книги из ГПНТБ / Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

пических работ L%K0 и Ц ,к пл. (ba*k*c) = пл. (b a *k 0*d) и потому

Рко > Ptc ■

В авиационных компрессорах отвод тепла от сжимаемого воз­ духа практически осуществляется путем непосредственного впрыска охлаждающей жидкости в поток воздуха [31]. Этот способ не связан с существенным утяжелением и усложнением конструкции компрес­ сора, но при длительном применении требует больших запасов ох­ лаждающей жидкости на самолете, так как она в испаренном виде вместе с воздухом поступает в камеру сгорания и затем выбрасы­ вается в атмосферу. В связи с последним обстоятельством охлажде­ ние воздуха в авиационных компрессорах применяется лишь крат­ ковременно (для специальных целей) и поэтому предметом даль­ нейшего изучения будет являться исключительно теория неохлаждаемых компрессоров.

§ 7. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ, ПОТЕРИ НА УТЕЧКУ И ЭФФЕКТИВНАЯ РАБОТА КОМПРЕССОРА

нические сопротивления в виде сил трения в подшипниках. Энергия, расходуемая на эти сопротивления, превращается в

где NmK— мощность, расходуемая на преодоление механических сопротивлений.

Дополнительная затрата энергии в реальном компрессоре обусловливается также радиальными зазорами между его вра­ щающимися и неподвижными деталями. Эти зазоры приводят к утечке части сжатого воздуха обратно в область пониженного давления или в окружающую среду и, следовательно, к потере подведенной к этому воздуху энергии. Благодаря этому работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха, поступающего к потре­ бителю, возрастает на некоторую величину Ls , которая назы­

вается пот ерей на ут ечку.

30

Следует заметить, что та часть перетекающего через зазоры воздуха, которая остается внутри компрессора, передает полу­ ченную ею энергию в виде тепла основному потоку. Это об­ стоятельство приводит к дополнительному возрастанию темпе­ ратуры Тк* и должно учитываться в уравнении энтальпии. Однако в авиационных компрессорах потери на утечку на­ столько незначительны, что ими можно вообще пренебречь или приближенно считать, что указанный выше подвод энергии

Диаграмма, наглядно показывающая связь между различ­ ными работами и потерями энергии в компрессоре, представ­ лена на рис. 7.

§ 8. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССОРА

Совершенство использования затраченной энергии в реальном компрессоре оценивается его коэффициентами полезного действия. Понятия о к. п. д. основаны на сравнении работ реального и идеаль­ ного компрессоров с одинаковой степенью сжатия, поскольку такое сравнение дает возможность судить об имеющихся в 'компрессоре потерях энергии.

Основными к. п. д. компрессора являются: адиабатический, эф­

шение его адиабатической работы к внутренней:

1 Заметное распространение имеет также политропический к.п.д., но так как его величина однозначно определяется показателем политропы сжатия воз­ духа в компрессоре, то этот к. п. д. нами не рассматривается.

31

(1.29)

Адиабатический к.п.д. показывает, насколько совершенно работа, подведенная к воздуху в компрессоре, используется для повышения его давления.

Подставляя в исходное выражение (1.29) адиабатическую работу из (1.26), получим

(1.30)

Как видим, адиабатический к.п.д. учитывает собственно гид­ равлические потери в компрессоре и, кроме того, избыточную работу сжатия. Величина адиабатического к.п.д. зависит глав­ ным образом от гидравлических потерь, с ростом которых к.п.д. уменьшается, и дополнительно от степени сжатия: чем выше_г/, тем при данных относительных гидравлических поте­

рях LrK ниже v\adK .

В справедливости последней зависимости можно убедиться, заменив в (1.29) адиабатическую и внутреннюю работы по фор­ мулам соответственно (1.7) и (1.15). После подстановки будем иметь

рях LrK, адиабатический к. п. д. с ростом степени сжатия ком­ прессора уменьшается. При этом чем больше показатель т*, тем сильнее влияет степень сжатия на тrfad/i (рис. 8а). Уменьше­

ние адиабатического к.п .д . при увеличении степени сжатия компрессора физически объясняется быстрым ростом избыточ­

ной работы сжатия AL. При данных относительных ‘потерях Ьгк работа AL с увеличением ек* возрастает быстрее внутренней

работы L iK. Поэтому относительная избыточная работа AL = ^ -

*-*iK

увеличивается (рис. 86) и, как следствие, адиабатический к. п. д. падает.

Из рис. 86 следует, что при характерных для современных

авиационных компрессоров значениях Lric^ 8 -f-20 %, относи­ тельная избыточная работа сжатия при еК* ^ 4 -ч- 5 составляет около 2 — 5%, а при 10 - г - 12 — примерно 3 — 8% .

Осевые и центробежные компрессоры имеют заметно отли­ чающиеся адиабатические к.п .д . У осевых компрессоров адиа-

.32

Рис. 8. Адиабатический к.п.д. и относительная избыточная работа в функции степени сжатия

откуда видно, что механическим к. п. д. оценивается относитель­ ная величина механических потерь в компрессоре.

У авиационных компрессоров механические потери по срав­ нению с внутренней работой незначительны, что объясняется их большой мощностью, прямым соединением с источником энергии и широким применением подшипников качения. По­ этому механический к.п .д. этих компрессоров бывает, обычно порядка 0,985 — 0,995.

Эффективным к. п. д. ком п рессора ч\* называется отношение его адиабатической работы к эффективной:

Эффективный к. п. д. характеризует совершенство исполь­ зования эффективной работы компрессора для повышения дав­ ления воздуха. Подставляя в (1.34) адиабатическую работу из (1.26) и учитывая (1.28), будем иметь

Умножив и разделив правую часть формулы (1.34) на внут­

В связи с высокими значениями i\mK эффективный к. п.д. компрессора несущественно отличается от его адиабатического

к. п.д.

Взаключение отметим, что при равенстве или небольшом различии между скоростями са и ck адиабатический и эффек­ тивный к. п.д. компрессора могут подсчитываться не только по полным, но и по статическим параметрам состояния воздуха,

потому что в этом случае L adK = LadK.

§ 9. МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ КОМПРЕССОРОМ

Так как на сжатие 1 кг воздуха расходуется работа LK, а в течение 1 сек через компрессор протекает G кг воздуха, то величина потребляемой компрессором мощности (в л. с.) опре­ деляется по формуле

где NK— эффективная мощность компрессора.

Подсчет мощности компрессора без учета механических по­ терь производится по формуле

\r 7,jKG __ i-aduG

(1.38)

/V“ - "75" - 75^

где NiK— внутренняя мощность компрессора.

34

Аналогично определяется мощность одной ступени компрес­ сора. У выполненных авиационных компрессоров эффективная мощность колеблется в широких пределах — примерно от 3000 до 50000 л. с. и более.

§ 10. ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССА МНОГОСТУПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ

Многоступенчатые компрессоры применяются в тех случаях, когда степень сжатия, создаваемая одноступенчатым компрессором^ оказывается меньше необходимой для двигателя..В таких компрес­ сорах процесс сжатия осуществляется в ряде последовательно рас­

нях. У многоступенчатого осевого компрессора, например, такими элементами являются неподвижные лопатки перед первым рабо­ чим колесом, дополнительный спрямляющий аппарат, нередко устанавливаемый за последней степенью, и др.

•Однако экспериментальные данные свидетельствуют О том, что в многоступенчатых авиационных компрессорах отмеченное расхож­ дение между показателями политроп' сжатия в количественном от­ ношении, как правило, невелико. Поэтому при выяснении принци­ пиальных термодинамических особенностей процесса многоступен­ чатого сжатия будем принимать показатели политроп для всех сту­

параметры состояния воздуха на выходе соответственно из пер­ вой, второй и третьей ступеней. Кривые а*-1*, ' 1*-Н*!и

представляют собой политропы сжатия в отдельных ступенях,

Адиабаты сжатия в последующих ступенях должны проводиться

(г — число ступеней), т. е. политропическая работа компрессора равна сумме политропических работ его ступеней.

Адиабатическим работам ступеней соответствуют следующие

т. e. адиабатическая работа всего компрессора меньше суммы адиабатических работ его отдельных ступеней. Это различие объясняется тем, что фактическая температура на входе в каж­ дую последующую ступень превосходит температуру конца адиабатического сжатия до того же давления. Иначе говоря,

Z

расхождение между L*adK и Ъ К а обусловливается наличием фак- 1

тора подогрева, т. е. более сильным подогревом воздуха во всех предыдущих ступенях по сравнению с идеальным про­

3 6

сжатия ек* число ступеней компрессора и показатель политропы сжатия в каждой ступени.

димо в каждой последующей ступени подводить к воздуху большую энергию, чем в предыдущей. Этим обусловливается трудность получения высоких степеней сжатия в последних ступенях компрессора.

Между степенью сжатия компрессора в целом и степенями сжатия его ступеней существует следующее очевидное соотно­ шение:

Наряду с этим адиабатический к. п.д. ступени

откуда следует

S i . = 2

X d X d l X d l l X d z

После подстановки получим искомую связь:

3 7 .

Эти потери находят отражение' в величине адиабатической ра­ боты компрессора .L*adK, так к^к она'подсчитывается по давле­

ниям на входе и .выходе из компрессора, а не непосредственно перед первой и за последней'ступенью.

В частном случае равенства адиабатических к.п. д. ступеней формула (1.43) принимает вид

илегко усматривается также из формулы (1.31). Эта фор­

пеней, знать дополнительно их степени сжатия, которые в пред­ варительной стадии расчета обычно бывают неизвестными. По­ этому в случае равенства или небольшого расхождения между показателями политроп сжатия ступеней целесообразнее подсчи­

3 8

что равносильно допущению

<<!

т. е. включению избыточной работы сжатия в число собственно гидравлических потерь в ступени.

Если компрессор состоит из двух групп ступеней, имеющих существенно различные показатели политроп сжатия, то его адиабатический к.п. д. можно определять по формуле

яг,*, яг,* — показатели политроп сжатия в этих ступенях.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСЕВОМ КОМПРЕССОРЕ

§ 11. УСТРОЙСТВО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Как указывалось во введении, многоступенчатый осевой ком­ прессор (рис. 10) состоит из ряда расположенных друг за другом

Рис. 10. Принципиальная схема многоступенчатого осевого компрессора

вращающихся рабочих колес (РК) и неподвижных спрямляющих аппаратов (СА).

Лопатки рабочих колес изготавливаются отдельно от несущих их элементов и с помощью специальных замков крепятся либо на

39