Осевой компрессор принцип работы: Лопастной компрессор — Википедия – Принцип работы осевого компрессора

Лопастной компрессор — Википедия

Лопастной компрессор — это разновидность компрессоров, предназначенная для повышения давления рабочего тела за счёт взаимодействия последнего с подвижными и неподвижными лопаточными решётками компрессора. Принцип действия лопаточных компрессоров — увеличение полного давления рабочего тела за счёт преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием её во внутреннюю энергию.

Рисунок, иллюстрирующий работу осевого компрессора Отдельно взятая ступень компрессора.

В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило воздуха, движется условно вдоль оси вращения ротора компрессора.

Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решёток ротора, состоящих из лопаток, закреплённых на валу и именуемых рабочими колёсами (РК), и неподвижных лопаточных решёток статора и именуемых

направляющими аппаратами (НА). Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата, именуется ступенью.

Треугольники скоростей рабочего колеса иллюстрирующие сложное движение частиц воздуха. Видна диффузорность межлопаточного канала.

Пространство между соседними лопатками как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате именуется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате диффузорный, то есть расширяющийся. Межлопаточный канал является расширяющимся, когда диаметр окружностей, вписанных в этот канал, увеличивается при вписывании этих окружностей от передней кромки к задней.

При прохождении через рабочее колесо воздух участвует в сложном движении.

Где абсолютное движение — движение частиц воздуха относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой u).

Относительное движение — движение частиц воздуха относительно лопаток рабочего колеса. (На рисунке обозначено буквой w).

Переносное движение — вращение рабочего колеса относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой U).

Таким образом, когда частицы воздуха попадают в рабочее колесо со скоростью, обозначенной на рисунке вектором w1, лопатки воздействуют на частицы воздуха, придавая им переносную скорость, обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха в этот момент обозначена вектором u1.

При прохождении через рабочее колесо за счёт диффузорности межлопаточного канала происходит уменьшение модуля относительной скорости на выходе из рабочего колеса

w2, за счёт кривизны межлопаточного канала происходит изменение направления вектора переносной скорости на выходе из рабочего колеса w2. На выходе из рабочего колеса на частицы воздуха продолжают действовать лопатки, придавая им переносную скорость, обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха в этот момент обозначена вектором u2, который изменяет направление и увеличивается по модулю. Таким образом в рабочем колесе происходит рост полного давления воздуха.

После рабочего колеса воздух попадает в направляющий аппарат. За счёт диффузорности межлопаточного канала происходит торможение потока, что приводит к росту статического давления. Кривизна межлопаточного канала приводит к повороту потока для получения более эффективного угла входа потока воздуха в следующее рабочее колесо.

Таким образом, ступень за ступенью, происходит повышение давления воздуха. Скорость потока в рабочем колесе растёт, в направляющем аппарате — падает. Но ступени компрессора и весь компрессор проектируют таким образом, чтобы скорость потока уменьшалась. При прохождении воздуха через компрессор растёт и его температура, что является не задачей компрессора, а отрицательным побочным эффектом. Перед входом в первое рабочее колесо может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА) который производит предварительный поворот потока воздуха на входе в компрессор.

Двухкаскадный осевой компрессор двигателя Rolls-Royce RB 199.

Довольно высокая степень газодинамической инертности лопастных компрессоров является причиной того, что компрессор довольно медленно набирает обороты, обладает низкой приёмистостью. Лопастные компрессоры, как правило, приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, таким образом, смена режимов работы таких турбокомпрессоров занимает довольно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады: компрессор низкого давления со своей отдельной турбиной устанавливается на валу, пропущенном через полый вал следующего за ним компрессора высокого давления и его турбины, – такие двигатели называют двухвальными. Данное решение улучшило работу компрессоров на переходных режимах, а также повысило их газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости осевых компрессоров стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя.

Сверхзвуковые компрессоры. Частота вращения роторов современных компрессоров достигает десятков тысяч оборотов в минуту. Переносная скорость частицы воздуха в РК (U) зависит от радиуса вращения этой частицы относительно продольной оси двигателя. При достаточно длинном пере лопатки переносная скорость вырастает настолько, что абсолютная скорость движения частицы воздуха становится сверхзвуковой. В данной ситуации компрессор именуют сверхзвуковым, или же ступень компрессора именуют сверхзвуковой, если такая ситуация возникает в определённой ступени компрессора.

Препарированный ТРД General Electric J-31 с радиальным центробежным компрессором.
Схематическое изображение центробежного реактивного рабочего колеса.

Принцип действия центробежного компрессора в общем сопоставим с принципом действия осевого компрессора, но с одним существенным различием: в центробежном компрессоре поток воздуха входит в рабочее колесо вдоль оси двигателя, а в рабочем колесе происходит поворот потока в радиальном направлении. Таким образом, в рабочем колесе за счёт центробежной силы создаётся дополнительный рост полного давления. То есть частицы рабочего тела получают дополнительную кинетическую энергию.

Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. Межлопаточный канал в центробежном рабочем колесе, так же, как и в осевом — диффузорный. По типу используемых лопаток рабочие колеса квалифицируются на радиальные (профиль лопатки ровный) и реактивные (профиль лопатки изогнутый). Реактивные рабочие колеса обладают более высокими КПД и степенью сжатия, но сложнее в изготовлении, и, как следствие — дороже. Поток газа попадает в рабочее колесо центробежного компрессора, где частицам газа передаётся кинетическая энергия вращающегося колеса, диффузорный межлопаточный канал производит торможение движения частиц газа относительно вращающегося колеса, центробежная сила придаёт дополнительную кинетическую энергию частицам рабочего тела и направляет их в радиальном направлении. После выхода из рабочего колеса частицы рабочего тела попадают в диффузор, где происходит их последующее торможение, с преобразованием их кинетической энергии во внутреннюю.

Для центробежных компрессоров справедливо следующее уравнение[1]

Ws=u2Cθ2−u2Cθ1{\displaystyle W_{s}=u_{2}C_{\theta 2}-u_{2}C_{\theta 1}\,}

где

  • Ws — входная мощность на валу,
  • u — скорость конца лопастей,
  • Cθ — касательные составляющие скоростей жидкости, отрывающейся от лопастей, в положениях 1 и 2, входная и выходная, соответственно.

Краткое сравнение осевых и центробежных компрессоров[править | править код]

ТРД с осевым компрессором. {\displaystyle W_{s}=u_{2}C_{\theta 2}-u_{2}C_{\theta 1}\,} ТРД с центробежным компрессором

1. По степени сжатия (повышения давления) в ступени. Большую степень повышения давления обеспечивают ступени центробежных компрессоров.

2. По реализации многоступенчатости. Многократный поворот воздушного потока в центробежном компрессоре приводит к сложности реализации многоступенчатости в нём.

3. По габаритам. Центробежные компрессоры, как правило, обладают довольно большим диаметром рабочего колеса. Многоступенчатые осевые компрессоры — обладают меньшим диаметром, но длиннее в осевом направлении.

Осевые компрессоры, в основном, используются в самолётных и вертолётных воздушно-реактивных двигателях (ВРД). Центробежные в наземных газотурбинных двигателях (ГТД) и силовых установках, а также в различных газоперекачивающих системах, системах вентиляции, всевозможных нагнетателях газа или воздуха.

  1. Frank Kreith. The CRC handbook of thermal engineering (неопр.). — CRC Press, 2000. — С. 4‑229. — ISBN 9780849395819.
  • Воронецкий А.В. Современные компрессорные станции (Концепции, проекты, оборудование). — М.: ООО «Премиум Инжиниринг», 2008. — 614 с. — ISBN 978-5-903363-09-4.

Принцип работы осевого компрессора

Работа осевого компрессора основывается на том же принципе, что и центробежного – он преобразовывает кинетическую энергию в энергию давления (потенциальную). Однако способ преобразования другой.

Осевой компрессор, показанный на рис. 3.2, состоит из нескольких рядов вращающихся (роторных) лопаток аэродинамической формы, перемежающихся рядами неподвижных (статорных) диффузорных лопаток, также имеющих аэродинамический профиль.

Ступень состоит из одного ряда роторных лопаток, закрепленных на дисках барабана ротора, и следующего ряда статорных лопаток, закрепленных на внешнем корпусе компрессора.

У ротора и статора межлопаточное пространство формирует расширяющиеся каналы.

Турбина вращает с высокой постоянной скоростью ротор компрессора, происходит преобразование добавочной механической энергии в кинетическую (скорость) и потенциальную (давление).

В статоре давление увеличивается за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную. Этот процесс показан на рис. 3.2.

Простыми словами, ступень ротора выполняет ту же работу, что и крыльчатка центробежного компрессора, а статорную ступень можно сравнить с диффузором центробежного компрессора. Степень повышения давления в каждой отдельной ступени весьма мала: от 1,1 до 1,2:1. Это означает, что первая ступень может повысить давление только на 3 psi. Вследствие этого, для получения высоких степеней сжатия, требуемых для современных авиационных двигателей, в одном каскаде могут использоваться много ступеней (рис. 3.3), и двигателей может иметь до трех каскадов. Этот метод весьма эффективен, например, в двигателе RB 211 можно получить степени повышения давления до 35:1. У данного двигателя величина повышения давления в последней ступени может достигать 80psi. Высокие давления могут приводить к повышению температуры на выходе компрессора до 600°C.



 

Рис. 3.2. Изменения давления и скорости по тракту осевого компрессора

В настоящее время в некоторых двигателях применяется комбинация осевого и центробежного компрессора.

Рис. 3.3. Однокаскадный компрессор

 

Поддержание осевой скорости воздушного потока

Пространство между барабаном ротора и внешним корпусом компрессора называется кольцевым воздушным каналом. Для поддержания осевой скорости воздуха при сжатии до меньшего объема кольцевой канал должен сужаться.

Это постепенное сужение получается с помощью придания конической формы либо внешнему корпусу компрессора, либо барабану ротора, а в некоторых случаях и комбинации этих методов. Это показано на рис. 3.3.

 

Управление расходом воздуха

Увеличение степени повышения давления компрессора прогрессивно усложняет обеспечение его эффективной работы во всем диапазоне частот. Это обусловлено фактом, что степень повышения давления в двигателе падает при падении частоты вращения компрессора. Поэтому при замедлении двигателя, объем поглощаемого воздуха увеличивается, т.к. он не сжимается с прежней силой.

Увеличенный объем воздуха в секции КВД осложняет его прохождение через доступное пространство, скорость потока снижается, и в некоторых случаях может вызвать запирание и турбулентность.

Такое снижение скорости происходит по всей длине компрессора и может вызвать феномен под названием срыв потока, который, в случае несвоевременного выявления, может усугубиться и перерасти в помпаж, ситуацию, когда, в худшем случае, поток воздуха в двигателе мгновенно меняет направление на обратное.

 

Срыв потока

 

Угол атаки лопатки компрессора складывается из осевой скорости воздуха, огибающего лопатку, и скорости ее вращения.

Эти две скорости складываются и образуют вектор, который дает фактический угол атаки воздушного потока на лопатке.

Срыв потока компрессора можно описать как дисбаланс между двумя скоростями, который может произойти по разным причинам, ниже перечислены некоторые из них:

a) Чрезмерный расход топлива, вызванный резким разгоном двигателя (осевая скорость понижается из-за увеличения обратного давления в камере сгорания).

b) Работа двигателя выше или ниже расчетных параметров RPM (увеличение или уменьшение скорости вращения лопатки компрессора).

c) Турбулентность или нарушение воздушного потока в воздухозаборнике (уменьшается осевая скорость).

d) Загрязненные или поврежденные компоненты компрессора (снижение осевой скорости из-за снижения степени повышения давления).

e) Загрязненная или поврежденная турбина (потеря мощности на привод компрессора вызывает снижение осевой скорости из-за снижения степени повышения давления).

f) Слишком бедная топливно-воздушная смесь из-за резкого замедления двигателя (осевая скорость увеличивается из-за уменьшения обратного давления в камере сгорания).

 

Любое из перечисленных выше условий может привести к срыву потока в компрессоре, а когда это произойдет, возникнет частичное обрушение воздушного потока в двигателе.

Индикаторами срыва потока в компрессоре является увеличение уровня вибрации двигателя и повышение температуры выхлопных газов (EGT).

Последний эффект (увеличение EGT) вызывает факт уменьшения поступления воздуха в камеры сгорания, соответственно, уменьшение количество воздуха на охлаждение продуктов сгорания, выхлопных газов.

Срыв потока компрессора является прогрессирующим феноменом, и теоретически может начаться на одной лопатке, ухудшая работу всей ступени, а затем, если не принять своевременных мер по локализации, охватывает весь двигатель.

 

Помпаж

Прогрессивное ухудшение ситуации приведет к полному обрушению потока в двигателе, называемому помпаж. В некоторых случаях это может вызвать мгновенное реверсирование газов в двигателе с вырыванием воздуха из воздухозаборника, сопровождаемым громким хлопком. При возникновении помпажа дроссель соответствующего двигателя нужно закрывать медленно.

Такую ситуацию наиболее часто вызывают неисправности или недостатки обслуживания топливной системы, а в чрезвычайных ситуациях могут прикладываться настолько высокие изгибные нагрузки на лопатки ротора компрессора, что они входят в зацепление с лопатками статора с потенциальными катастрофическими последствиями.

Помимо громкого шума, обычно сопровождающего помпаж, существует большой рост EGT, а результирующая потеря тяги может вызвать рыскание самолета.

 


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Устройство и принцип действия осевого компрессора

Осевые компрессоры нашли распространение в ГТУ благодаря возможности получения большой подачи.

На Рис.32 представлена конструкция осевого компрессора.

Рис. 32. Схема осевого компрессора

1 — передний обтекатель; 2 — воздухозаборник; 3 — передняя силовая стойка; 4 — входной направляющий аппарат; 5 — рабочая лопатка первой ступени; 6 — направляющая лопатка первой ступени; 7 — секция ротораж; 8 — стяжной болт; 9 — выходной спрямляющий аппарат; 10 — задняя силовая стойка; 11 — диффузор;

12 — опорный подшипник; 13 — опорно-упорный подшипник.

Аэродинамический тракт компрессора состоит из входного уст­ройства, проточной части и выходного устройства. Ряд рабочих лопа­ток и расположенный за ним ряд направляющих лопаток образуют ступень. Совокупность всех ступеней называется проточной частью компрессора.

При вращении ротора воздух в рабочих лопатках движется с большой относительной скоростью, постепенно тормозится, при этом в результате уменьшения относительной скорости давление его повышается. В направляющих лопатках торможение воздуха продолжается, вместе с тем давление его повышается. Таким образом, в компрессоре происходит процесс превращения механической энергии вращения ротора сначала в кинетическую, а затем в потенциальную энергию сжатого воздуха. Этот процесс заканчивается в диффузоре 11.

Входное устройство предназначено для обеспечения заданных условий входа потока на рабочие лопатки первой ступени. В его со­став входит воздухозаборник, передний обтекатель, силовые стойки, входной направляющий аппарат.

Выходное устройство предназначено для придания потоку требуемого направления и для дальнейшего повышения давления за счет уменьшения скорости потока. В его состав входят спрямляющий аппарат, силовые стойки и выходной кольцевой диффузор.

В компрессорах тяжелых ГТД входной патрубок выполняется в виде улитки. Подобным же образом выполнен выходной патрубок в установках с регенерацией.

В процессе взаимодействия вращающихся рабочих лопаток с потоком воздуха часть механической энергии расходуется на повыше­ние давления воздуха, а часть — на увеличение его кинетической энергии. В направляющем аппарате происходит дальнейшее повышение давления за счет уменьшения кинетической энергии потока.

Устройство и принцип действия центробежного компрессора

Воздух, заполняющий пространство между рабочими лопатками, вовлекается во вращательное движение и под действием центробежной силы перемещается от центра к периферии колеса.

Конструктивная схема центробежного компрессора приведена на Рис. 33, там же даны наименования основных элементов.

При движении воздуха к периферии колеса повышается его давление и кинематическая энергия, которая в значительной мере преобразуется в потенциальный в лопаточном диффузоре. Между рабочим колесом и лопаточным диффузором расположен безлопаточный диффузор, служащий главным образом для выравнивания поля скоростей потока. Чтобы обеспечивался безударный вход потока на рабочие лопатки, их входные кромки изогнуты в сторону вращения. Загнутые, концы лопаток называют воздухозаборником или вращающимся направляющим аппаратом.

Рис. 33. Конструктивная схема центробежного компрессора

1 — вал компрессора; 2 — рабочие лопатки; 3 — диск; 4 — входное устройство; 5 — корпус;

6 — лопаточные диффузоры; 7 — безлопаточный диффузор; 8 — выходной патрубок;

9 — входные кромки рабочих лопаток.

После рабочего колеса воздух поступает в диффузор, который может быть как безлопаточным, так и с лопатками. Безлопаточный диффузор имеет вид кольцевой щели с параллельными или наклон­ными стенками. Лопатки раскручивают поток, уменьшая окружную составляющую его скорости значительно больше, чем в беэлопаточном диффузоре. В современных центробежных компрессорах, как правило, применяет лопаточные диффузоры. Между рабочим колесом и лопатками диффузора обычно оставляют зазор равный 20…30мм, являющийся, по существу, коротким безлопаточным диффузором, в котором происходит выравнивание потока после выхода из рабочего колеса.

Осевой компрессор — это… Что такое Осевой компрессор?

Лопаточный или лопастной компрессор — это разновидность компрессоров, предназначенная для повышения давления рабочего тела за счёт взаимодействия последнего с подвижными и неподвижными лопаточными решётками компрессора. Принцип действия лопаточных компрессоров — увеличение полного давления рабочего тела за счёт преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием ее во внутреннюю энергию.

Осевой компрессор

Рисунок иллюстрирующий работу осевого компрессора

Отдельно взятая ступень компрессора.

В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило воздуха, движется условно вдоль оси вращения ротора компрессора.

Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решёток ротора, состоящих из лопаток закреплённых на валу и именуемых рабочими колёсами (РК), и неподвижных лопаточных решёток статора и именуемых направляющими аппаратами (НА). Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата именуется ступенью.

Компрессорная лопатка
1 — передняя кромка,
2 — перо лопатки,
3 — задняя кромка,
4 — замок лопатки

Треугольники скоростей рабочего колеса иллюстрирующие сложное движение частиц воздуха. Видна диффузорность межлопаточного канала.

Пространство между соседними лопатками как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате именуется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал в как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате диффузорный, то есть расширяющийся. Межлопаточный канал является расширяющимся, когда диаметр окружностей, вписанных в этот канал увеличивается при вписывании этих окружностей от передней кромки к задней.

При прохождении через рабочее колесо, воздух участвует в сложном движении.

Где абсолютное движение — движение частиц воздуха относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой u).

Относительное движение — движение частиц воздуха относительно лопаток рабочего колеса. (На рисунке обозначено буквой w).

Переносное движение — вращение рабочего колеса относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой U).

Таким образом, когда частицы воздуха попадают в рабочее колесо со скоростью, обозначенной на рисунке вектором w1, лопатки воздействуют на частицы воздуха придавая им переносную скорость обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха, в этот момент обозначена вектором u1.

При прохождении через рабочее колесо, за счет диффузорности межлопаточного канала, происходит уменьшение модуля переносной скорости на выходе из рабочего колеса w2, за счёт кривизны межлопаточного канала происходит изменение направления вектора переносной скорости на выходе из рабочего колеса w2. На выходе из рабочего колеса на частицы воздуха продолжают действовать лопатки, придавая им переносную скорость обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха, в этот момент обозначена вектором u2, который изменяет направление и увеличивается по модулю. Таким образом в рабочем колесе происходит рост полного давления воздуха.

После рабочего колеса воздух попадает в направляющий аппарат. За счёт диффузорности межлопаточного канала происходит торможение потока, что приводит к росту статического давления. Кривизна межлопаточного канала приводит к повороту потока для получения более эффективного угла входа потока воздуха в следующее рабочее колесо.

Таким образом, ступень за ступенью, происходит повышение давления воздуха. Скорость потока в рабочем колесе растет, в направляющем аппарате — падает. Но, ступени компрессора и весь компрессор проектируют таким образом, что бы скорость потока уменьшалась. При прохождении воздуха через компрессор растет и его температура, что является не задачей компрессора а отрицательным побочным эффектом. Перед входом в первое рабочее колесо может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА) который производит предварительный поворот потока воздуха на входе в компрессор.

Двухкаскадный осевой компрессор двигателя Rolls-Royce RB 199.

Достаточно высокая степень газодинамической инертности лопастных компрессоров является причиной того, что комперссор достаточно медленно набирает обороты, обладает низкой приемистостью. Лопастные компрессоры, как правило, приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, таким образом, смена режимов работы таких турбо-компрессоров занимает достаточно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады. Часть ступеней компрессора стали крепить на одном валу, часть — на другом, каждую из частей, в этом случаи, приводит в движение своя турбина. Данное решение как улучшило работу компрессоров на переходных режимах, так и повысило их газодинамическую устойчитвость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости осевых компрессоров стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов, для изменния угла входа потока в рабочее колесо, в зависимости от режима работы двигателя.

Сверхзвуковые компрессоры. Частота вращения роторов современных компрессоров достигает десятков тысяч оборотов в минуту. Переносная скорость частицы воздуха в РК (U) зависит от радиуса вращения этой частицы относительно продольной оси двигателя. При достаточно длинном пере лопатки переносная скорость вырастает настолько, что абсолютная скорость движения частицы воздуха становится сверхзвуковой. В данной ситуации компрессор именуют сверхзвуковым, или же ступень компрессора именуют свехзвуковой, если такая ситуация возникает в определенной ступени компрессора.

Центробежный компрессор.

Препарированный ТРД General Electric J-31 с радиальным центробежным компрессором.

Схематическое изображение центробежного реактивного рабочего колеса.

Принцип действия центробежного компрессора в общем сопоставим с принципом действия осевого компрессора, но с одним существенным различием: в центробежном компрессоре поток воздуха входит в рабочее колесо вдоль оси двигателя, а в рабочем колесе происходит поворот потока в радиальном направлении. Таким образом, в рабочем колесе за счет центробежной силы создается дополнительный рост полного давления. То есть частицы рабочего тела получают дополнительную кинетическую энергию.

Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. Межлопаточный канал в центробежном рабочем колесе, так же, как и в осевом — диффузорный. По типу используемых лопаток рабочие колеса квалифицируются на радиальные (профиль лопатки ровный) и реактивные (профиль лопатки изогнутый). Реактивные рабочие колеса обладают более высокими КПД и степенью сжатия, но сложнее в изготовлении, как следствие — дороже. Поток газа попадает в рабочее колесо центробежного компрессора, где частицам газа передается кинетическая энергия вращающегося колеса,диффузорный межлопаточный канал производит торможение движения частиц газа относительно вращающегося колеса, центробежная сила придает дополнительную кинетическую энернию частицам рабочего тела и направляет их в радиальном направлении. После выхода из рабочего колеса частицы рабочего тела попадают в диффузор, где происходит их последующее торможение, с преобразованием их кинетической энергии вв внутреннюю.

Краткое сравнение осевых и центробежных компрессоров

ТРД с осевым компрессором.

ТРД с центробежным компрессором

1. По степени сжатия (повышения давления) в ступени. Большую степень повышения давления обеспечтвают ступени центробежных компрессоров.

2. По реализации многоступенчатости. Многократный поворот воздушного потока в центробежном компрессоре приводит к сложности реализации многоступенчатости в нем.

3. По габаритам. Центробежные компрессоры, как правило обладают достаточно большим диаметром рабочего колеса. Многоступеснчатые осевые компрессоры — обладают меньшим диаметром, но длинее в осевом направлении.

Осевые компрессоры, в основном, используются в самолетных и вертолетных воздушнореактивных двигателях (ВРД). Центробежные в наземных газотурбиннвых двигателях (ГТД) и силовых установках, а так же в различных газоперекачивающих системах, системах вентиляции, всевозможных нагнетателях газа или воздуха.

Wikimedia Foundation. 2010.

3.2. Схема и принцип действия ступени осевого компрессора

Осевой компрессор имеет несколько рядов лопаток, закреплннных на вращающихся дисках или барабане и образующих ротор компрессора (рис. 3.1).

Один ряд лопаток ротора (вращающийся лопаточный венец) называется рабочим колесом (РК).

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов неподвижных лопаток (лопаточных венцов), закрепленных в корпусе.

Рис. 3.1. Ротор и статор осевого компрессора

Рис. 3.2. Схема ступени

осевого компрессора

Назначением лопаток статора является спрямление воздушного потока, закрученного впереди стоящим рабочим колесом, и направление его под необходимым углом на лопатки расположенного далее следующего рабочего колеса. Соответственно этому один ряд лопаток статора называется направляющим аппаратом (НА).

Если первый ряд лопаток статора установлен впереди первого рабочего колеса, то он называется входным направляющим аппаратом (ВНА).

Пространство, заключенное между поверхностями втулки и корпуса, называется проточной частью ступени.

Сочетание одного рабочего колеса (РК) и одного стоящего за ним направляющего аппарата (НА) называется ступенью компрессора (осевой ступенью, рис. 3.2).

Будем рассматривать в дальнейшем следующие сечения проточной части ступени: 1-1 перед рабочим колесом,2-2 за рабочим колесом и3-3 за направляющим аппаратом. Параметры воздушного потока в этих сечениях будем отмечать индексами, соответствующими номеру сечения.

В каждом из этих сечений различают диаметр втулки Dвт(по основаниям лопаток) инаружный диаметр Dк (по корпусу).На рис. 3.2 эти диаметры показаны для сечения1-1.

Предположим для простоты, что все струйки воздуха, проходящие через ступень, движутся по цилиндрическим поверхностям, что обычно близко к действительности. Тогда для анализа картины течения воздуха в ступени проведем мысленно её сечение такой цилиндрической поверхностью АА, ось которой совпадает с осью РК, и развернем затем это сечение на плоскость. Тогда сечения лопаток РК и НА представятся в виде двух рядов одинаковых и одинаково расположенных профилей, образующихрешетки профилейрабочего колеса и направляющего аппарата, как показано на рис. 3.3 (где для удобства дальнейшего изложения сечения лопаток повернуты по отношению к рис. 3.2 на 90°).

Рассмотрим течение воздуха через эти решетки профилей. На входе в рабочее колесо скорость воздуха по отношению к корпусу компрессора (будем называть ее абсолютной скоростью) в общем случае может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени или установки перед колесом входным направляющим аппаратом, показанного на рис. 3.3 пунктиром. Эта скорость изображена на рис. 3.3 вектором.Вращению рабочего колеса соответствует на рис. 3.3 перемещение решетки РК справа налево сокружной скоростью .

Рис. 3.3. Схема течения воздуха в ступени осевого компрессора

Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток (относительной скорости) применим известное правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна сумме относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость лопаток, следовательно,

.

Треугольник, составленный из векторов ,и, называетсятре­угольником скоростейна входе в колесо.

Лопатки рабочего колеса захватывают поступающий к ним воздушный поток и проталкивают его дальше вдоль проточной части (вправо на рис. 3.2 и, соответственно, вниз на рис. 3.3), сообщая ему при этом энергию. Во избежание срыва потока с их поверхности лопатки РК должны быть установлены так, чтобы их передние кромки были направлены под малым углом к направлению вектора . Кроме того, для усиления передачи воздуху энергии форма (кривизна) профилей лопаток должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы уголвыхода потока из колеса2был больше угла входа1. Как видно из рис. 3.3, такая форма профилей лопаток образует между двумя соседними профилями расширяющийся канал. Поэтому течение в таком канале сопровождается увеличением площади поперечного сечения каждой струи воздуха. Соответственно относительная скорость воздуха в рабочем колесе уменьшается (W2 < W1), а давление возрастает (p2 >p1).

Такое обтекание лопаток рабочего колеса сопровождается воз­никновением на каждой лопатке аэродинамической силы , направленной от вогнутой поверхности профиля к выпуклой (см. рис. 3.3). Работа, затрачиваемая на преодоление этой силы при вращении колеса и передаваемая воздуху, идет как на увеличение абсолютной скорости (т.е. кинетической энергии) воздуха, прошедшего через колесо, так и на повышение его давления, как показано в верхней части рис. 3.2. Соответственно полный напор воздушного потока также возрастает.

Вектор абсолютной скорости потока воздуха за решеткой рабочего колеса может быть определен путем сложения уже известных векторов скоростейи, т.е. построениемтреугольника скоростей на выходе из колеса (см. рис. 3.3).Вследствие поворота потока в колесе вектор скоростиоказывается отклоненным от векторав сторону вращения колеса. Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток воздуха в обратную сторону, причем форма их подбирается обычно так, чтобы направление вектора скорости воздуха за ступеньюбыло близко к направлению вектора. При этом, как и в рабочем колесе, поворот межлопаточного канала приводит к увеличению поперечного сечения струи воздуха, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость воздуха в направляющем аппарате падает, а давление растет. Но здесь рост давления обеспечивается только за счет использования кинетической энергии воздуха. Полный напор воздушного потока в направляющем аппарате уже не растет, а несколько уменьшается из-за влияния гидравлических потерь.

Таким образом, течение воздуха через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости воздуха в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Показанные на рис. 3.3 треугольники скоростей в сечениях 1-1н2-2обычно совмещают на одном чертеже, называемомтреугольником скоростей ступени.В общем случае он имеет вид, показанный на рис. 3.4. Здесь же указаны те обозначения, которые будут использованы в дальнейшем.

При построении треугольника скоростей ступени надо учитывать, что величина составляющей скорости воздуха в направлении оси компрессора (осевая составляющая) при прохождении воздуха через колесо в общем случае может изменяться. Вследствие увеличения давления в колесе плотность воздуха на выходе из него оказывается больше, чем на входе, и поэтому при постоянной высоте лопаток осевая составляющая скорости воздуха соответственно уменьшается. Но обычно ступень выполняют таким образом, что высота лопаток к выходу из нее уменьшается. В этом случае осевая составляющая скорости воздуха может как уменьшаться, так и увеличиваться, в зависимости от соотношения изменения плотности воздуха и площади поперечного сечения воздушного тракта ступени. В расчетных условиях работы ступени обычно имеет место некоторое уменьшение осевой составляющей скорости воздуха в колесе и в ступени в целом.

Рис. 3.4. Треугольники скоростей ступени осевого компрессора

На рис. 3.4c1uокружная составляющая абсолютной скорости воздуха перед колесом (предварительная закрутка). Очевидно,. Если1 < 90°, т.е. предварительная закрутка направлена в сторону вращения колеса, то она считаетсяположительной.Случай1 > 90° соответствуетотрицательнойзакрутке. Если1 = 90°, то векторнаправлен параллельно оси вращения колеса, предварительная закрутка отсутствует и ступень в этом случае называетсяступенью с осевым входом.Величина, т.е. разность окружных составляющих относительных скоростей воздуха перед и за колесом, называетсязакруткой воздуха в рабочем колесе в относительном движении, азакруткой воздуха в РК в абсолютном движении.Если, то.

2. Осевые компрессоры. Общее устройство и принцип действия.

В ТРД сжатие или расширение газов осуществляется в лопаточных машинах, в которых происходит передача механической энергии от вращающихся лопаточных венцов газовому потоку или, наоборот, от потока лопаточным венцам.

Основными принципиальными элементами устройства осевого компрессора являются расположенные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток. Каждый венец вращающихся лопаток образует так называемое рабочее колесо (РК), а каждый венец неподвижных лопаток – спрямляющий аппарат (СА). Каждая пара рабочего колеса и спрямляющего аппарата представляет собой ступень компрессора, т.е. секцию, в которой полностью реализуется его принцип действия с соответствующим повышением давления.

При допустимом уровне гидравлических потерь возможное повышение давления в одной ступени относительно невелико, поэтому осевые компрессоры всегда выполняются многоступенчатыми.

Благодаря сжатию воздуха плотность его в каждой ступени возрастает и при неизменном массовом расходе объемный расход воздуха падает. Поскольку осевая скорость движения воздуха в компрессоре изменяется несильно, то это приводит к необходимости уменьшения проходных сечений, поэтому высота лопаток по ходу движения воздуха сокращается.

Для придания воздуху нужного направления движения при поступлении его в первую ступень компрессора перед ней располагают входной направляющий аппарат (ВНА).

В конструктивном отношении компрессор состоит из двух основных частей: ротора и статора. Ротором компрессора называется его вращающаяся часть, состоящая из рабочих колес и вала (или барабана). Статором называется неподвижная часть компрессора, включающая корпус компрессора с укрепленными в нем спрямляющими и входным направляющим аппаратами.

3. Схемы выходных устройств.

В зависимости от типа и назначения двигателя применяются различные выходные устройства (рис. 5.1).

Помимо основных элементов – выпускного канала 1 и выходного сопла 5 – имеется затурбинный конусный обтекатель 3, служащий для снижения потерь при перестройке потока с кольцевого за турбиной на цилиндрический перед соплом 5. Кроме того, конусный обтекатель предохраняет диск турбины от дополнительного нагрева горячим газом; иногда в зазор между диском и обтекателем для лучшего охлаждения диска подается воздух. При отсутствии обтекателя за турбиной возникла бы зона пониженного давления с обратными токами газа, что привело бы к увеличению гидравлических потерь и к подогреву диска. Конусный обтекатель крепится к стенкам канала с помощью нескольких обтекаемых стоек 2.

В тех случаях, когда компоновка двигателя на летательном аппарате требует отдаления места выхода газов от места установки двигателя, между выходным каналом и выходным соплом располагается удлинительная труба 4.

В ТРДФ под выпускным устройством понимают одно выходное сопло, поскольку между турбиной и соплом вместо выпускного канала располагается форсажная камера. Для больших сверхзвуковых скоростей полета ТРДФ и ТРД делают с уширяющимися выходными соплами, в которых регулируется не только критическое сечение, но и сечение на выходе из расширяющейся части сопла (изменяется степень уширения сопла). Это обеспечивает работу сопла в различных условиях на режимах, близких к расчетным, т. е. улучшает характеристики двигателя.

Рис. 5.1. Схемы выходных устройств:

а – схема выходного устройства ТРД:

1 – выпускной канал; 2 стойка; 3 конусный обтекатель; 4 – удлинительная труба; 5 – сопло

б – схема выходного устройства ТРДД со смешением потоков:

1 – выпускной канал первого контура; 2 кольцевой выпускной канал второго контура; 3 – щелевые патрубки камеры смешения; 4 общее для обоих контуров выходное сопло

в – схема выходного устройство ТРДД с раздельным выпуском потоков:

1 конусный обтекатель; 2 – стойка; 3 – выходное сопло второго контура; 4 выходное сопло первого контура

г – схема выходного устройства ТВД:

1 – выпускной канал; 2 – стойки; 3 – выходное сопло второго контура;

4 – удлинительная труба

д – схема выходного устройства турбовального двигателя:

1 входной диффузор; 2 – кожух выводного вала; 3 – выпускной канал; 4 – стойка

Выходные устройства ТРДД делают двух типов: со смешением потоков обоих контуров и общим выходным соплом, и с раздельным выпуском через два выходных сопла. Первый тип применяется в ТРДД с небольшой степенью двухконтурности т (обычно не выше 2). Он является общепринятым для ТРДДФ, у которых форсажная камера располагается между камерой смешения и выходным соплом.

Для получения более однородного потока на выходе из камеры смешения обычно применяются специальные щелевые патрубки 3, подводящие воздух из 2 контура в ядро потока 1 контура.

Выходные устройства с раздельным выходом потоков используются при всех значениях т. Однако при больших т они находят исключительное применение, так как позволяют получить более легкую и простую конструкцию.

Поскольку ТВД не имеют выходного сопла, то их выходное устройство включает лишь выпускной канал и конусный обтекатель. Проходное сечение канала изменяется слабо. Большей частью канал выполняется диффузорным; в этом случае гидравлические потери в канале не приводят к подпору за турбиной, так как компенсируются снижением скорости (кинетической энергии) газового потока. В некоторых случаях в зависимости от места установки двигателя на самолете выпускной канал дополняется удлинительной трубой 4, по которой газовый поток выводится за пределы мотогондолы.

В ТВД со свободной турбиной воздушный винт обычно расположен перед двигателем, поэтому форма выпускного канала сохраняется той же, что и у одновального ТВД. В большинстве турбовальных двигателей вал свободной турбины выводится назад, поэтому он пересекает выпускной канал двигателя. Выпускной канал 3 сначала имеет диффузорную часть, что позволяет понизить давление за турбиной. Внутри выпускного канала расположен кожух 2, в котором находится выводной вал свободной турбины с его опорами и корпусом.

Билет 3

Лопастной компрессор — это… Что такое Лопастной компрессор?

Лопаточный, лопастной компрессор — это разновидность компрессоров, предназначенная для повышения давления рабочего тела за счёт взаимодействия последнего с подвижными и неподвижными лопаточными решётками компрессора. Принцип действия лопаточных компрессоров — увеличение полного давления рабочего тела за счёт преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием её во внутреннюю энергию.

Осевой компрессор

Рисунок, иллюстрирующий работу осевого компрессора Отдельно взятая ступень компрессора.

В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило воздуха, движется условно вдоль оси вращения ротора компрессора.

Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решёток ротора, состоящих из лопаток закреплённых на валу и именуемых рабочими колёсами (РК), и неподвижных лопаточных решёток статора и именуемых направляющими аппаратами (НА). Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата именуется ступенью.

Треугольники скоростей рабочего колеса иллюстрирующие сложное движение частиц воздуха. Видна диффузорность межлопаточного канала.

Пространство между соседними лопатками как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате именуется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал в как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате диффузорный, то есть расширяющийся. Межлопаточный канал является расширяющимся, когда диаметр окружностей, вписанных в этот канал увеличивается при вписывании этих окружностей от передней кромки к задней.

При прохождении через рабочее колесо воздух участвует в сложном движении.

Где абсолютное движение — движение частиц воздуха относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой u).

Относительное движение — движение частиц воздуха относительно лопаток рабочего колеса. (На рисунке обозначено буквой w).

Переносное движение — вращение рабочего колеса относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой U).

Таким образом, когда частицы воздуха попадают в рабочее колесо со скоростью, обозначенной на рисунке вектором w1, лопатки воздействуют на частицы воздуха придавая им переносную скорость, обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха в этот момент обозначена вектором u1.

При прохождении через рабочее колесо, за счёт диффузорности межлопаточного канала, происходит уменьшение модуля переносной скорости на выходе из рабочего колеса w2, за счёт кривизны межлопаточного канала происходит изменение направления вектора переносной скорости на выходе из рабочего колеса w2. На выходе из рабочего колеса на частицы воздуха продолжают действовать лопатки, придавая им переносную скорость, обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха, в этот момент обозначена вектором u2, который изменяет направление и увеличивается по модулю. Таким образом в рабочем колесе происходит рост полного давления воздуха.

После рабочего колеса воздух попадает в направляющий аппарат. За счёт диффузорности межлопаточного канала происходит торможение потока, что приводит к росту статического давления. Кривизна межлопаточного канала приводит к повороту потока для получения более эффективного угла входа потока воздуха в следующее рабочее колесо.

Таким образом, ступень за ступенью, происходит повышение давления воздуха. Скорость потока в рабочем колесе растёт, в направляющем аппарате — падает. Но ступени компрессора и весь компрессор проектируют таким образом, чтобы скорость потока уменьшалась. При прохождении воздуха через компрессор растёт и его температура, что является не задачей компрессора, а отрицательным побочным эффектом. Перед входом в первое рабочее колесо может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА) который производит предварительный поворот потока воздуха на входе в компрессор.

Двухкаскадный осевой компрессор двигателя Rolls-Royce RB 199.

Достаточно высокая степень газодинамической инертности лопастных компрессоров является причиной того, что компрессор достаточно медленно набирает обороты, обладает низкой приёмистостью. Лопастные компрессоры, как правило, приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, таким образом, смена режимов работы таких турбокомпрессоров занимает достаточно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады: компрессор низкого давления со своей отдельной турбиной устанавливается на валу, пропущенном через полый вал следующего за ним компрессора высокого давления и его турбины, – такие двигатели называют двухвальными. Данное решение улучшило работу компрессоров на переходных режимах, а также повысило их газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости осевых компрессоров стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя.

Сверхзвуковые компрессоры. Частота вращения роторов современных компрессоров достигает десятков тысяч оборотов в минуту. Переносная скорость частицы воздуха в РК (U) зависит от радиуса вращения этой частицы относительно продольной оси двигателя. При достаточно длинном пере лопатки переносная скорость вырастает настолько, что абсолютная скорость движения частицы воздуха становится сверхзвуковой. В данной ситуации компрессор именуют сверхзвуковым, или же ступень компрессора именуют сверхзвуковой, если такая ситуация возникает в определённой ступени компрессора.

Центробежный компрессор

Препарированный ТРД General Electric J-31 с радиальным центробежным компрессором. Схематическое изображение центробежного реактивного рабочего колеса.

Принцип действия центробежного компрессора в общем сопоставим с принципом действия осевого компрессора, но с одним существенным различием: в центробежном компрессоре поток воздуха входит в рабочее колесо вдоль оси двигателя, а в рабочем колесе происходит поворот потока в радиальном направлении. Таким образом, в рабочем колесе за счёт центробежной силы создаётся дополнительный рост полного давления. То есть частицы рабочего тела получают дополнительную кинетическую энергию.

Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. Межлопаточный канал в центробежном рабочем колесе, так же, как и в осевом — диффузорный. По типу используемых лопаток рабочие колеса квалифицируются на радиальные (профиль лопатки ровный) и реактивные (профиль лопатки изогнутый). Реактивные рабочие колеса обладают более высокими КПД и степенью сжатия, но сложнее в изготовлении, и, как следствие — дороже. Поток газа попадает в рабочее колесо центробежного компрессора, где частицам газа передаётся кинетическая энергия вращающегося колеса, диффузорный межлопаточный канал производит торможение движения частиц газа относительно вращающегося колеса, центробежная сила придаёт дополнительную кинетическую энергию частицам рабочего тела и направляет их в радиальном направлении. После выхода из рабочего колеса частицы рабочего тела попадают в диффузор, где происходит их последующее торможение, с преобразованием их кинетической энергии во внутреннюю.

Для центробежных компрессоров справедливо следующее уравнение[1]

где

  • Ws — входная мощность на валу,
  • u — скорость конца лопастей,
  • Cθ — касательные составляющие скоростей жидкости, отрывающейся от лопастей, в положениях 1 и 2, входная и выходная, соответственно.

Краткое сравнение осевых и центробежных компрессоров

ТРД с осевым компрессором. 
W_s = u_2 C_{\theta 2} - u_2 C_{\theta 2} \,
ТРД с центробежным компрессором

1. По степени сжатия (повышения давления) в ступени. Большую степень повышения давления обеспечивают ступени центробежных компрессоров.

2. По реализации многоступенчатости. Многократный поворот воздушного потока в центробежном компрессоре приводит к сложности реализации многоступенчатости в нём.

3. По габаритам. Центробежные компрессоры, как правило обладают достаточно большим диаметром рабочего колеса. Многоступенчатые осевые компрессоры — обладают меньшим диаметром, но длиннее в осевом направлении.

Осевые компрессоры, в основном, используются в самолётных и вертолётных воздушно-реактивных двигателях (ВРД). Центробежные в наземных газотурбинных двигателях (ГТД) и силовых установках, а также в различных газоперекачивающих системах, системах вентиляции, всевозможных нагнетателях газа или воздуха.

Примечания

  1. Frank Kreith The CRC handbook of thermal engineering. — CRC Press, 2000. — P. 4‑229. — ISBN 9780849395819

Литература

  • Воронецкий А.В. Современные компрессорные станции (Концепции, проекты, оборудование). — М.: ООО «Премиум Инжиниринг», 2008. — 614 с. — ISBN 978-5-903363-09-4

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *