37. Классификация турбомашин по направлению передачи энергии, по преимущественному направлению потока. Преимущества и недостатки различных типов турбомашин.

Лопаточная машина – машина, которая посредством вращающихся лопаточных венцов осуществляет взаимообразование энергии рабочим телом, движущимся в проточной части, и внешним потребителем энергии.

Классификация

• По направлению передачи энергии:

Турбомашина может работать как турбина и как компрессор, однако, лопатки турбины плохо будут справляться с ролью лопаток компрессора и наоборот. Если лопатки сделать плоскими (не аэродинамический профиль), то такая лопаточная машина может быть как компрессором, так и турбиной, но с низким КПД. Универсальные машины не выгодны.

Разница между турбиной и компрессором – передача энергии между потребителем и внешним источником. В турбине потенциальная энергия из рабочего тела переходит в механическую энергию внешнего потребителя, а в компрессоре – наоборот.

• По преимущественному направлению потока:

Компрессоры могут быть центробежными и осевыми. Осевые и центробежные компрессоры различаются между собой направлением основного потока в рабочем колесе. В осевом компрессоре направление потока совпадает с осью вращения рабочего колеса, в центробежном компрессоре поток движется в радиальном направлении. КПД осевого компрессора превосходит КПД центробежного.

Преимущества и недостатки

1. Основным достоинством осевых компрессоров является удобство создания многоступенчатой конструкции из последовательно расположенных осевых ступеней. Это особенно важно, так как даже при окружных скоростях ик = 350 ... 450 м/с (и более) для получения высоких КПД степень повышения давления в одной ступени не превышает значений (у вентиляторов— 1,6 ... 1,7).

2. Другим важным достоинством осевых компрессоров является их высокая лобовая производительность. Она достигается как повышенными скоростями на входе в компрессор, так и выбором пониженных значений втулочного отношения у первой ступени = DBTl/DKl - 0,3 ... 0,35.

3. Более высокое значение КПД, даже при больших

4. Приемлемое значение массовых характеристик при сверхзвуковой и трансзвуковой ступенях ОК

К числу недостатков осевых компрессоров относятся:

1. сравнительно узкий диапазон рабочих режимов (режимов устойчивой работы),

2. большое число деталей и, в частности, лопаток (несколько сотен), что усложняет их производство и увеличивает стоимость,

3. чувствительность к условиям эксплуатации (попадание пыли и других предметов в проточную часть, увеличение зазоров и как следствие снижение КПД и др.)

4. Большие осевые габариты (проблемы с жесткостью ротора, радиальными зазорами)

5. Большое число ступеней соответствует большой массе

6. Малая степень повышения давления в ступени, требует многоступенчатой конструкции

38. Классификация турбомашин по форме меридионального сечения проточной части, преимущества и недостатки различных схем проточной части. Компрессор

Форма проточной части во многом опре­деляет газодинамическую эффективность, конструктивную надёжность и технологичность. На рис. 3.9 приведены наиболее употребительные схемы проточной части.

Несомненными преимуществами схемы с D_K = const (см. рис. 3.9, а) являются:

• возможность уменьшения ζ_κ в сравнении со схемами (б) и (в) по причине более высоких скоростей и_ср;

• при одинаковом числе ступеней в схеме (а) имеют место более низкие углы поворота потока Δβ„ следовательно, лопатки ступеней более технологичны;

• независимость величины δ_ri, при осевых перемещениях ротора, следовательно, имеет место возможность назначения меньшей его величины, чем в других схемах.

Однако нужно признать, что в схеме с D_K = const

• величи­на h_{л к} наименьшая из всех приведенных схем, если у них одинаковые π_κ, G_B и А_{са к}. Естественно, при этом возникают трудности с обеспечением высокого η_ст, из-за роста потерь на пере­текание в радиальном зазоре и вторичных потерь.

• Кроме того, масса ОК этой схемы ощутимо не снижается даже при меньшем числе ступеней, так как размеры дисков последних ступеней увеличиваются (см. рис. 3.9, а).

Схема с D_вm = const (см. рис. 3.9, в) имеет наибольшую h_{л к}. Однако в этой схеме возникают трудности обеспечения высоких значений η_ст, по причине повышенных Δβ, по сравнению со схемами (а) и (б).

Поэтому широкое распространение получи­ла схема с D_cp = const, сочетающая часть преимуществ схем с D_K = const и D_BT = const и обеспечивающая более высокий η_κ .

Осевые компрессоры строятся, как правило, многосту­пенчаты. Проточная полость образуется межлопастными каналами венцов рабочих и направляющих лопастей и по­верхностями корпуса и втулки.

В зависимости от формы внутренней поверхности кор­пуса и наружной поверхности втулки различают два ос­новных геометрических типа проточной полости (рис. 12.6):

В обоих случаях радиальная длина рабочих и направ­ляющих лопастей уменьшается в направлении от первой ступени к последней.

Изменение длины лопасти обусловлено уменьшением объема газа при сохранении постоянного значения осевой скорости. Последнее условие не является обязательным, и в некоторых случаях уменьшают осевую скорость в послед­них ступенях с целью уменьшения потерь энергии в них.

Минимальная высота лопасти последней ступени прибли­зительно 40 мм.

Изменение длины лопасти в направлении движения га­за приводит к изменению характерного для осевых машин значения втулочного отношения ν = d_вт/d_K.

Для первых ступеней ν_вх = 0,5 … 0,8, для последних ν_вых = 0,7 … 0,9.

Выясним особенности геометрических типов компрессо­ров, определяемых условиями (12.11).

1. d_вт = const; d_к = var. В этом случае втулка — ци­линдрическая и изготовление её несложно. Корневые части и крепления рабочих лопастей всех ступеней во втулке со­вершенно одинаковы. Последние лопасти в этой варианте имеют при прочих равных условиях длины, большие, чем в варианте с d_K=const. В этом легко убедиться, составляя уравнения неразрывности для обоих вариантов и полагая осевые скорости одинаковыми.

Увеличенная длина лопастей хвостовых ступеней умень­шает потери энергии в них.

2. d_вт = var; d_к = const. В этой схеме упрощаются обра­ботка корпуса и крепление в нем направляющих лопаток. Упрощаются и являются более надёжными обработка и пригонка внешних концов рабочих лопастей. Благодаря этому допускаются меньшие радиальные зазоры между концами рабочих лопастей и внутренней поверхностью корпуса, что повышает объёмный КПД ступени. Окружные скорости лопастей в этом случае выше, чем при d_вт = const; что увеличивает работу ступеней, и при заданной степени сжатия компрессора количество ступеней получается мень­шим, чем в первом случае. Недостатком этой конструктив­ной схемы применительно к малым подачам являются ма­лые длины лопастей хвостовых ступеней: КПД хвостовых ступеней снижается.

Кроме рассмотренных схем построения проточной по­лости иногда применяют и другие схемы с d_вт = var и d_K = var, не имеющие, однако, преимуществ перед рассмот­ренными.

Для стационарных осевых компрессоров применяют в большинстве случаев схему с d_вт = const.

Существенное влияние на энергетическую эффектив­ность осевого компрессора оказывает аэродинамика подво­дящего и отводящего каналов. Они конструируются, как правило, в виде спиральных и осевых каналов переменно­го сечения (конфузоров и диффузоров).