21.1 Преимущества и недостатки осевых компрессоров

Преимущества осевых компрессоров:

-меньшие радиальные размеры, чем у центробежных компрессоров;

-более высокие значения КПД, чем у центробежных компрессоров, из-за лучшей организации потока в осевых лопаточных аппаратах и как следствие – меньших газодинамических потерь в них.

Использование этих преимуществ позволит повысить энергетическую эффективность и уменьшить размеры и металлоемкость холодильных компрессоров. Что особенно актуально в современных условиях хозяйствования. Именно они были причиной полного вытеснения из авиационной техники центробежных компрессоров и замены их осевыми. Эти же факторы обусловили применение осевых компрессоров в тех отраслях народного хозяйства, где требуются большие объемные производительности в одном агрегате: качестве доменных воздуходувок, в крупных стационарных газотурбинных двигателях.

Возможность получения больших объемных производительностей делает осевые компрессоры перспективным типом машин для пароводяных тепловых насосов, использующих в качестве источника низкой температуры теплые водосбросы крупных предприятий, в первую очередь целлюлозно-бумажных комбинатов, предприятий нефтяной промышленности.

Недостатки осевых компрессоров:

-крутые газодинамические характеристики малой протяженности по расходу;

-повышенная чувствительность к помпажу, который может вызвать поломку лопаток рабочих колес.

Однако эти недостатки можно отчасти устранить за счет применения эффективных методов регулирования, повышения уровня автоматизации и культуры эксплуатации машин с осевыми компрессорами.

При производстве осевых компрессоров предъявляются высокие требования, обусловленные сложностями изготовления лопаточного аппарата.

22 Устройство и принцип действия осевого компрессора

Осевой компрессор (Рисунок 48) состоит из входного устройства 1, во многом подобного входному устройству центробежного компрессора, с помощью которого газ подводится к входному направляющему аппарату (ВНА) 2. Входной направляющий аппарат организует поток и придает ему необходимое направление движения, после чего он поступает на рабочее колесо (РК) 3. Отметим, что в некоторых конструкциях осевых компрессоров ВНА может отсутствовать, и тогда поток поступает к лопаткам РК непосредственно из входного устройства. От лопаток РК к газу подводится механическая энергия, причем характер изменения скорости и давления газа при его движении от входного до выходного сечения РК зависит от коэффициента реактивности ступени. В ступенях с коэффициентом реактивности давление в РК не изменяется, а абсолютная скорость возрастает; в ступенях у которых, давление в РК и абсолютная скорость газа увеличиваются; в ступенях сдавление в РК возрастает, а абсолютная скорость по модулю остается постоянной, изменяясь только по направлению.

Рисунок 48 – Осевой компрессор

Из РК газ поступает в направляющий аппарат (НА) 6, в котором изменение его давления и скорости также зависит от коэффициента реактивности. При скорость в НА уменьшается, а давление растет, причем давление увеличивается только в НА; прискорость в НА также уменьшается, а давление возрастает; придавление в НА неизменно, а скорость по модулю постоянна и изменяется только по направлению (Рисунок 50).

При выходе из последней ступени газ проходит спрямляющий аппарат (СА) 4, который придает выходной скорости осевое направление. Обычно СА выполняют совмещенным с НА последней ступени. Из СА сжатый газ поступает в выходное устройство 5, которое по конструкции представляет собой обращенное входное устройство, что принципиально отличает его от выходных устройств центробежного компрессора.

Ступень осевого компрессора состоит из РК и расположенного за ним НА (Рисунок 49). Входной направляющий и выходной, спрямляющий аппараты, если они предусмотрены в конструкции машины, являются самостоятельными элементами проточной части и в состав ступени не входят.

Размеры элементов ступени многоступенчатого осевого компрессора зависят от выбора формы его меридианного сечения (см. ниже). В общем случае высота лопаток при входе и выходе РК и НА изменяется, уменьшаясь от входного сечения к выходному. Это объясняется тем, что по мере сжатия плотность газа растет, его объемный расход уменьшается, и при мало меняющейся осевой расходной составляющей скорости потока в ступени высота лопаток уменьшается.

Рисунок 49 – Ступень осевого компрессора

В зависимости от формы меридианного сечения компрессора средний диаметр

может увеличиваться (при ), оставаться постоянным (при этоми) или уменьшаться (при). Здесь индексом “i ” обозначены номера характерных сечений ступени. Традиционно входному сечению РК присваивают индекс “ 1 “; выходному сечению РК и входному сечению НА – индекс “ 2 “; выходному сечению НА – индекс “ 3 “.

Треугольники скоростей при входе и выходе из РК осевой ступени строятся так же как и для центробежной (Рисунок 50). Относительная скорость при входе в РК равна векторной разности , а абсолютная скорость при входе в НА равна векторной сумме. Векторы абсолютной скоростипри входе в РК, относительнойпри выходе из РК и абсолютнойпри выходе из НА определяются геометрическими параметрами и режимом работы лопаточных аппаратов НА предыдущей, РК и НА рассматриваемой ступени.

Элементарная ступень осевого компрессора располагается между двумя соосными цилиндрическими поверхностями радиусов r и dr+r (см. Рисунок 49). Развернув цилиндрическое сечение радиуса r на плоскость, получим бесконечную систему профилей, расположенных под одним и тем же углом к фронту решетки на одинаковых расстояниях друг от друга. Профили подвижного ряда, соответствующего РК и движущегося со скоростью, равной окружной скорости на поверхности цилиндра радиуса r, могут отличаться от профилей неподвижного ряда, соответствующих НА.

Рисунок 50 – Кинематика потока в ступени осевого компрессора

Полученная таким образом система профилей называется плоской решеткой профилей (см. Рисунок 50). Совокупность двух расположенных друг за другом плоских решеток профилей, из которых первая, соответствующая РК, перемещается по плоскости параллельно фронту решетки со скоростью , а вторая, соответствующая НА, неподвижна, рассматривается как элементарная ступень осевого компрессора. У элементарной ступени окружная скорость постоянна, т.е., а осевая скорость принимается одинаковой во всех сечениях.

Лопатки РК во всех случаях должны быть закрученными по высоте, причем с увеличением радиуса углы установки профилей уменьшаются (Рисунок 51). Из условий прочности толщина профилей возрастает от периферии к корню, а поворот профилей осуществляется от периферии к корню, а поворот профилей осуществляется относительно центров их тяжести, которые обычно располагают на одном радиусе, чтобы избежать возникновения дополнительных напряжений изгиба от центробежных сил.

Рисунок 51 – Лопатка рабочего колеса осевого компрессора.

На рисунке 52 показано бесциркуляционное и циркуляционное обтекание профиля лопатки. В случае (а) обтекание профилей будет бесциркуляционным, а положение задней точки В схода потока – произвольным, зависящим только от положения профиля в потоке. Однако в реальной вязкой жидкости при безотрывном течении точка В располагается на задней кромке профиля, очерченной в выполненных конструкциях окружностью малого радиуса. Кроме того, теоретическое исследование крыловых профилей различного типа показало, что если задняя кромка профиля имеет угловую точку с бесконечно малым радиусом кривизны, то при таком характере обтекания, как показано на рисунке 52а, скорость потока в этой точке должна быть бесконечно большой. Это приводит к физически невозможным бесконечно большим отрицательным давлениям у задней кромки. Обобщая эти факты, Н.Е.Жуковский и С.А. Чаплыгин сформулировали такой постулат: среди бесконечного числа теоретически возможных обтеканий профиля с угловой точкой на задней кромке в действительности осуществляется плавное обтекание с конечной скоростью в этой точке. Это означает, что точка схода потока В при безотрывном течении всегда будет совпадать с угловой точкой на задней кромке профиля (Рисунок 52б).

Рисунок 52 – Бесциркуляционное (а) и циркуляционное (б) обтекание профиля лопатки