2. Осевые компрессоры. Общее устройство и принцип действия.
В ТРД сжатие или расширение газов осуществляется в лопаточных машинах, в которых происходит передача механической энергии от вращающихся лопаточных венцов газовому потоку или, наоборот, от потока лопаточным венцам.
Основными принципиальными элементами устройства осевого компрессора являются расположенные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток. Каждый венец вращающихся лопаток образует так называемое рабочее колесо (РК), а каждый венец неподвижных лопаток – спрямляющий аппарат (СА). Каждая пара рабочего колеса и спрямляющего аппарата представляет собой ступень компрессора, т.е. секцию, в которой полностью реализуется его принцип действия с соответствующим повышением давления.
При допустимом уровне гидравлических потерь возможное повышение давления в одной ступени относительно невелико, поэтому осевые компрессоры всегда выполняются многоступенчатыми.
Благодаря сжатию воздуха плотность его в каждой ступени возрастает и при неизменном массовом расходе объемный расход воздуха падает. Поскольку осевая скорость движения воздуха в компрессоре изменяется несильно, то это приводит к необходимости уменьшения проходных сечений, поэтому высота лопаток по ходу движения воздуха сокращается.
Для придания воздуху нужного направления движения при поступлении его в первую ступень компрессора перед ней располагают входной направляющий аппарат (ВНА).
В конструктивном отношении компрессор состоит из двух основных частей: ротора и статора. Ротором компрессора называется его вращающаяся часть, состоящая из рабочих колес и вала (или барабана). Статором называется неподвижная часть компрессора, включающая корпус компрессора с укрепленными в нем спрямляющими и входным направляющим аппаратами.
3. Схема и принцип действия ступени турбины.
Газовая турбина представляет собой лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками.
Газовая турбина обладает рядом ценных качеств, основными из которых являются: высокая экономичность, возможность получения большой мощности, малые габаритные размеры и масса, удобство эксплуатации.
Турбина состоит из соплового аппарата (СА) и рабочего колеса (РК).
Рис. 4.2. Схема ступени газовой турбины:
0-0 – сечение на входе СА; 1-1 сечение на выходе из СА (на входе в РК); 2-2 – сечение на выходе из РК; р0, Т0, с0 – давление, температура, скорость перед СА; р1, Т1, с1 – давление, температура, скорость за РК; w1 – относительная скорость на входе в РК; w2 – относительная скорость на выходе из РК
На рис. 4.2 приняты следующие обозначения: сечение 0-0 на входе в сопловой аппарат, сечение 1-1 на выходе из соплового аппарата (на входе в рабочее колесо) и сечение 2-2 на выходе из рабочего колеса. Параметрам газа в различных сечениях присвоены соответствующие индексы.
Состояние газа на входе в сопловой аппарат турбины характеризуется давлением р0 и температурой Т0. Лопатки соплового аппарата образуют криволинейные каналы, сужающиеся от сечения 0-0 к сечению 1-1. Течение газа на этом участке сопровождается падением давления и температуры и соответствующим увеличением скорости. Направление потока на выходе из соплового аппарата в основном определяется направлением выходных кромок лопаток и составляет с плоскостью вращения колеса угол α1. Таким образом, в сопловом аппарате часть потенциальной энергии газа преобразуется в кинетическую. Одновременно в результате поворота потока обеспечивается его закрутка у входа в рабочее колесо.
Относительная скорость w1 на входе в рабочее колесо определяется из треугольника скоростей как разность векторов с1 и и. Величина и направление относительной скорости при заданных значениях скорости истечения газа из соплового аппарата с1 и угла выхода α1 зависят от окружной скорости и. Чем меньше и, тем больше w1 и меньше β1, и наоборот. От величины угла β, в свою очередь, зависит форма рабочих лопаток, так как для предотвращения срыва потока в колесе входные кромки рабочего колеса должны быть ориентированы по направлению относительной скорости w1. Лопатки рабочего колеса обычно также образуют сужающиеся каналы, поэтому газ продолжает в них расширяться от давления р1 до давления р2. При этом относительная скорость движения газа увеличивается от w1 на входе до w2 на выходе, а температура газа падает от Т1 до Т2. Таким образом, течение газа через сопловой аппарат и лопатки рабочего колеса может рассматриваться как течение через систему неподвижных и вращающихся сопел с увеличением абсолютной скорости в сопловом аппарате и относительной – в рабочем колесе, а также уменьшением давления и температуры в обоих элементах.
При обтекании газом лопаток соплового аппарата и рабочего колеса вследствие поворота потока на вогнутой поверхности лопаток (корытце) образуется повышенное давление, а на выпуклой (спинке) – пониженное.
При повороте потока в канале на частицы газа действуют центробежные силы, стремящиеся отбросить их к вогнутой части лопаток. Равнодействующая сила давлений, действующих на поверхности лопаток, создает крутящий момент, приводящий рабочее колесо во вращение.
Скорость газа в абсолютном движении за рабочим колесом с2 определится как векторная сумма относительной скорости w2 и окружной скорости и. Следует отметить, что скорость с2 значительно меньше с1. Уменьшение абсолютной скорости газа в колесе при одновременном уменьшении давления объясняется тем, что газ совершает внешнюю работу.
Необходимо отметить, что осевую скорость в ступени турбины (в отличие от осевого компрессора) в пределах ступени и от ступени к ступени вдоль оси не уменьшают, а увеличивают. Это вызвано необходимостью частично компенсировать падение плотности при расширении газа и не получить чересчур длинные лопатки, особенно для последней ступени. Увеличение осевой скорости (при прочих равных условиях) осуществляют увеличением α1. Для первой ступени принимают α1 = 16...18°, а для последней 30... 35°. Однако на практике встречаются турбины со значительно меньшими α1 .Так, например, на одноступенчатой турбине высокого давления Е3 фирмы Пратт-Уитни принято α1= 8,74° (ступень турбины сверхзвуковая, πСТ = 4), а на последней ступени четырехступенчатой турбины низкого давления α1 = 19,4°.