Осевой компрессор принцип действия

Осевой компрессор

Осевой, как и центробежный компрессор, относится к классу динамических машин или турбокомпрессоров.

Устройство и принцип работы осевого компрессора

Степень сжатия газа на одном осевом рабочем колесе, не превышает 1,3, поэтому центробежные турбокомпрессоры, как правило, изготавливаются многоступенчатыми. Число ступеней в осевых машинах может достигать 20.

Под ступенью осевого компрессора понимают совокупность ряда рабочих лопаток и последующий направляющий аппарат, если он имеется.

Схема осевого турбокомпрессора показана на рисунке.

Воздух или другой газ поступает в компрессор через всасывающий патрубок. Через входной направляющий аппарат он поступает на лопатки первой ступени. В результате воздействия лопаток на частицы газа, скорость потока увеличивается, через направляющий аппарат он поступает на вход последующей ступени, и так далее. После прохождения всех ступеней сжатый воздух, или другой газ поступает в напорную магистраль.

Рабочие лопатки

Рабочие лопатки воздействуют на поток газа, передавая ему энергию, они являются важнейшим элементом турбокомпрессора. Создание направляющих и рабочих лопаток оптимального профиля позволяет обеспечить высокий КПД осевого турбокомпрессора.

Рабочие лопатки могут изготавливаться совместно с промежуточным телом, или отдельно от него. Во втором случае следует обеспечить надежное крепление лопаток на вращающемся теле, т.к лопатки будут подвержены значительным нагрузкам, а наличие зазоров в соединении может привести к появлению вибрации.

Направляющие лопатки

Направляющие лопатки крепятся на неподвижной части осевого компрессора, они не подвержены воздействию центробежных сил. Направляющий аппарат позволяет достичь оптимальных характеристик потока на входе последующей ступени сжатия.

Входной направляющий аппарат

На входе осевого компрессора может быть установлен направляющий аппарат, который представляет из себя набор лопаток, закручивающих поток, в сторону вращения рабочего колеса, или в противоположную сторону в зависимости от конструктивных особенностей компрессора.

Комбинированный центробежно-осевой компрессор

Комбинированным называют многоступенчатый лопастной компрессор, у которого первые ступени сжатия являются осевыми, а последняя — центробежной. Комбинированный компрессор, позволяет обеспечить большую, чем при использовании осевой машины, степнь сжатия, сохраняя высокий КПД.

Схема комбинированного центробежно-осевого компрессора показана на рисунке.

Газ подводится к всасывающему патрубку и поступает на осевые лопатки первой ступени, после которых установлен направляющий аппарат, затем газ поступает на следующую осевую ступень, где степень сжатия газа увеличивается. После прохождения всех осевых лопаток газ поступает в центральную часть центробежного колеса. В результате взаимодействия с лопатками центробежного рабочего колеса, газ под действием центробежной силы поступает в отводящее устройство и направляется в напорную магистраль.

Применение осевых компрессоров

Осевые компрессоры используют в доменном производстве на металлургических предприятиях, в газотурбинных установках, авиационных реактивных двигателях, для обеспечения наддува двигателей внутреннего сгорания.

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.

Читайте также  Прессостат компрессора что это такое?

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.

Общее устройство и принцип действия осевого компрессора

Основными принципиальными элементами устройства осевого компрессора являются расположенные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток. Каждый венец вращающихся лопаток образует рабочее колесо (РК), а каждый венец неподвижных лопаток — спрямляющий аппарат (СА).

Каждая пара РК и СА представляет собой ступень компрессора, т.е. секцию, в которой полностью реализуется его принцип действия с соответствующим повышением давления.

Сочетание ступеней в осевом компрессоре осуществляется конструктивно сравнительно просто, поскольку в нем каждая частица воздуха движется по траекториям, почти равноотстоящим от оси компрессора (отсюда компрессоры и получили название осевых). При допустимом уровне гидравлических потерь возможное повышение давления в одной ступени относительно невелико, поэтому 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 высоты лопаток по ходу движения воздуха уменьшаются.

Исходные данные

Рабочее тело — воздух.

— давление на входе в компрессор.

— температура на входе в компрессор.

— адиабатный КПД компрессора.

G=12 кг/с — расход воздуха.

— степень повышения давления.

k=1,4 — показатель адиабаты.

R=287,4 Дж/кгК — газодинамическая постоянная.

— окружная скорость. Компрессор дозвуковой.

— коэффициент расхода на входе.

— коэффициент расхода на выходе.

— степень реактивности первой ступени.

Предварительный расчёт осевого компрессора

Осевая скорость на входе в компрессор:

Осевая скорость на выходе из компрессора:

1. Первоначальное значение степени повышения давления лопаточного аппарата:

2. Температура заторможенного потока на выходе из компрессора:

3. Температуру газа на выходе из компрессора:

4. Плотность заторможенного потока на выходе из компрессора:

5. Плотность газа на выходе из компрессора:

6. Потеря давления на выходе:

7. Уточняем -коэффициент восстановления полного давления в выходном патрубке:

8. Определяем статическую температуру газа на входе в компрессор:

9. Плотность заторможенного потока на входе в компрессор:

10. Плотность газа на входе в компрессор:

11. Потеря давления на входе:

13. Степень повышения давления лопаточного аппарата:

14. к.п.д. лопаточного аппарата:

15. Работа лопаточного аппарата:

16. Работа компрессора:

17. Мощность компрессора:

Определение геометрических размеров

Площадь проточной части на входе:

Площадь проточной части на выходе:

1. Диаметр корпуса на входе:

2. Диаметр втулки на входе:

3. Высота лопатки на входе:

4. Относительный диаметр втулки на выходе:

5. Диаметр втулки на выходе:

6. Высота лопатки на выходе:

Определение числа ступеней и распределение напоров

Число ступеней округляется до целого значения и пересчитывается:

Распределение работы по ступеням с использованием коэффициентов напора можно производить исходя из следующих соотношений:

в первой дозвуковой ступени =(0.5-0.6)

в первой околозвуковой или сверхзвуковой ступени =(0.75-0.85)

в средней ступени — напор максимальный =(1.15-1.2)

в последней ступени =(0.95-1.0)

Распределение К.П.Д. по ступеням

Средним к.п.д. ступеней является заданный политропный к.п.д.. В первых до и околозвуковых ступенях величину к.п.д. следует снижать на 1.5…2.5%, в первой сверхзвуковой ступени на 2…4%. В средних ступенях к.п.д. увеличивается на 1…2% относительно среднего значения. В последних ступенях к.п.д. также снижается на 1.5…2%.

При распределении к.п.д. должно выполнятся условие:

Температура торможения на входе в первую ступень:

Изменение температуры в ступени:

Температура торможения на входе в последующие ступени равна соответственно температурам на выходе из предыдущих ступеней:

Адиабатное изменение температуры в ступени:

Адиабатная температура торможения на выходе из ступени:

Степень повышения давления в ступени:

Произведение всех степеней повышения давления ступеней должно равняться степени повышения давления лопаточного аппарата:

Принцип работы осевого компрессора

Осевым компрессором называется лопаточная машина, в которой происходит преобразование механической работы, получаемой от турбины, в энергию давления воздуха, при этом воздух в проточной части компрессора движется, преимущественно, вдоль оси двигателя по поверхностям, близким к цилиндрическим.

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 Ah, движущейся вдоль цилиндрической поверхности А-А. Для чего рассмотрим межлопаточные каналы ВНА, РК и НА в сечении их цилиндрической поверхностью А-А.

Рис. 2.1. Схема первой ступени осевого компрессора с входным направляющим аппаратом.

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

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

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

Из этого 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 30ч35О, 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 р * ст=1,2ч1,35. Для получения больших значений Лв осевых компрессорах устанавливают несколько ступеней. Компрессор двигателя ТВ2-117 содержит 10 ступеней.

Рис, 2. 2. Изменение параметров воздуха в ВНА и ступени осевого компрессора

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, 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 (Fв) должна быть больше площади на выходе из компрессора площади (Fк).

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 30ч40 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 (СКА) к его скорости на входе в компрессор (СВА) принимается 0,5ч0,6. Уменьшение поперечного сечения проточной части компрессора может осуществляться:

  • — при постоянном внешнем диаметре корпуса компрессора (DK) и увеличивающемся внутреннем диаметре (диаметре втулки) (DBt) (рис.2.3, а);
  • — при постоянном диаметре втулки и уменьшающемся диаметре корпуса (рис.2.3, б);
  • — при увеличивающемся диаметре втулки, уменьшающемся диаметре корпуса и постоянном среднем диаметре (рис. 2.3, в).
Читайте также  Клапан запорный для воздушного компрессора

Рис. 2.3. Возможные формы проточной части многоступенчатого осевого компрессора:

а—Dк = const; б—Dвm = const; в— Dcp = const

Наибольшее распространение получила первая схема (рис.2.3, а), так как она обеспечивает получение более высоких значений тест всех ступеней. Это объясняется следующим: с ростом окружной скорости движения лопаток РК увеличивается работа, подводимая к воздуху, возрастает степень повышения давления. При выполнении компрессора с постоянным диаметром корпуса 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. Именно по такой схеме выполнен компрессор двигателя ТВ2-117.

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

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.

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.

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.

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

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.

Читайте также  Какая производительность компрессора нужна для пескоструя?

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.

Устройство и принцип действия осевого компрессора

Осевой компрессор (Рисунок 48) состоит из входного устройства 1, во многом подобного входному устройству центробежного компрессора, с помощью которого газ подводится к входному направляющему аппарату (ВНА) 2. Входной направляющий аппарат организует поток и придает ему необходимое направление движения, после чего он поступает на рабочее колесо (РК) 3. Отметим, что в некоторых конструкциях осевых компрессоров ВНА может отсутствовать, и тогда поток поступает к лопаткам РК непосредственно из входного устройства. От лопаток РК к газу подводится механическая энергия, причем характер изменения скорости и давления газа при его движении от входного до выходного сечения РК зависит от коэффициента реактивности ступени. В ступенях с коэффициентом реактивности давление в РК не изменяется, а абсолютная скорость возрастает; в ступенях у которых , давление в РК и абсолютная скорость газа увеличиваются; в ступенях с давление в РК возрастает, а абсолютная скорость по модулю остается постоянной, изменяясь только по направлению.

Рисунок 48 – Осевой компрессор

Из РК газ поступает в направляющий аппарат (НА) 6, в котором изменение его давления и скорости также зависит от коэффициента реактивности. При скорость в НА уменьшается, а давление растет, причем давление увеличивается только в НА; при скорость в НА также уменьшается, а давление возрастает; при давление в НА неизменно, а скорость по модулю постоянна и изменяется только по направлению (Рисунок 50).

При выходе из последней ступени газ проходит спрямляющий аппарат (СА) 4, который придает выходной скорости осевое направление. Обычно СА выполняют совмещенным с НА последней ступени. Из СА сжатый газ поступает в выходное устройство 5, которое по конструкции представляет собой обращенное входное устройство, что принципиально отличает его от выходных устройств центробежного компрессора.

Ступень осевого компрессора состоит из РК и расположенного за ним НА (Рисунок 49). Входной направляющий и выходной, спрямляющий аппараты, если они предусмотрены в конструкции машины, являются самостоятельными элементами проточной части и в состав ступени не входят.

Размеры элементов ступени многоступенчатого осевого компрессора зависят от выбора формы его меридианного сечения (см. ниже). В общем случае высота лопаток при входе и выходе РК и НА изменяется, уменьшаясь от входного сечения к выходному. Это объясняется тем, что по мере сжатия плотность газа растет, его объемный расход уменьшается, и при мало меняющейся осевой расходной составляющей скорости потока в ступени высота лопаток уменьшается.

Рисунок 49 – Ступень осевого компрессора

В зависимости от формы меридианного сечения компрессора средний диаметр

может увеличиваться (при ), оставаться постоянным (при этом и ) или уменьшаться (при ). Здесь индексом “ i ” обозначены номера характерных сечений ступени. Традиционно входному сечению РК присваивают индекс “ 1 “; выходному сечению РК и входному сечению НА – индекс “ 2 “; выходному сечению НА – индекс “ 3 “.

Треугольники скоростей при входе и выходе из РК осевой ступени строятся так же как и для центробежной (Рисунок 50). Относительная скорость при входе в РК равна векторной разности , а абсолютная скорость при входе в НА равна векторной сумме . Векторы абсолютной скорости при входе в РК, относительной при выходе из РК и абсолютной при выходе из НА определяются геометрическими параметрами и режимом работы лопаточных аппаратов НА предыдущей, РК и НА рассматриваемой ступени.

Элементарная ступень осевого компрессора располагается между двумя соосными цилиндрическими поверхностями радиусов r и dr+r (см. Рисунок 49). Развернув цилиндрическое сечение радиуса r на плоскость, получим бесконечную систему профилей, расположенных под одним и тем же углом к фронту решетки на одинаковых расстояниях друг от друга. Профили подвижного ряда, соответствующего РК и движущегося со скоростью, равной окружной скорости на поверхности цилиндра радиуса r, могут отличаться от профилей неподвижного ряда, соответствующих НА.

Рисунок 50 – Кинематика потока в ступени осевого компрессора

Полученная таким образом система профилей называется плоской решеткой профилей (см. Рисунок 50). Совокупность двух расположенных друг за другом плоских решеток профилей, из которых первая, соответствующая РК, перемещается по плоскости параллельно фронту решетки со скоростью , а вторая, соответствующая НА, неподвижна, рассматривается как элементарная ступень осевого компрессора. У элементарной ступени окружная скорость постоянна, т.е. , а осевая скорость принимается одинаковой во всех сечениях.

Лопатки РК во всех случаях должны быть закрученными по высоте, причем с увеличением радиуса углы установки профилей уменьшаются (Рисунок 51). Из условий прочности толщина профилей возрастает от периферии к корню, а поворот профилей осуществляется от периферии к корню, а поворот профилей осуществляется относительно центров их тяжести, которые обычно располагают на одном радиусе, чтобы избежать возникновения дополнительных напряжений изгиба от центробежных сил.

Рисунок 51 – Лопатка рабочего колеса осевого компрессора.

На рисунке 52 показано бесциркуляционное и циркуляционное обтекание профиля лопатки. В случае (а) обтекание профилей будет бесциркуляционным, а положение задней точки В схода потока – произвольным, зависящим только от положения профиля в потоке. Однако в реальной вязкой жидкости при безотрывном течении точка В располагается на задней кромке профиля, очерченной в выполненных конструкциях окружностью малого радиуса. Кроме того, теоретическое исследование крыловых профилей различного типа показало, что если задняя кромка профиля имеет угловую точку с бесконечно малым радиусом кривизны, то при таком характере обтекания, как показано на рисунке 52а, скорость потока в этой точке должна быть бесконечно большой. Это приводит к физически невозможным бесконечно большим отрицательным давлениям у задней кромки. Обобщая эти факты, Н.Е.Жуковский и С.А. Чаплыгин сформулировали такой постулат: среди бесконечного числа теоретически возможных обтеканий профиля с угловой точкой на задней кромке в действительности осуществляется плавное обтекание с конечной скоростью в этой точке. Это означает, что точка схода потока В при безотрывном течении всегда будет совпадать с угловой точкой на задней кромке профиля (Рисунок 52б).

Рисунок 52 – Бесциркуляционное (а) и циркуляционное (б) обтекание профиля лопатки