9.4 Осевой центральный компрессор
Ступень компрессора состоит из двух последовательно расположенных венцов (см. рис. 9.6) – вращающегося (РК) и неподвижного (НА), в которых последовательно происходит сжатие рабочего тела. Скорость абсолютного потока на входе в РК c1 в большинстве случаев имеет отличное от осевого направление (1≠90°). Положительная закрутка потока на входе с1u>0 создается либо НА предыдущей ступени многоступенчатого компрессора, либо входным направляющим аппаратом (ВНА) I ступени. Отметим, что в ряде случаев для I ступени (особенно для ступени вентилятора) ВНА отсутствует и величина c1u=0 (1=90°). В рабочем колесе к потоку подводится механическая энергия. Окружное усилие направлено против вращения (см. рис. 9.4), поэтому для преодоления этого усилия надо подводить механическую энергию, под действием которой в рабочем колесе происходит сжатие рабочего тела (р2>p1) и увеличивается кинетическая энергия потока в абсолютном движении с2>с1 . При течении через решетку РК относительная скорость w2 уменьшается и, следовательно, сечение струи на входе в РК меньше, чем на выходе (F1PK<F2PK), соответственно 2>1. Процесс сжатия в РК аналогичен процессу в обычном диффузоре.
Рис. 9.6. Схема ступени компрессора и треугольники скоростей
Хотя, как отмечалось выше, абсолютная скорость с2 вследствие подвода механической энергии больше скорости на входе с1 осевая компонента с2а, как правило, меньше c1a. Таким образом, увеличение абсолютной скорости на выходе связано с увеличением ее окружной компоненты с2u.
Скорость на выходе из НА меньше, чем на входе, таким образом, процесс в НА так же, как и в РК диффузорный и F3HA>F2НА; 3>2 (см. рис. 9.6).
Геометрические параметры ступени.
Характерным размером ступени является
наружный диаметр на входе в РК Dк1.
Относительная высота лопатки
характеризуется величиной относительного
диаметра втулки
=Dвт1/Dк1.
Величина относительного диаметра втулки
изменяется в широких пределах. Так, в
первых ступенях и особенно в одноступенчатых
вентиляторах
=0,3...0,4,
в последних ступенях –
=0,8...0,9.
Важнейшим
геометрическим параметром является
удлинение лопаток. Если определить
высоту лопатки по входу hл=(Dк1–Dвт1)/2,
то отношение высоты лопатки к хорде на
среднем диаметре и определяет удлинение
лопатки
=hл/bср.
Удлинения лопатки изменяются в широких
пределах от 3,5-4,5 до 1,5-2,5.
Кинематические и газодинамические параметры ступени. В качестве характерной принимается окружная скорость на периферийном диаметре Dк во входном сечении uк1. Величина окружной скорости во многом определяет величину напора ступени и других важнейших параметров ступени. В современных компрессорах и вентиляторах величина uк1 доходит до значений 450-600 м/с.
Осевой
компонент абсолютной скорости с1a
определяет объемный расход рабочего
тела через единицу проходного сечения.
Величина c1a изменяется
в широких пределах: в первых ступенях
она составляет 200-230 м/с,а в последних
80-100 м/с. Наряду с размерной величиной
осевого компонента скорости часто
употребляется безразмерная величина
=са/uк1,
называемая коэффициентом расхода.
Различают дозвуковые, трансзвуковые и
сверхзвуковые ступени компрессора.
Поскольку в ступени компрессора
осуществляется торможение потока,
наибольшие скорости возникают во входных
сечениях РК w1
и НА с2. Поэтому в качестве
характерных параметров ступени выбирают
=w1/a1
(или w1)
и
(или с2/а2). Дозвуковыми
называются ступени, у которых по всей
высоте лопатки на расчетном режиме
<1;
<1,
сверхзвуковыми, у которых
>1
или
>1,
трансзвуковыми, у которых величины
и
изменяются по высоте лопатки от дозвуковых
до сверхзвуковых значений.
Важнейшим параметром ступени, определяющим ее степень нагруженности, является коэффициент напора:
(9.14)
который называется коэффициентом затраченного напора (Hz=Lк.ст – затраченная работа);
Величина коэффициента напора ограничена и ее выбирают не выше определенной величины. Формула показывает, что в этом случае затраченная работа или напор отнесены к квадрату окружной скорости.
.
Коэффициент
теоретического напора
при постоянной величине c1a тем
больше, чем больше торможение потока в
ступени. В свою очередь торможение
потока тем больше, чем больше угол
поворота потока =2–1,
чем больше торможение осевой скорости
и чем больше увеличение радиуса струек
тока (r2>r1).
Основной вклад в торможение потока в
ступени осевого компрессора вносит
величина угла поворота потока .
Поэтому для коэффициента теоретического
напора будем из соображений большей
наглядности употреблять упрощенную
зависимость для коэффициента теоретического
напора при u1=u2(r1+r2)
и с1a=с2u:
(9.18)
Резюме темы 9
Компрессоры и турбины состоят из ступеней, состоящих из рядов неподвижных лопаток (статора) и вращающихся рядов лопаток (ротора). Повышение давления в ступнях компрессора намного меньше, чем понижение давления в ступнях турбины из-за благоприятного градиента давлений в турбине и неблагоприятного градиента давлений в компрессоре.
Удовлетворительное сочетание работы компрессора и турбины возможно только в узком диапазоне отношений и . Приемлемые величины этих безразмерных параметров часто представлены через величины скорости для средней высоты лопатки.
Обмен работы в турбине или компрессоре описывается уравнением работы Эйлера:
.
Практический способ рассмотрения рядов лопаток турбины или компрессора состоит в принятии структурных рекомендаций, установленных относительно ротора (в относительной системе координат) и для статора (в абсолютной системе координат). Наиболее лёгкий способ состоит в использовании треугольников скоростей.
Тема 9 |
Турбомашины: компрессоры и турбины (вар 2) |