Глава 4. Многоступенчатые осевые компрессоры

4.1. Основные параметры многоступенчатого компрессора и связь с параметрами ступеней

С точки зрения термодинамической эффективности цикла ГТД величина степени повышения давления в компрессоре должна быть максимально возможной. Поэтому достигнутый уровень с течением времени постоянно растёт. Это отчётливо видно из таблицы, где приведены параметры двигателей фирмы General Electric.

Таблица 4.1

Годы	Поколение			Двигатель			Zk		Uk
1945-52	I			Y47-GE-25		6	12		320
1950-60	II			Y79-GE-15		13	17		360
1957-70	III			TF34-GE-100		21	15		420
1967-80	IV			F101-GE-102		26.5	11		500
1980-95		V	ATF		40			11	550

Рис. 4.1 Изменение числа супеней КВД от степени сжатия для различных типов двигателей.

Явно прослеживается тенденция к сокращению количества ступеней в компрессоре и к увеличению максимальной окружной скорости , при этом средняя степень повышения давления в ступени многоступенчатого компрессора в период 1995-2000 г.г. находится в пределах =1,42….1,48. Таким образом, потребные для ГТД степени полного давления значительно превосходят эти величины в ступени. Поэтому в ГТД используются практически только многоступенчатые компрессоры, которые принято характеризовать следующими параметрами:

1)степень повышения давления в компрессоре

(4.1) ,

2)изоэнтропическая работа сжатия в компрессоре

, (4.2) (Дж)

3)расход воздуха через компрессор

, (4.3) (кг/с)

4)мощность, затрачиваемая на вращение компрессора

, (4.4) (Вт)

5)удельная (лобовая) производительность

(1- , (4.5)

Для стандартных условий на входе в компрессор =101,3 кПа; =288 К; максимально возможная лобовая производительность составит при =0 и =1 величину =241 .

6)изоэнтропический кпд компрессора

(4.6)

Связь между величинами кпд ступеней и кпд компрессора достаточно сложна. Рассмотрим её на примере трёхступенчатого осевого компрессора.

На диаграмме процесса повышения давления в компрессоре сечения bx-bx , I-I, II-II и k-k соответствуют параметрам состояния воздуха на входе в компрессор, за первой ступенью, за второй ступенью и за компрессором соответственно. Как мы выяснили раньше, затраченная в ступени работа равна

Рис. 4.2 Схема поясняющая эффект теплового сопротивления многоступенчатого компрессора.

Н анесём на диаграмму реальный процесс сжатия в компрессоре вх-к и соответствующий выходным параметрам компрессора процесс изоэнтропического сжатия в компрессоре bx-ks. Если рассматривать изоэнтропическое сжатие отдельно в каждой ступени при значениях действительных параметров на входе в каждую ступень, то получим процесс сжатия, соответствующий bx-I’-I-II’-II-k’. В результате видим, что сумма изоэнтропических работ сжатия по трём ступеням больше изоэнтропической работы компрессора как единого элемента на величину заштрихованной площади, то есть

(4.7)

Этот эффект известен как тепловое сопротивление многоступенчатого осевого компрессора. Он связан с тем, что температура воздуха на входе в каждую последующую ступень оказывается выше, чем она была бы при изоэнтропическом течении (то есть без потерь трения), а это требует увеличения работы сжатия в каждой последующей ступени. Этот эффект по своей природе идентичен, а по характеру противоположен эффекту возврата тепла в многоступенчатой осевой турбине.

Согласно определению изоэнтропических кпд компрессора и ступени затраченная на сжатие работа равна

(4.8)

Полагая во всех ступенях величины равными между собой, получим выражение

(4.9)

из которого следует, что < . Причём это различие возрастает с ростом и определяется соотношением аналогичным связи изоэнтропического кпд ступени с политропическим КПД

(4.10)

Рис. 4.3 Зависимость изоэнтропического КПД многоступенчатого компрессора

от степени повышения давления в нем и КПД ступеней его составляющих

Последнее соотношение графически представлено на рисунке 4.3, из которого видно, что если составлять многоступенчатый компрессор из ступеней с =0,86, то при =10 =0,84, при =20 =0,82, при =30 =0,805.