Осевой компрессор

При расчете осевых нагрузок на детали компрессора, определяются осевые силы, действующие на ротор и статор, как сумма осевых сил действующих на каждое рабочее колесо (РК) и направляющий аппарат (НА) от газового потока (Рис.1.2).

Осевая газодинамическая сила на лопатках рабочего колеса ступени S определяется по формуле:

, (1.2)

а б

Рис.1.2. Схема расчёта осевых сил ступени компрессора:

а – рабочее колесо; б – направляющий аппарат

где: – статические давления и осевые скорости на среднем радиусе проточной части рабочего колеса компрессора ступени S (рис.1.2,а); . .

Это приближенное определение т.к. и изменяются по радиусу.

Полная осевая сила, действующая на все рабочее колесо ступени S, определяется как сумма равнодействующих всех сил статического давления, действующих на боковые поверхности рабочего колеса.

, (1.3)

где и – статические давления, действующие на боковые поверхности колеса, равные соответствующим давлениям в корневом сечении лопаток;

– статические давления слева и справа внутри барабана. Обычно , но силы от них разные, так как и – не равны; площади и - определяются радиусами уплотнений и барабанов, и легко определяются по формулам:

Осевые усилия, действующие на лопатки направляющего аппарата ступени S, рассчитывается по зависимости аналогичной (1.2)

(1.4)

где - статические давления и осевые скорости на входе и выходе направляющего аппарата ступени S (рис. 1.2,б)

Полное осевое усилие, действующее на направляющий аппарат, складывается из суммы:

, (1.5)

где - статические давления, действующие на кольцевые участки от корневого сечения лопатки НА до радиуса уплотнения на входе и выходе;

Осевые силы на рабочем колесе и направляющем аппарате компрессора действует в сторону входа, и достигают сотен килоньютонов. От действия осевых сил в элементах корпуса и ротора возникают напряжения растяжения или сжатия. Усилие растяжения возрастает от первой ступени к последней, т.к. происходит сложение осевых сил ступеней. Наибольшее усилие за последней ступенью компрессора.

Для снижения суммарной осевой силы ротора перед торцевой поверхностью первой ступени рабочего колеса компрессора создается думистная полость П (Рис.1.3.), в которую подается воздух повышенного давления от промежуточной ступени.

Рис.1.3. Разгрузка ротора компрессора от осевых сил

За торцевой поверхностью последней ступени также создается думистная полость З, между уплотнениями с диаметрами D_УЗ и d_УЗ с почти атмосферным давлением . В результате возникает разгружающая положительная сила как разность сил слева и справа

, (1.6)

где

Центробежный компрессор

В ряде конструкций ГТД находит при­менение центробежный компрессор. Его применение целесообразно в качестве последней ступени компрессора газогенератора ТРДД с высокими значениями двухконтурности и степени повы­шения давления. Рассмотрим методику определе­ния осевой силы, действующей на рабочее колесо такой сту­пени.

В качестве примера рассмотрим конструкцию с полуоткры­тым рабочим колесом, с лабиринтным уплотнением на задней сто­роне диска (рис. 1.4.).

Рис. 1.4. Центробежный компрессор

Осевое усилие, действующее на рабочее колесо ступени, опре­деляется:

, (1.7)

где — осевое усилие, действующее на передний торец рабо­чего колеса; - осевое усилие, действующее на внешнем участ­ке заднего торца и равное ; - осевое уси­лие, действующее на участке уплотнения ; - осевое усилие, действующее на внутреннем участке равное .

Усилие , возникающее от статического давления потока слева, на участке определяется исходя из приближенной квадратичной оценки изменения давления по радиусу:

Усилие, соответствующее этому распределению давления, можно определить по формуле

(1.8)

Общее усилие на передний торец рабочего колеса равно

(1,9)

Величина усилия в уплотнении Р_у определяется из условия изменения давления на участке d₂ –d₁ по линейному закону от P₂ до P¹₂. Взяв среднее значение, величину силы можно подсчитать по формуле

(1.10)

Общее осевое усилие центробежного колеса можно предопре­делять при проектировании, выбирая необходимое расположение лабиринтного уплотнения, т.е. размеры и и давление .

Газодинамические силы, действующие на стенки лопаточного диффузора центробежного компрессора, определяются как геометрическая сумма сил осевого и радиального направлений (рис.1.5.).

(1.11)

(1.12)

, (1.13)

где - давление на входе и выходе лопаточного диффузора (направляющего аппарата); - скорости воздуха в соответствующих сечениях; .

Рис. 1.5. Лопаточный диффузор центробежного компрессора

Для определения силы действующей на фланцы крепления патрубка, необходимо учесть давление воздуха на наружную поверхность. Для увеличения запаса прочности этой силой можно пренебречь.