Элементарная ступень осевого компрессора это

Элементарная ступень компрессора

Л. 10.

Т.6. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН

Компрессор в ГТД служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Применение компрессора позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя. Применение компрессора позволяет ГТД развивать тягу на месте и на малых скоростях полета.

Компрессор должен удовлетворять следующим требованиям:

— минимальные потери подводимой работы, то есть максимальный КПД;

— устойчивость работы во всем диапазоне эксплуатационных режимов;

— подвод воздуха в камеру сгорания должен производиться без пульсаций давления, расхода и скорости;

— минимальные вес и габариты;

Основными типами компрессоров авиационных газотурбинных двигателей являются многоступенчатые осевые или осецентробежные компрессоры.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия в отдельных его ступенях.

В современных ГТД наиболее часто используются осевые компрессоры как более полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления и большие расходы воздуха при высоких коэффициентах полезного действия и сравнительно малых диаметральных габаритных размерах и массе.

Осевой компрессор имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.

Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом. В рабочем колесе к потоку воздуха подводится механическая энергия, отбираемая от турбины.

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток, закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:

— направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

— спрямление потока, закрученного впереди стоящим колесом, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу повышения давления воздуха.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Перед рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.

При вращении рабочего колеса за счет сообщенной внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение скорости в абсолютном движении.

Преобразование кинетической энергии воздуха, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени.

Если рассечь лопатки ступени цилиндрической поверхностью и развернуть ее на плоскость, то сечения лопаток рабочего колеса представятся в виде одинаковых и одинаково расположенных профилей, образующих решетку профилей рабочего колеса.

Поток воздуха, движущийся через проточную часть осевого компрессора можно представить

состоящим из отдельных струек тока, каждая из которых движется по поверхности, приближенной к

цилиндрической. Рассмотрим, как будут изменятся параметры воздуха в струйке тока толщиной Δh,

движущейся вдоль цилиндрической поверхности А-А (рис.2.2). Для чего рассмотрим межлопаточные

каналы ВНА, РК и НА в сечении их цилиндрической поверхностью А-А (рис.2.3).

Рассмотрим течение воздуха через решетки профилей, пренебрегая неравномерностью потока в окружном направлении. 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 входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки сверху вниз с окружной скоростью «u«. Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток «w» применим известное правило сложения скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна сумме относительной и переносной. В данном случае переносной скоростью является окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.

Треугольник, составленный из векторов «c«, «u» и «w«, называется треугольником скоростей на входе в колесо.

1) Шаг лопаток, t (см. рис.2.3). Оценивает расстояние между лопатками в плоскости их вращения.

2) Хорда лопатки, b — расстояние между передней и задней кромками лопаток.

Для существующих компрессоров должно соблюдаться соотношение:

При соблюдении соотношения (1) можно считать, что воздух движется по межлопаточным каналам, а не обтекает отдельно стоящие лопатки. Отсюда можно сделать вывод, что вектор скорости воздуха при его движении в межлопаточных каналах параллелен оси этих каналов.

3) Абсолютная скорость воздуха «С» — скорость воздуха относительно неподвижных лопаток компрессора.

4) Окружная скорость движения рабочего колеса «u». Нетрудно видеть что
u =w×r.

где, w — угловая скорость вращения ротора компрессора.

5) Относительная скорость воздуха «W» — скорость воздуха относительно лопаток рабочего колеса.

Вектор абсолютной скорости воздуха равен сумме векторов относительной и окружной скоростей:

С = u +W.

6) Площадь межлопаточных каналов f. Из рисунка 3 нетрудно увидеть, что площадь всех межлопаточных каналов по мере продвижения воздуха будет изменяться.

7) Угол входа (выхода) α потока воздуха из межлопаточных каналов для неподвижных лопаток

8) Угол входа (выхода) β потока воздуха из межлопаточных каналов для лопаток рабочего колеса.

Из анализа содержания рисунков 2 и 3, если принять Δh=1, можно записать:

f = t Sinα — для ВНА и НА. (6.1)

f = t Sinβ — для РК. (6.2)

9) Степень повышения давления в ступени компрессора: .

или по параметрам заторможенного потока:

Из анализа содержания рисунка 3 видно, что угол входа в межлопаточные каналы ВНА больше чем угол выхода (α_В>α₁). Поэтому с учетом (6.2) можно записать: f_В>f₁. Отсюда можно сделать вывод, что площадь межлопаточных каналов ВНА по мере движения воздуха уменьшается, т.е канал сужающийся.

Поэтому скорость движения воздуха согласно уравнению неразрывности будет возрастать (С₁>С_В), а давление согласно уравнению Бернулли — падать (р₁ β₁ → f_2К>f_1К (канал расширяющийся)→W₂ р₁ → Т₂ >Т₁; (при этом С₂>С₁)

и к направляющему аппарату:

Из выше сказанного можно сделать выводы:

1) В ВНА происходит падение давления, снижение температуры воздуха и закрутка потока по направлению вращения рабочего колеса.

2) В РК происходит рост давления, рост температуры, рост абсолютной скорости воздуха.

3) В НА происходит рост давления, рост температуры и снижение абсолютной скорости воздуха.

При этом абсолютная скорость на входе и выходе из ступени приблизительно равны (С₁»С₃).

Изменение параметров воздуха при прохождении через ВНА и ступень компрессора показаны на рисунке 6.4.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что в ступени осевого компрессора происходит повышение давления воздуха. Рост давления объясняется разностью площадей межлопаточных каналов на входе и выходе, а значит и разностью углов входа и выхода. Поэтому можно сказать, что поток воздуха, перемещаясь по межлопаточным каналам, поворачивается на некоторый угол, равный разности между углом входа и углом выхода. Этот угол называется углом поворота потока. Угол поворота потока в межлопаточных каналах НА и РК не может превышать 30÷35° , иначе инерционные силы вызывают отрыв потока от стенок канала и рост потерь энергии. Следовательно, если угол поворота потока ограничен, то ограничена также степень повышения давления в ступени осевого компрессора. У существующих компрессоров степень повышения давления в ступени составляет π*_ст =1,2÷1,35.

С другой стороны, увеличение степени повышения давления можно достичь увеличением подвода механической энергии, т.е. увеличением угловой скорости. Рост угловой скорости ведет к росту u, величина которой на периферии больше, чем у корня лопатки и может превысить скорость звука. Из-за возможности появления локальных трансзвуковых зон на периферии степень повышения давления в ступени ограничена значением p * _ст= 1,2 – 1,4.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Рассмотрим элементарную ступень осевого компрессора.

Усилия на лопатках и работа вращения колесо ступени

Поворот потока воздуха в рабочем колесе сопровождается воз­никновением на каждой лопатке аэродинамической силы , нап­равленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля.

Примем обозначения:

Р_u— окружная составляющая аэродинамической силы направленная параллельно вектору окружной скорости,

Р_а— осевая составляющая аэродинамической силы направленная вдоль оси двигателя.

Осевая составляющая Р_а передается на упорный подшипник вала компрессора. Окружная составляющая Р_u направлена против дви­жения лопаток колеса и стремятся замедлить их вращение. Поэто­му для поддержания постоянной частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен соответствующий крутящий момент.

Рассмотрим элементарную ступень осевого компрессора.

Определение: элемент ступени ОК, заключенный между двумя цилиндрическими поверхностями тока, расположенными на малом расстоянии друг от друга, называется элементарной ступенью ОК.

Работа, затрачиваемая на вращение РК такой ступени называется элементарной работой вращения:

, [Дж/кг] (3.1)

где — расход воздуха через элементарную ступень.

Для определения силы Р_u используем теорему Эйлера о количестве движения.

Рассмотрим решетку профилей, представляющую собой развертку сечения лопаток РК в элементарной ступени на плоскость.

Определения: 1) расстояние между одина­ковыми точками соседних профилей называют шагом решетки t,

2) линию соединяющую передние кромки всех про­филей, называют фронтом решетки.

Выделим в потоке, обтекающем любой из профилей решетки, объем, ограниченный контрольной поверхностью, которая состоит из:

— двух поверхностей тока 1-2 и 1′-2′, отстоящих друг от друга точно на величину шага t,

— двух плоскостей 1-1‘ и 2-2′, парал­лельных фронту решетки и расположенных на таком расстоянии от нее, чтобы можно было пренебречь неравномерностью потока,

— двух плоскостей, параллельных плоскости рисунка, расположенных друг то друга на небольшом расстоянии Δr.

Р— аэродинамическая сила действующая на одну лопатку PK со стороны потока ,

Р’— сила с которой лопатка воздействует на поток возду­ха,

Согласно теореме Эйлера, сумма всех сил, действующих на вы­деленный объем воздуха, должна быть равна разности коли­честв движения (импульсов) потоков, вытекающих и втекающих в этот объем в единицу времени. При этом силы, действующие на поверхностях 1-2 и 1′-2′, вследствие периодичности потока в точности компен­сируют друг друга, а расход воздуха через эти поверхности равен нулю. Таким образом, кроме силы Р’ будут подлежать учету толь­ко количества движения и силы давления воздуха в сечениях 1-1′ и 2-2′.

Тогда, для окружной и осевой составляющих силы Р можно записать:

. (3.2)

где — расход воздуха через контроль­ную поверхность.

С учетом (3.1) можно записать:

, (3.3)

где .

Таким образом, работа вращения колеса элементарной ступени осе­вого компрессора при цилиндрической поверхности тока равна произведению окружной скорости u и закрутки воздуха в колесе .

Если поверхности тока в данной элементарной ступени заметно отличаются от цилиндрических, то, применяя теорему Эйлера о моменте количества движения, можно получить:

. (3.4)

Формулы (3.3) и (3.4) определяют элементарную работу вращения L_u в одном сечении ступени ОК.

Работа вращения колеса ступени в целом может быть найдена путем интегрирования её значений для каждой элементарной ступени (с учетом расхода воздуха через неё) с последующим отношением результата интегрирования ко всему массовому расходу воздуха через ступень G_в :

. (3.5)

3.4. Изображение процесса сжатия воздуха в ступени в p, v- и T, s- координатах

Процесс сжатия (повышения давления) воздуха в ступени компрессора является, вообще говоря, неравновесным. Но степень этой неравновесности невелика, и поэтому его обычно условно изображают в различных термодинамических координатах. Рассмотрим процесс повышения давления воздуха в ступени компрессора в р, v— и T, s— координатах.

Изобары р = р₁ и р = р₃ соответствуют давлению воздуха перед и за ступенью. Точка 1 изображает состояние воздуха на входе в ступень. Линии 1—2 и 2—3 соответствуют процессам повышения давления в РК и НА.

В авиационных компрессо­рах теплообмен между потоком в компрессоре и окружающей средой на установив­шихся режимах пренебрежимо мал. Если бы, кроме то­го, воздух в компрессоре был бы лишен вязкости, то процесс повышения давления в ступени протекал бы при постоянной энтропии, т. е. по адиабате, изображенной линиями 1-3_ад.

В действительности выделение теплоты, связанной с трением в процессе сжатия при практическом отсутствии теплообмена с окружающей средой, приведет к некоторому увеличению температуры за ступенью по сравнению с температурой, достигаемой в адиабатном процессе. В результате реальный процесс сжатия изобразится линиями 1-3, расположенными правее адиабаты. а температура Т₃ за ступенью окажется выше Т_3ад .

Если принять, что увеличение энтропии в результате выделения теплоты трения опреде­ляется равенством , то суммарная теплота трения будет связана с изменени­ем энтропии в реальном процессе 1-3 условием

,

откуда следует, что величина L_r может быть выражена в T, s— диаграмме площадью, лежащей между линией 1-3 и осью абсцисс.

Согласно уравнению Бернулли работа вращения колеса ступени, равна

,

где — политропная работа сжатия (повышения давления) в ступени. Из рис. видно, что эта работа превышает работу повышения давления в адиабатном процессе 1-3_ад, равную , на величину, эквивалентную площади заштрихованного на рис. 3.5 криволинейного треугольника, обозначенной симво­лом ΔL_r . Поскольку это увеличение L_п.ст по сравнению с L_ад.ст явля­ется следствием выделения теплоты трения, в теории компрессоров его принято называть тепловым сопротивлением.

С учетом сказанного уравнение (2.1) может быть записано в виде

,

откуда следует, что вредная роль гидравлических потерь проявляется в компрессорах двояко: как непосредственно в виде затраты работы L_r на преодоление гидравлических сопротивлений, так и дополнительно в виде теплового сопротивления ΔL_r .

Источник