Многоступенчатый компрессор

В ступени компрессора к потоку воздуха подводится механическая энергия, которая преобразуется в кинетическую энергию потока. За счет расширения канала кинетическая энергия потока преобразуется в давление. В НА расширение канала приводит к переходу кинетической энергии в давление.

Влияние угла атаки на обтекание решетки профилей.

Углом атаки (i) называется угол между касательной к средней линии профиля лопатки в его передней точке и вектором скорости потока, обтекающего переднюю кромку лопатки. Воздух может подходить к лопатке, как со стороны корытца, так и со стороны спинки. В первом случае угол атаки будет положительный, во втором – отрицательный. На рисунке рис.2.5.а показано обтекание лопаток рабочего колеса с положительными углами атаки (i>0). Нетрудно заметить, что на рисунке 2.4 углы атаки профилей лопаток равны нулю.

Рассмотрим, как будет изменяться работа рабочего колеса осевого компрессора при увеличении угла атаки.

Как было сказано выше, межлопаточные каналы РК и НА выполнены расширяющимися (диффузорными), поэтому при прохождении через них воздуха происходит рост его давления. Степень расширения (диффузорности) межлопаточных каналов будет определяться не только профилем лопаток, но и положение вектора скорости потока. Как видно из рисунка 5.б, при росте угла атаки (i↑) эффективная площадь на входе межлопаточные каналы уменьшается (f 1К.ЭФ↓). Поэтому при увеличении угла атаки первоначально происходит увеличение диффузорности канала и, следовательно, растет степень повышения давления.

Однако при значительном увеличении угла атаки возникает отрыв потока на спинках лопаток (рис.2.5,в). Отрыв уменьшает эффективное выходное сечение и диффузорность межлопаточных каналов, в результате чего торможение потока в них и повышение давления резко снижаются. Угол атаки, при котором происходит отрыв потока, называется критическим углом атаки (i_кр). Для существующих компрессоров i_кр=8÷12°.

Из сказанного можно сделать вывод: для увеличения степени повышения давления в ступени компрессора угол атаки должен быть отличным от нуля, положительным, но не превышать величину критического. Такие углы атаки имеют место при обтекании лопаток как РК, так и НА и называются расчетными. У существующих компрессоров iрасч=4÷6° Необходимо отметить, что при положительных углах атаки отрыв потока происходит на спинках лопаток, при этом основной поток центробежными силами прижимается к корытцам, т.е. «уходит» от зоны отрыва (рис.2.5,в). Это способствует распространению зоны отрыва на значительную площадь межлопаточных каналов и резкому падению степени повышения давления ступени.

При отрицательных углах атаки (i<0), когда воздух натекает со стороны корытца, также возможен отрыв потока (рис.2.5.г). Отрыв произойдет, если угол атаки превысит критический, но при i<0 зона отрыва будет располагаться на корытце лопатки. В этом случае основной поток, прижимаясь центробежными силами к корытцу, будет уменьшать размеры зоны отрыва. И, следовательно, падение степени повышения давления ступени будет происходить на меньшую величину, чем при i>0. Из этого следует, что отрыв потока при положительных углах атаки более опасен, чем при отрицательных.

Уравнение сохранения энергии для ВНА и ступени осевого компрессора.

ВНА: h_ВХ+C_вх² +L_МВНА + Q_ВНА= h₁+C₁²

h_вх – h₁= C₁²/2 – C_ВХ²/2 (6.5)

РК: h₁+C₁² +L_МРК + Q_ВРК= h₂+C₂²

L_МРК=h₂ – h₁ +C₂²/2 – C₁²/2 (6.6)

НА: h₂+C₂² +L_МНА + Q_ВНА= h₃+C₃²

h₂ – h₃= C₃²/2 – C₂²/2 (6.7)

Степень реактивности ступени

Отношение статического изоэнтропического напора РК к статическому изоэнтропическому напору ступени называется степенью реактивности

Газовые силы, приложенные к ступени компрессора.

Как видно из рисунка 2.3, воздух, проходя по межлопаточным РК и НА, изменяет направление движения и величину скорости, т.е. движется с ускорением. Кроме того, давление воздуха при прохождении его через РК и НА возрастает. Следовательно, на воздух со стороны лопаток рабочего колеса будет действовать сила RК, а со стороны лопаток направляющего аппарата RА. Поэтому на лопатки будут действовать противоположные им силы, соответственно PК и PА. Наличие этих сил обусловлено ускоренным движением воздуха и перепадом давления (рис.6.6).

Согласно уравнению Эйлера (см. пособие «Основы теории авиационных турбовальных двигателей

(ТВаД)» п.1.3.9.) соответственно для РК и НА можно записать:

P_РК = G (C 2− C 1) (11)

P_НА = G (C 3− C 2) (12)

Из анализа векторной разности абсолютных скоростей (С) и перепада давления можно сделать вывод, что силы РК и РА будут направлены так, как это показано на рисунке 2.6.

Каждую из этих сил можно разложить на составляющие, направленные по направлению вращения

РК и по оси компрессора:

Р_РК = Р_РКu + P_РКa, (13)

Р_НА = Р_НАu + P_НАa. (14)

Силы P_Ka и P_Aa являются осевыми составляющими. Они направлены в сторону противоположную движению воздуха или, если привязаться к направлению полета вертолета, — «вперед». Наличие этих сил вызывает нагружение валов и корпусных деталей двигателя силами растяжения.

Сила Р_Au является окружной составляющей, действующей на лопатки направляющего аппарата.

Наличие этой силы вызывает нагружение корпусных деталей двигателя крутящим моментом.

Сила Р_Ku является окружной составляющей, действующей на лопатки рабочего колеса. Как видно из рисунка 2.6, сила Р_Ku направлена в сторону, противоположную вращению ротора. Её наличие вызывает нагружение ротора двигателя крутящим моментом.

Если на каждую из лопаток действует окружная сила Р_Ku и эта сила приложена к лопатке точке отстоящей от оси вращения на расстоянии r_CР (рис.2.7), то суммарную величину крутящего момента, необходимого для вращения компрессора можно определить по формуле:

(6.15)

где n— количество лопаток в рабочем колесе.

Вращение ротора двигателя возможно, если крутящий момент турбины (Мкр.т) по абсолютной величине будет равен крутящему моменту компрессора (КР. Т КР. К. М = М). Поэтому величина Мкр.к, рассчитанная по формуле (15) определяет: крутящий момент, необходимый для вращения компрессора, крутящий момент, который необходимо получить на роторе турбины, крутящий момент, которым нагружен вал, соединяющий роторы компрессора и турбины.

Гидравлические потери в ступени компрессора.

Потери энергии в ступени осевого компрессора вызывают торможение потока в пограничном слое и образование вихрей. Эта часть энергии называется гидравлическими потерями в ступени. Гидравлические потери условно делят на следующие виды:

— профильные, связанные с образованием пограничных слоев на лопатках РК и НА (рис.2.9,а);

* Рассмотрены только те потери, которые имеются при движении воздуха с дозвуковыми скоростями.

Рис. 6.8. Виды гидравлических потерь в ступени осевого компрессора:

а) — профильные; б) — концевые; в) — вторичные

— концевые, связанные с образованием пограничных слоев на стенках, ограничивающих проточную часть ступени по высоте лопаток (рис.2.9,б);

— вторичные, связанные с возникновением поперечных парных вихрей в межлопаточных каналах РК и НА, а также с перетеканием воздуха через радиальный зазор между лопаткой и корпусом (рис.2.9,.в).

Последний вид потерь обусловлен тем, что давление на выпуклой стороне лопаток (на спинке) меньше, чем на вогнутой (на корытце). Эта разность давлений приводит к перетеканию воздуха с последующим образованием вихрей. Одна пара вихрей образуется в межлопаточных каналах. Движение воздуха по такой траектории объясняется тем, что на концевых и корневых участках лопаток имеется заторможенный пограничный слой, и воздух с повышенным давлением с корытца средней части через зоны пограничного слоя перетекает к спинке рядом расположенной лопатки. Другой вихрь образуется из-за перетекания воздуха через зазор между лопаткой и корпусом компрессора.

Энергия гидравлических потерь в ступени (Lтр.ст) частично сохраняется в виде вихревых движений воздуха, частично преобразуется в тепловую энергию, которая подводится к потоку. Из -за того, что часть потерь преобразуются в тепловую энергию, происходит дополнительный нагрев воздуха. Из термодинамики известно, что чем больше температура воздуха, тем больше необходима работа для его сжатия. Поэтому для сжатия нагретого воздуха к компрессору необходимо подвести дополнительную механическую работу. Эта дополнительная работа необходимая для сжатия воздуха, температура которого повысилась из-за наличия гидравлических потерь, называется тепловым сопротивлением (ΔLтр.ст). Для ступеней существующих компрессоров ΔLтр.ст.=0,06·Lтр.ст.

Для снижения профильных потерь необходимо снижать шероховатость поверхности лопаток компрессора, изготавливать лопатки минимально возможной толщины.

Опасность концевых потерь состоит в том, что помимо затрат энергии на образования пограничного слоя, наличие этого слоя снижает эффективное проходное сечение проточной части компрессора. Поэтому снижается эффективность работы тех частей межлопаточных каналов, которые близко расположены к ротору и наружному корпусу. Причем наибольшие потери имеют место на последних ступенях компрессора, так как на этих ступенях максимальная толщина пограничного слоя и минимальная высота лопаток.

Для снижения концевых потерь необходимо снижать шероховатость поверхности деталей, ограничивающих прочную часть компрессора. Кроме того, для сохранения эффективности работы последних ступеней необходимо увеличивать высоту их лопаток (высота лопаток последней ступени должна быть не менее 15÷20 мм). У существующих компрессоров, имеющих увеличенную высоту лопаток последних ступеней, площадь проточной части компрессора в районе последних ступеней завышена. Вследствие этого абсолютная скорость воздуха на выходе из компрессора несколько меньше чем на входе.

Для снижения вторичных потерь необходимо уменьшить расстояние между лопатками. Выполнение

соотношения

t = (1,5 ÷ 2) b

(см. п.2.1.2.1) позволяет значительно снизить потери от вихреобразования в

межлопаточных каналах. Для снижения перетекания воздуха через зазор между лопаткой и корпусом компрессора необходимо уменьшить величину этого зазора. У существующих двигателей величина этого зазора составляет 0,4 мм и менее.

Нерасчетные и неустойчивые режимы работы ступени.

Ступень компрессора проектируется на один режим течения, называемый расчетным. Компрессор в составе двигателя работает во многих случаях с отклонением от расчетного режима, к которым приводят изменение частоты вращения ротора (разгон, торможение), изменение высоты и числа Маха полета. При отклонении от расчетного режима изменяются осевая и окружная скорости.

Изменение осевой и окружной скорости сказывается на величине угла атаки на лопатках рабочего колеса. Увеличение осевой скорости приводит к уменьшению, а уменьшение к увеличению угла атаки. Уменьшение окружной скорости уменьшает, а увеличение увеличивает угол атаки. Если изменения скоростей становятся значительными, достигаются критические углы атаки и в РК возникает отрыв потока.

Отрывная зона в осевой ступени охватывает обычно одновременно и колесо и частично направляющий аппарат. Поэтому отрывная зона вращается в сторону вращения колеса, но с угловой скоростью, меньшей угловой скорости вращения колеса.

Вследствие произвольных отклонений в геометрии отдельных лопаток и всегда имеющихся в реальных условиях асимметрии потока и крупномасштабной турбулентности срыв потока возникает не на всех лопатках одновременно. При этом напор, создаваемый попавшими в срыв лопатками, оказывается существенно меньшим, чем напор, создаваемый соседними элементами ступени, работающими еще без срыва. (Асимметрия и крупномасштабная турбулентность могут снижать критические углы атаки).

Из-за этого различия возникает тенденция к возвратному течению воздуха, сжатого нормально работающей частью лопаток колеса, через области срыва навстречу основному потоку, и во многих случаях действительно возникает такое течение.

В зоне срыва часто наблюдаются обратные токи воздуха, направленные навстречу основному потоку. В результате сильного дросселирующего действия мощной зоны срыва и больших потерь в ней расход воздуха через ступень и создаваемый ею напор после возникновения срыва резко падают.

В первых ступенях с относительно длинными лопатками, условия обтекания элементов, расположенных на разных радиусах, существенно различны. Поэтому здесь срыв обычно не захватывает сразу всю лопатку, а занимает сначала небольшую часть ее. В большинстве случаев критические углы атаки достигаются прежде всего в переферийных сечениях лопаток, где и располагаются первоначально возникшие зоны срыва. При этом обычно возникает не одна, а несколько (до шести, а иногда и более) равномерно размещенных по окружности зон срыва, которые вращаются со скоростью, равной 50-70% скорости вращения колеса. В зонах срыва наблюдаются обратные токи воздуха. Наличие срыва проявляется здесь лишь в снижении напора и снижении КПД ступени.

КПД ступени компрессора.

Отношение полезной работы к затраченной характеризует гидравлическое совершенство ступени и

называется КПД ступени (η_ст).

Полезная работа в ступени компрессора направлена на повышение давления воздуха и

проталкивание его по проточной части ступени. Такая работа, как было сказано выше *, называется

«политропическая работа движущегося газа» (Lпол.ст). Если при протекании воздуха через ступень не

происходит потерь энергии, то к воздуху не подводится образовавшееся вследствие этого тепло. Такой

процесс сжатия воздуха является адиабатным. Работа по сжатию и проталкиванию воздуха при

отсутствии потерь называется «адиабатная работа движущегося газа». Именно эта работа и является

полезной для ступени компрессора (Lад.ст).

Политропическая (Lпол.ст) и адиабатная работы движущегося газа (Lад.ст).связаны соотношением:

L_пол= L_ад+ L_тр (6.16)

Процессы, происходящие в ступени компрессора можно отобразить графически (рис.2.10). На

рисунке 2.10 точка «1» соответствует параметрам воздуха на входе в ступень (см. сечение 1 на рис.2.2,

2.3), точка «2» — в сечении между РК и НА, точка «3»— на выходе из ступени. В процессе сжатия

воздуха в ступени его давление возрастает (р↑), удельный объем уменьшается (v ↓). Если бы сжатие

происходило без подвода тепла, параметры воздуха изменялись бы по графику 1-2ад-3ад. В этом случае

процесс сжатия был бы адиабатным и работа сжатия движущегося газа (Lад.ст) была бы эквивалентна

площади фигуры 1-3ад-в-а. Из-за наличия гидравлических потерь к воздуху подводится тепловая

энергия, потому параметры воздуха будут изменяться по графику 1-2-3. Вследствие этого работа сжатия

воздуха возрастает на величину теплового сопротивления (ΔLтр.ст). Величина ΔLтр.ст эквивалентна

площади криволинейного треугольника 1-3ад.-3. Значит, политропическая работа сжатия движущегося

газа будет эквивалентна площади фигуры 1-3-в-а

h_ст=0,82 – 0,92.

В одной ступени осевого компрессора сжатие воздуха небольшое (π_ст=1,2÷1,35) (см. п.2.1.2.2). Для получения необходимой степени повышения давления воздуха компрессоры выполняются многоступенчатыми (рис.2.12).

Длина лопаток РК и НА многоступенчатого компрессора по проточной части уменьшается. Если бы длина лопаток всех ступеней была одинаковой, то по мере сжатия воздуха скорость его движения резко уменьшалась. Как уже отмечалось (см. п.2.1.2.4), при малых скоростях движения воздуха снижается степень повышения давления в ступени. Поэтому для получения высокой напорности ступеней необходимо, чтобы осевая скорость потока была большой по всей длине компрессора. Это может быть обеспечено только уменьшением длины лопаток, следовательно, площадь проходного сечения проточной части на входе в компрессор (f _В) должна быть больше площади на выходе из компрессора площади (f _К).

При этом необходимо учитывать, что при уменьшении длины лопаток возрастают концевые и вторичные потери, в особенности потери, связанные с перетеканием воздуха через радиальный зазор. Поэтому длина лопаток меньше 30÷40 мм не допускается. Такое условие в современных компрессорах удается выполнить только при уменьшающейся по длине компрессора осевой скорости. Отношение осевых скоростей на выходе из компрессора (C_Кa) к его скорости на входе в компрессор (C_Вa) принимается 0,5÷0,6 *.

Уменьшение поперечного сечения проточной части компрессора может осуществляться:

— при постоянном внешнем диаметре корпуса компрессора (D_K) и увеличивающемся внутреннем диаметре (диаметре втулки) (D_вт) (рис.2.12,а);

— при постоянном диаметре втулки и уменьшающемся диаметре корпуса (рис.2.12,б);

— при увеличивающемся диаметре втулки, уменьшающемся диаметре корпуса и постоянном среднем диаметре (рис. 2.12,в).

Наибольшее распространение получила первая схема (рис.2.12,а), так как она обеспечивает получение более высоких значений π_ст всех ступеней. Это объясняется следующим. Как было сказано ранее (см. п.2.1.2.6), с ростом окружной скорости движения лопаток РК увеличивается работа, подводимая к воздуху, возрастает степень повышения давления. При выполнении компрессора с постоянным диаметром корпуса (рис.2.12,а) окружная скорость лопаток РК от ступени к ступени возрастает, т.к. возрастает расстояние от лопатки до оси вращения ротора. Следовательно, увеличивается степень сжатия воздуха в компрессоре. В результате этого число ступеней можно сделать меньше.

Параметры многоступенчатого компрессора.

Рис.6.12. Изображение рабочего процесса в компрессоре в i-S диаграмме.

- степень повышения давления p*_к=р_к*/р_в*;

- адиабатная работа L_KS

- механическая работа, подведенная от турбины L_M;

- к.п.д. компрессора

у существующих компрессоров h_К=0,8 – 0,85.

- работа, затрачиваемая компрессором на сжатие 1 кг воздуха

- приведенная частота вращения

l_u=u/a_кр

Если сравнивать эти параметры на земле и на высоте, то режимы будут одинаковы, если

т.к. n пропорционально u, то

(6.17)

a_кр – критическая скорость

- приведенный расход водуха

(6.18)

Дата добавления: 2014-01-07