокачивается вдоль оси ротора рабочего участка через 
кольцевые зазоры, образованные ступицами дисков 
ротора и центральным валом, и удаляется через 
отверстия в валу ротора. 

В целях снижения тепловых потерь ротор рабочего 
участка закрыт неподвижным кожухом 7, внутри 
которого 
установлен 
компенсационный 
кольцевой 
электронагреватель 6. Смещением компенсационного 

Рис. 1. Общий вид рабочего участка:  
1 – полувал левый; 2 – барабан; 3 – диски; 4 – 
проставочные 
кольца; 
5 
– 
внутренний 
электронагреватель; 
6 
– 
компенсационный 
электронагреватель; 7 – защитный кожух; 8 – 
центральный вал; 9 – медно-графитовые щетки; 
10 – полувал правый; 11 – воздухоподводящий  

сальник 

ISSN 0579-2975. Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. №1 

 
63

электронагревателя достигнуто возрастание температур 
проставочных 
колец 
ротора 
рабочего 
участка, 
пропорциональное 
росту 
температур 
воздуха 
в 
проточной части натурного ротора осевого компрессора 
ГТД. Увеличение температуры воздуха на входе в 
рабочий участок достигалось подмешиванием горячего 
воздуха, выходящего из рабочего участка. В опытах 
температура и расход воздуха устанавливались с 
помощью двух задвижек, изменяющих поперечное 
сечение выхлопного и всасывающего трубопроводов. 

Температура воздуха на входе в рабочий участок и 
температуры поверхностей проставочных колец ротора 
измерялись 
термопарами 
типа 
хромель-алюмель. 
Измерить термопарами среднюю температуру воздуха в 
кольцевом канале между ступицей диска и центральным 
валом 
не 
представилось 
возможным 
из-за 
неравномерного 
перемешивания 
горячего 
воздуха, 
вытекающего из полости, с осевым потоком охладителя 
[2, 
3]. 
В 
наших 
опытах 
показания 
термопар, 
измеряющих температуру охладителя под ступицами 
первых дисков, были занижены до 5 °С по сравнению с 
расчетной 
температурой 
охладителя, 
а 
термопар, 
измеряющих температуру под ступицами последних 
дисков, – завышены до 15 °С. Это объясняется тем, что 
головки 
термопар 
в 
первом 
случае 
омывались 
преимущественно осевым потоком охладителя, во 
втором случае – вытекающим из полости горячим слоем 
охладителя. 
В 
связи 
с 
этим 
количество 
тепла, 
отбираемое воздухом из полостей ротора, определялось 
по мощности внутреннего электронагревателя, так как 
тепловые потери были полностью компенсированы 
наружным 
электронагревателем. 
Внутренний 
нагреватель разбивался на расчетные участки, ширина 
которых 
принималась 
равной 
расстоянию 
между 
осевыми линиями дисков, ограничивающих полость 
ротора. Средняя температура охладителя в кольцевом 
канале на выходе из полости рассчитывалась по 
формуле 

вх.к.к
вых
t
Vc
Q
t
p
+
ρ
=
, 
(1) 

где tвх.к.к – средняя температура охладителя в кольцевом 
канале на входе в исследуемую полость; Q – количество 
тепла, 
выделяемое 
электронагревателем 
на 
рассчитываемом участке; ρ – плотность воздуха; cp – 
теплоемкость воздуха; V – объемный расход охладителя. 
За определяющую температуру принималась температура 
воздуха на входе в исследуемую полость. 

Обобщение 
результатов 
экспериментальных 
исследований выполнено в зависимости от степени 
повышения давления воздуха в той ступени проточной 
части компрессора, под которой находится кольцевой 
канал, в котором исследуется температурное состояние 
потока охлаждающего воздуха [4]. Такой подход к 
обработке опытных данных позволяет получить более 
удобные расчетные зависимости, так как степень 
повышения давления воздуха в ступенях компрессора 

известна из газодинамического расчета двигателя. В 
результате 
зависимость 
для 
расчета 
средней 
температуры 
потока 
охлаждающего 
воздуха 
в 
кольцевом канале на выходе из исследуемой полости 
для роторов с дисками, в которых цент- 

 

Рис. 2. Изменение температуры охлаждающего воздуха 
при течении через внутренние полости ротора осевого 
компрессора: –––––– – Re = 104; –– –– –– – 15⋅103;  
–– - –– - ––2 ⋅104; –– ' –– ' ––– 25⋅103; –– " –– " ––– – 3⋅104;  
I – температура сжатого воздуха в проточной части  
                          осевого компрессора 

ральные 
отверстия 
выполнены 
с 
одинаковыми 
размерами, имеет вид 

9025
0
684
1
,

вх

вх
,

вх

вх
вых
−

⎟⎟
⎠

⎞
⎜⎜
⎝

⎛ ′
π
=
′
′
−
t
t
C
t
t
t
k
, 
(2) 

где 
 
 при Re ≥ 16 126;  
(3) 
5275
0
205
2
,
Re
,
−
=
С

 
 при Re ≤ 16 126;  
(4) 
7972
0
07
30
,
Re
,
−
=
С

Re = Wdэкв/ν; tвых – средняя температура потока 
охлаждающего воздуха на выходе из исследуемой 
полости; tвх – температура воздуха в месте отбора на 
режиме малого газа; 
вх
t′  – температура воздуха в месте 

отбора на остальных режимах работы двигателя; 
 – 
степень повышения давления воздуха в ступени 
компрессора 
проточной 
части 
над 
исследуемой 
полостью; W – среднемассовая скорость в кольцевом 
канале; d

k
π

экв – эквивалентный диаметр кольцевого канала; ν 
– коэффициент кинематической вязкости воздуха. 

При работе двигателя на режиме малого газа 

вх
вх
t
t
′
=
. 
Изменение 
температуры 
охлаждающего 
воздуха в сечении кольцевого канала в зависимости от 
степени повышения давления воздуха в проточной 
части компрессора, температуры и расхода охладителя в 
месте отбора показано на рис. 2. Как видно из рисунка, 

ISSN 0579-2975. Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. №1 

 64 

при 
течении 
через 
внутренние 
полости 
ротора 
температура 
охлаждающего 
воздуха 
возрастает, 
приближаясь 
к 
температуре 
сжатого 
воздуха 
в 
проточной части компрессора. При 
 их разность не 

превышает 10 °С и в дальнейшем остается постоянной, 
указывая на исчерпывание хладозапаса охлаждающим 
воздухом. Величина 
, ограничивающая расчеты по 

формуле (2), определится по уравнению 

пер
k
π

пер
k
π

 
, 
(5) 
k
k
C Re
пер
1
=
π

где 

928
0

1
50
094
1

,
вх
,

−
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
C
, если 
66
2
50
,
вх ≤
′t
;  
(6) 

333
3

1
50
216
11

,
вх
,

−
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
C
, если
66
2
50
,
вх ≥
′t
;  
(7) 

162
0

50
4092
0

,
вх
,
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
k
 при 
50
2
50
,
вх ≤
′t
;  
(8) 

445
0

50
3177
0

,
вх
,
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
k
 при 
50
2
50
,
вх ≥
′t
.  
(9) 

Расчет средней температуры потока охлаждающего 
воздуха 
в 
кольцевом 
канале 
при 
пер
k
k
π
≥
π
 

производится по формуле 

n
k
C
t
t
t
π
=
′
′
−
2
вх

вх
вых
, 
(10) 

где при 1 ≤ 50

вх
t′
≤ 2,8 

196
0

50
4365
0

,
вх
,
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
n
,  
(11) 

5
1

2
50
01
2

,
вх
,

−
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
С
; 
(12) 

при 50

вх
t′
≥ 2,8 

845
0

50
22
0

,
вх
,
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
n
,  
(13) 

725
3

2
50
08
20

,
вх
,

−
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝

⎛ ′
=
t
С
.  
(14) 

При ступенчатом расположении дисков в роторе 
температура охлаждающего воздуха в кольцевом канале 
рассчитывается по формуле 

вх

,

вх

вх
,
вх
вых
Re
t
t
t
С
t
t
k
′
+
⎟⎟
⎠

⎞
⎜⎜
⎝

⎛ ′
π
′
=

−
−
956
0
06
1
3
, 
(15) 

где 
 
С3 = аzm, 
(16) 

z 
– 
порядковый 
номер 
диска 
ротора 
осевого 
компрессора. Коэффициент а и показатель степени m 
даны в таблице. 

z 
а 
m 

1–3 
530 
1,019 

4–8 
957 
0,525 

8–15 
1395 
0,344 

15–30 
2027 
0,206 

Предлагаемый 
метод 
оценки 
температурного 
состояния охлаждающего воздуха, транспортируемого 
через полости роторов осевых компрессоров, позволяет 
существенно сократить время по сравнению  
с 
традиционными 
способами 
расчета 
систем 
охлаждения ГТД. 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Расчетные и экспериментальные методы определения 
теплового состояния основных узлов газовых турбин  
с воздушным охлаждением: Руководящие указания. Л: 1972. 
Вып. 29. Т. 2. Методы теплового расчета систем воздушного 
охлаждения газовых турбин. 224 с. 

2. Салов Н.Н., Александрова Л.В., Бубенцов В.М., Химченко 
Е.С. 
Исследование 
режимов 
течения 
в 
радиальном 
вращающемся канале при прокачке теплоносителя вдоль оси 
вращения //Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах 
газотурбинных двигателей / Казан. авиац. ин-т. Казань, 1989. 
С. 104–106. 

3. 
Салов 
Н.Н., 
Бубенцов 
В.М., 
Ишаков 
А.Н. 
Экспериментальное исследование теплоотдачи диска во 
вращающейся полости с осевым течением теплоносителя // 
Охлаждаемые газовые турбины и энергетические установки / 
Казан. авиац. ин-т. Казань, 1991. С. 37–40. 

4. 
Салов 
Н.Н. 
К 
обобщению 
экспериментальных 
исследований теплообмена в полостях роторов осевых 
компрессоров ГТД // Тр. 2-й Рос. нац. конф. по теплообмену / 
Москов. энергетич. ин-т. М., 1998. 

Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 
22.01.99 
 

Determination of Heating Air Being Transported Through Rotor Cavities 
of the Axial-Flow Compressor 

N.N. SALOV 

ISSN 0579-2975. Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. №1 

 
65

9 А1 

We study experimentally the temperature state of cooling air stream when it is transported 
through internal cavities of GTE axial-flow compressors taking into account temperature 
variation at the extraction site depending on the engine operation conditions. 

ISSN 0579-2975. Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. №1 

 2