2.2.2. Пути достижения высокой эффективности ступени компрессора

Ступень компрессора будет работать эффективно в том случае, когда высокие параметры нагруженности и будут сочетаться с высоким . Величина теоретической работы (напора) ступени определяется как:

. Отсюда следует, что увеличение можно достичь не только увеличением (при ) или увеличением (при ), что ведёт к снижению , но ещё и увеличением окружной скорости при сохранении близкими к оптимальным и . При рассмотрении ступеней с различной реактивностью было установлено, что реализация высоких значений коэффициента теоретического напора ( >0.5) не представляется целесообразным по двум основным причинам:

1. увеличение углов поворота потока и вызывает отрывные течения в диффузорных межлопаточных каналах при которых резко растут потери и возникают неустойчивые режимы работы ступени (вращающийся срыв, помпаж, потеря статической устойчивости и т.д.) работа на которых недопустима. Поэтому ограничивают по углам и ;

2. рост скоростей и до сверхзвуковых значений сопровождается дополнительными волновыми потерями в решётках и дополнительными воздействиями на лопатки, особенно опасными для РК. Поэтому ограничивают по скоростям <1 и <1.

В связи с отмеченными причинами коэффициенты теоретического напора ступеней осевого компрессора, как правило, не превышают значений =0,3...0,4. Поэтому единственным резервом увеличения напора ступени остаётся увеличение окружной скорости вращения ротора РК. Однако, простое увеличение числа оборотов ротора приведёт одновременно с ростом к увеличению и , что недопустимо по отмеченным выше причинам. Рассмотрим возможность увеличения путём применения предварительной закрутки потока в сторону вращения.

Пусть ступень выполнена без предварительной закрутки, т.е. с оптимальным значением =0,3...0,4. В этом случае , т.е. направляющий аппарат ступени нагружен слабо. Для того, чтобы нагрузить НА надо снизить .

При этом оставим неизменной кинематику потока в РК в относительном движении, т.к. его нагрузка оптимальна =0,3...0,4. Введём положительную входную закрутку . В этом случае при сохранении и можно увеличить окружную скорость . При этом, естественно, возрастут и скорости

и . Увеличение за счёт скорости при неизменной ( ) означает повышение нагрузки НА и снижение . Но так как в случае может оказаться , то такие ступени проектируют с повышенной степенью реактивности ( =0,55...0,6). При достаточно большой величине входной закрутки , когда , можно обеспечить одинаковую форму треугольников скоростей РК и НА, что соответствует одинаковой работе сжатия в венцах и следовательно =0,5 с оптимальным соотношением <1 и <1.

Следовательно, для достижения высоких КПД ступени осевого компрессора целесообразно применять ступени с входной закруткой по вращению при степени реактивности близкой к значению 0,5.

Д

c₂

ругим нетрадиционным способом повышения эффективности ступени в составе многоступенчатого осевого компрессора является применение биротативной схемы в которой каждое последующее рабочее колесо вращается в противоположную сторону и одновременно, является направляющим аппаратом для последующей ступени (см. рис. 2.9).

П ри степени реактивности =1 вся работа сжатия осуществляется в РК, а в НА происходит только поворот потока при . Если роторы двух ступеней вращать в разные стороны, то абсолютная скорость на выходе из РК первого ротора совпадёт по величине и направлению с абсолютной скоростью на входе в РК второго ротора . В результате можно обойтись без НА, т.к. работы сжатия в нём не происходит в силу =1, а входная и выходная скорости и без него совпадают. При одинаковой суммарной работе сжатия КПД биротативного компрессора будет выше, чем у обычного осевого, т.к. в нём меньше лопаточных венцов за счёт ликвидации НА, а так же будет меньше осевые габариты и гироскопический момент ротора. Однако конструктивно он более сложен (два ротора вместо одного) и подшипники работают в условиях повышенной частоты вращения равной сумме частот вращения роторов, что снижает ресурс и надёжность.