2. Оцінний розрахунок осьового компресора (вк).

Осьові компресори (ОК) зрідка застосовуються як агрегати наддування для. двигунів з високим газотурбінним наддуванням. Оскільки осьові компресори мають декілька ступенів, то звичайно підшипники розташовуються по кінцях ротора.

Вибираємо розрахункову форму проточної частини компресора. Звичайно розглядаються три основні форми (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Основні розрахункові форми проточних частин осьових компресорів морських ГТД

Проточна частина з D_з = const (див. рис. 6.3,а) забезпечує одержання найменшої висоти робочої лопатки останнього ступеня і відповідно мінімального діаметрального габариту компресора.

Проточна частина з D_с = const (див. рис. 6.3,б) забезпечує плавну конфузорність обрисів і є найбільш розповсюдженим типом проточної частини компресора.

Третій тип проточної частини з D_в = const (див. рис. 6.3,в) забезпечує одержання максимальної висоти робочої лопатки останнього ступеня.

На рис. 6.4 зображені трикутники швидкостей на вході і виході з робочого колеса ступеня ОК.

Звичайно в ступені OК в цілому зберігається умова с_1а ≈ с_2а ≈ с_а. Колові швидкості на вході і на виході на середньому діаметрі (D_с = const) можна вважати рівними, тобто U_c1 = U_c2.

Збільшення абсолютної швидкості повітря в каналі залежатиме від кута повороту потоку і від величини розширення каналу.

Для зменшення втрат енергії при русі повітря між лопатками профілі лопаток і кут їх установки вибираються так, щоб дотримувалася умова W₂ < W₁/1,5.

Вказана обставина є причиною щодо невеликого підвищення тиску в ступені ОК. Звичайно π_стк = 1,15...1,25.

Рис. 6.4. Трикутники швидкості повітря в ступені ОК

Розрахунок компресора починається із задання величини осьової швидкості на вході С_a1 = 120...160 м/с. Для зменшення діаметральних розмірів компресора і збільшення напірності ступенів бажано збільшувати величину осьової швидкості на вході в компресор. Однак при цьому варто мати на увазі, що із збільшенням величини осьової швидкості зростає рівень аеродинамічного шуму на всмоктуванні, що вкрай не бажано.

Вибір величини осьової швидкості на вході в компресор повинен бути пов’язаний з вибором величини колової швидкості U_з1 на зовнішньому діаметрі ротора компресора для його вхідного перерізу. Для створення ефективного ступеня компресора, як показує накопичений досвід проектування, величина відносної осьової швидкості на вході в компресор = С_a1 /U_з1 повинна знаходитися в межах 0,45...0,55.

На вибір величини колової швидкості U_з1 впливає взята конструкція ротора компресора. Треба враховувати, що найбільші значення величини колової швидкості допускають ротори дискової конструкції (до 390 м/с на периферії робочих лопаток), найменші значення . ротори барабанного типу (до 220 м/с). Найбільше поширення в даний час мають ротори дисково-барабанного типу. Для побудованих компресорів з подібними роторами величина U_з1 не перевищує 350 м/с. Тому при проектуванні можна задаватися величиною колової швидкості 280 < U_з1 < 340 м/с.

Використовуючи існуючий досвід проектування і створення компресорів, задаються величиною втулкового відношення на вході в компресор = D_в1/D_з1, що являє собою відношення внутрішнього і зовнішнього діаметрів ротора компресора в його вхідному перерізі. Можна рекомендувати: для ОК 0,50 < < 0,70.

При цьому для компресорів великої потужності варто брати менші значення величини втулкового відношення, а для невеликої потужності . більші значення.

Розрахунок починаємо з визначення габаритів вхідного перерізу компресора. Задаємося величинами колової швидкості U_з1 для вхідного перерізу та відносною осьовою швидкістю відповідно до наведених вище рекомендацій. Оцінюємо абсолютне значення осьової швидкості на вході в ГТД:

С_a1 = U_з1

Отримана величина повинна знаходитись у вказаних вище межах. Обчислюємо значення коефіцієнта швидкості для вхідного перерізу компресора:

,

де k_п1 - показник ізоентропи повітря, визначений для температури T₁.

Знаходимо значення газодинамічної функції за формулою

=

З рівняння суцільності, записаного для вхідного перерізу компресора, знаходимо величину кільцевої площі цього перерізу:

= ,м².

Зовнішній діаметр вхідного перерізу компресора визначимо для взятого значення втулкового відношення:

= .

Діаметри на вході в компресор:

внутрішній

= ;

середній

= .

Висота робочої лопатки першого ступеня компресора

= .

Частота обертання ротора компрессора

= , об/хв.

Переходимо до розрахунку габаритів вихідного перерізу компресора. Задаємося величиною осьової швидкості на виході з компрессора С_a2 = 100...140 м/с. Вибір величини осьової швидкості на виході з компресора слід пов’язувати з величиною осьової швидкості у вхідному перерізі. Звичайно компресор проектується таким чином, що по його тракту спостерігається деяке зниження величини осьової швидкості, а тому

С_a2 = (0,9...1,0)С_a1.

Коефіцієнт швидкості для вихідного перерізу компресора

= ,

тут k_п2. показник ізоентропи повітря, визначений для температури T₂.

Аналогічно розрахунку вхідного перерізу обчислюємо значення газодинамічної функції:

=

Знаходимо величину кільцевої площі вихідного перерізу компресора з рівняння суцільності, записаного з використанням апарату газодинамічних функцій,

= , м².

У табл. 6.2 наведені залежності для визначення діаметральних габаритних розмірів вихідного перерізу в залежності від вибраної форми проточної частини ОК.

Таблиця 6.2. Розрахункові формули для визначення габаритів перерізу

У будь-якому випадку висота робочої лопатки останнього ступеня компресора

= . (4.2)

Отримана за формулою (4.2) висота робочої лопатки останнього ступеня компресора повинна бути не менше 15...20 мм, тому що при менших геометричних розмірах спостерігається різке зростання втрат енергії в його останніх ступенях, а в результаті . різке зменшення ККД усього компресора.

Якщо необхідно збільшити висоту робочої лопатки останнього ступеня, слід: зменшити в допустимих межах величину втулкового відношення на вході в цей компресор; вибрати іншу розрахункову форму проточної частини; зменшити в допустимих межах величину осьової швидкості на виході з компресора.

Число ступенів осьового компресора можна оцінити, задавши величину середньостатистичного значення міри підвищення тиску в ступені π_стк Виходячи з накопиченого досвіду конструювання осьових компресорів, можна рекомендувати: π_стк = 1,22...1,24.

У такому випадку число ступенів компресора одержимо, округливши до цілого значення результат обчислень, за формулою

= .

Для оцінки осьового габариту багатоступінчастого компресора можна спочатку визначити осьовий розмір його деякого середнього розрахункового ступеня, який має кільцеву площу, що обчислюється за формулою

,

а потім отриманий результат помножити на число ступенів компресора.

У залежності від взятого типу проточної частини компресора за формулами табл. 6.2, підставляючи значення величини F_ск , знаходимо значення діаметральних розмірів цього середнього розрахункового ступеня (D_зс , D_сс , D_вс), а потім і висоту робочої лопатки l_кс .

Для одержання розрахункової моделі зобразимо проточну частину розглянутого середнього ступеня осьового компресора (рис. 6.5). Як випливає з ескізу проточної частини даного ступеня, його осьовий габарит можна обчислити за формулою

L_стк = b_р + δ_р + b_н + δ_н ,

де b_р , b_н - відповідно осьова ширина робочої і направленої решіток компресорного ступеня; δ_р - осьовий зазор між робочою і направленою решітками в ступені; δ_н - осьовий зазор між направляючою і робочою решітками наступного ступеня.

Рис. 6.5. Ескіз проточної частини середнього розрахункового ступеня осьового компресора: РЛ - робоча лопатка; НЛ - напрямна лопатка

Осьовий габарит проточної частини всього компресора визначаємо за формулою

L_к = L_стк .

Якщо на меридіанному кресленні проточної частини компресора не передбачається викреслювати кожний ступінь, то можна застосовувати менш трудомісткий підхід з використанням поняття відносної ширини середнього ступеня компрессора = L_стк/l_к.

Звідки

L_стк = l_кс .

Для компресорів можна рекомендувати = = 1,1…1,45.

За результатами розрахунків у зручному масштабі викреслюємо меридіанний переріз проточної частини розраховуваного компресора (рис. 6.6) і погоджуємо між собою габаритні розміри вихідних та вхідних перерізів, щоб забезпечити плавність середньої лінії течії в проточній частині ГТД.

Рис. 6.6. Меридіанний переріз проточної частини компресора

Потужність, яка споживається компресором

.