5. Основы теории турбомашин

5.1 Осевые компрессоры

Изолированная ступень осевого компрессора состоит из входного направляющего аппарата (ВНА), рабочего колеса (РК) и направляющего аппарата (НА) - рис.5.1. С приведением во вращение РК воздух, проходящий через лопаточный венец, получает энергию в виде скорости в направлении вращения и в виде давления (решетка РК диффузорна, т.е. представляет собой расширяющийся канал). Последующий НА превращает скоростной напор в давление, раскручивает поток до направления, которое было в сечении 1-1. В последней ступени осевого компрессора спрямляющий аппарат обычно раскручивает поток до осевого направления.

а) б)

Рис. 5.1. Схема ступени осевого компрессора (а),

соответствующие ей треугольники скоростей (б).

5.1.1. Кинематические и газодинамические параметры компрессорной ступени.

Существует связь между адиабатным К.П.Д. ступени η_СТ и окружной скоростью U, осевой составляющей абсолютной скорости С_а и углами β₁ и β₂ (рис.5.1), которую рассмотрим на примере ступени с закруткой на входе по направлению вращения, т.е. при α = 90º. По формуле Эйлера при U₁ = U₂ = U К.П,Д. ступени определится как:

(5.1)

С учетом того, что , а , зависимость (5.1) запишется в виде:

(5.2)

В большинстве случаев , тогда

(5.3)

Одним из основных кинематических параметров ступени, определяющих η_СТ, является окружная скорость на периферии U_н. В любой реальной конструкции U_н ограничена прочностью ротора и рабочих лопаток.

Скорость С_а на среднем диаметре определяет объемный расход при

данных размерах. Пользуются понятием коэффициента расхода =С_a /U. Подставляя в формулу для напора C_a = ·U, получаем:

(5.4)

т.е. при заданных С_а и работа сжатия ступени пропорциональна квадрату окружной скорости.

Кроме того распространено использование коэффициента теоретического напора

(5.5)

Тогда , где U – условный предельный теоретический напор, который можно получить от ступени при C_2U = U и при C_1U = 0.

Из всего вышесказанного следует, что

(5.6)

т.е. при заданном коэффициенте расхода коэффициент напора зависит только от угла поворота потока в решетке.

5.1.2. Степень реактивности компрессорной ступени

В зависимости от располагаемой окружной скорости ступень осевого компрессора можно выполнять с закруткой потока на входе в РК по вращению, с чисто осевым входом и с закруткой против вращения (рис. 5.2). В стационарном газотурбостроении применяют все три типа ступеней,

Рис.5.2. Схемы ступеней с различной степенью реактивности ρ_к :

а - с закруткой по направлению вращения (ρ_к = 0,5); б - без закрутки

(ρ_к = 0,75); в - с закруткой против вращения (ρ_к =1)

особенно, если компрессор расположен на одном валу с электро­генератором, частота вращения которого ограничена 3000 об/мин.

В теории компрессоров пользуются понятием кинематической степени реактивности ступени

(5.7)

Пределы изменения степени реактивности 0,5 – 1.

Когда ρ_к = 0,5 , то = 0,5; = U, и из рис.5.2 видно, что , т.е. , а Здесь преобразование энергии происходит как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате в равной мере. Ступени с закруткой по вращению наиболее распространены в компрессорах газоперекачивающих агрегатов.

Когда ρ_к = 0,75, то = 0,25; = 0,5U; при = = 0,5U = 0, – получаем ступень без закрутки. В ней около 75% энергии преобразуется в давление в РК, а 25 % – в НА. Широко применяют и ступени с небольшой закруткой по вращению, у которых 0,5 < ρ_к < 0,75.

При ρ_к = 1 = 0, т.е. – проекции равны и направлены в противоположные стороны. Здесь все преобразование энергии происходит в РК, а в НА поток поворачивает вокруг оси компрессора, давление не изменяется.

Последнее время авиадвигателестроители проявляют интерес к сту­пеням с ρ_к = 1 в так называемых биротативных компрессорах, в которых направляющие аппараты отсутствуют, а есть два ротора, вращающиеся в противоположных направлениях.