2 Осевые турбомашины
2.1 Осевой компрессор, назначение, типы. Состав. Газовая динамика осевого компрессора
Осевой компрессор представляет собой лопаточную машину, в которой механическая работа преобразуется в потенциальную энергию сжатого газа с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками.
Лопатки – аэродинамические профили, равномерно расположенные на вращающихся или неподвижных ободах (венцах). Распределение скоростей лопатки при работе представлено на рис. 12.
Рис. 12. Распределение скоростей лопатки при работе
ω – угловая скорость или частота вращения (об/мин);
С – окружная линейная скорость (м/сек.)
Конструкция лопатки
Лопатка состоит из профильной части, которая обтекается потоком воздуха или газов (рис. 13) и замковой части, с помощью которой она крепится к ротору.
Рис. 13. Рекомендуемый угол обтекания лопатки
По высоте перо лопатки имеет геометрическую закрутку в соответствии с законом изменения скоростей: чем дальше от центра вращения, тем больше линейная скорость при одной и той же угловой частоте вращения ротора.
Условием эффективной работы лопаток является режим безотрывного обтекания их профиля набегающим потоком воздуха. Максимальная эффективность достигается при направлении потока воздуха по касательной к профилю лопатки – на номинальном режиме работы двигателя, который является расчетным режимом работы двигателя.
Безотрывное обтекание обеспечивается в узком диапазоне угол обтекания 100-150, за пределами которого начинается срыв потока с профиля лопаток, вызывающий помпажные явления.
Помпаж: нерасчетный режим работы, вызванный срывом потока воздуха с профиля лопаток и возникновением вихреобразных процессов, «запирающих» проточную часть компрессора. Внешние проявления помпажа:
– нехарактерный гул;
– повышенная вибрация;
– хлопки, удары;
– обратный выброс воздуха на вход и т. п.
Помпаж характеризуется нерасчетными знакопеременными нагрузками на все узлы и детали компрессора вплоть до их разрушения.
К лопаткам предъявляются самые жесткие требования по аэродинамическим качествам, механической прочности и высокой точности изготовления.
Способы крепления лопаток (типы замковой части).
Осевой компрессор:
– замок типа «ласточкин хвост»;
– замок зубчикового типа;
– т-образные.
Турбина:
– замки елочного типа.
По сравнению с компрессорными, лопатки турбины толще, массивнее, имеют большие радиусы скругления, что объясняется тяжелыми высокотемпературными условиями их работы.
Материал лопаток.
Компрессорные: Al (алюминий), Ti (титан), сталь.
Турбинные: жаропрочные сплавы на основе хрома, никеля, кобальта и др.
В осевом компрессоре осуществяется первый из рабочих процессов ГТУ, а именно: сжатие рабочего тела.
Таким образом, назначение компрессора – сжатие воздуха и подача его в камеру сгорания.
Типы компрессоров:
– центробежные (к.п.д. 0, 82- 0, 85);
– осевые (к.п.д. 0, 87-0, 91).
Состав осевого компрессора:
– ротор;
– статор;
– опоры ротора.
Основной элемент – ротор, конструкция которого и определяет тип всего компрессора.
Ротор дискового типа (рис.14)
Рис. 14. Ротор дискового типа
Достоинства ротора дискового типа – большая прочность в радиальном направлении, то есть возможность достижения высокой скорости вращения.
Недостатки ротора дискового типа – малая изгибная жесткость и соответственно низкая виброустойчивость.
Ротор дискового типа на мощных ГТУ не применяется.
Ротор барабанного типа (рис. 15)
Рис. 15. Ротор барабанного типа
Достоинства ротора барабанного типа – жесткость и высокая виброустойчивость.
Недостатки ротора барабанного типа – большая масса и связанная с этим трудоемкость изготовления.
Ротор барабанного типа самый прочный, дешевый и простой. Очень большая масса.
Ротор смешанного (барабанно-дискового) типа (рис. 16) имеет более сложную технологию производства, но в 3-4 раза меньшую массу. Это основной тип для авиационных ГТУ.
Рис. 16. Ротор смешанного типа (барабанно-дискового)
Достоинства смешанного типа (барабанно-дискового) ротора – сочетание высокой прочности в радиальном направлении (большой скорости вращения) с большой изгибной жесткостью (виброустойчивостью) при небольшой массе и приемлемой технологичности
Статор – корпус компрессора – основная деталь силовой схемы ГТУ, внутри которого на опорах монтируется ротор и крепятся спрямляющие аппараты.
Спрямляющий аппарат – кольцевой набор неподвижных профилированных лопаток, образующих расширяющиеся (диффузорные) каналы, в которых:
– продолжается повышение давления воздуха за счет снижения его скорости в межлопаточных каналах;
– организуется подача воздуха в рабочее колесо следующей ступени под требуемым углом.
Ступень компрессора состоит из рабочего колеса (РК) и спрямляющего аппарата (СА). Именно наличие СА создает условия для работы следующей ступени, то есть продолжения процесса сжатия. Степень сжатия (π) одной ступени невелика (1, 15-1, 35), поэтому все осевые компрессоры многоступенчатые. Степень сжатия осевого компрессора равна произведению степеней сжатия всех его ступеней:
.
Очень большое влияние на эффективность компрессора оказывает величина радиального зазора (S) между концом лопатки и корпусом (рис. 17). Эту величину стремятся свести к нулю, чтобы исключить бесполезные перетечки воздуха. Увеличение отношения s/h (h – высота лопатки) на 1 % уменьшает к.п.д. компрессора на 3 %.
Рис. 17. Радиальный зазор