Схема и особенности работы центробежной ступени компрессора

Рассмотрим схему центробежной компрессорной сту­пени. Основными элементами ступени являются рабочее коле­со A и диффузор Б, а характерными сечениями воздушного трак­та — сечение 1-1 перед рабочим колесом, сечение 2-2 за ним, сечение 2¢-2¢на входе в лопаточный диффузор и сечение 3-3 на выходе из диффузора. За диффузором может быть установлен выходной канал В или выходные патрубки, обеспечиваю­щие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону (например, из радиального в осевое направление). На рис. по­казаны также характерные размеры ступени: D _вт1, D_к1, D ₂ и D ₃.

Течение воздуха в колесе.Рабочее колесо обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки сложной формы.

Рассечем колесо цилиндрической поверхностью А-А, расположенной, например, на среднем ра­диусе входногосечения. Развертка этого сечения на пло­скость будет иметь вид, показанный на рисунке.

Вектор абсолютной скорости на входе в рабочее колесо обычно имеет малые радиальные составляющие и поэтому для анализа осо­бенностей течения воздуха на входе поверхности тока в сечении 1-1 можно принять цилиндрическими.

Векторы абсолютной с₁, переносной u₁ и относительной w₁ ско­ростей воздуха образуют треугольник скоростей на входе в коле­со (на рисунке показан для случая осевого входа.)

Направление передних кромок лопаток рабочего колеса на рас­четном режиме работы компрессора во избежание срыва потока должно быть близким к направлению вектора w₁, которое характери­зуется углом β₁.

Сразу после входа в межлопаточный канал колеса воздушный поток, следуя изгибу его стенок, поворачивается так, что вектор от­носительной скорости w оказывается на­правленным почти параллельно оси сту­пени (см. рис. 3.22, б). На этом участке рабочего колеса течение воздуха анало­гично течению в колесе осевого компрес­сора - вследствие увеличения поперечного сечения межлопаточ­ного канала относительная скорость воздуха уменьшается, а дав­ление растет.

Затем поток воздуха, двигаясь по межлопаточным каналам колеса, поворачивается из осевого направления в ради­альное, при этом значение отно­сительной скорости потока почти не изменяется.

После этих двух поворотов воздушный поток движется в радиальном направлении, вовлекаясь одновременно лопатками ра­бочего колеса во вращательное движение с окружной скоростью, возрастающей по мере удаления от оси вращения.

В авиационных ГТД наиболее распро­странена радиальная или близкая к ней форма межлопаточных каналов в этой части рабочего колеса. Среднее значение относительной скорости потока воздуха w_ср здесь обычно почти не изменяется, так как по мере удаления от оси увеличение ширины канала (расстояния между соседними лопатками) сопровождается уменьшением его высоты (т. е. осевого размера). Однако, несмотря на постоянство w_ср, давление воздуха растет по радиусу, так как движение его частиц происходит здесь в поле действия центробежных сил. Одновременно возрастает и аб­солютная скорость воздуха.

Характерным является суще­ственно неравномерное распределение местных значений относи­тельной скорости w по поперечному сечению межлопаточного ка­нала. Воздух, текущий по каналу, участвует одновременно в двух движениях (рисунок 3.23).

С одной стороны, он течет от центра к периферии колеса. Соответствующая этому движению эпюра относительных скоростей (для колеса с радиальными лопатками) изображена на рис. 3.23, а.

С другой стороны, вошедшая в межлопаточ­ный канал масса воздуха не вращается относительно оси, и будет по инерции стремиться сох­ранять этот нулевой момент инерции (в абсолютном движении воздуха). В результате в относительном движении в меж­лопаточном канале возникает циркуляционное течение, направленное обратно направлению вращения колеса, как показано на рис. 3.23, б.

В результате сложения этих двух движений получим действительное распределение относительных скоростей воздуха в канале (рис. 3.23, в. )

Неравномерное распределение скоростей приводит к неравно­мерному распределению давлений в канале. У набегающей на поток стенки лопатки, где w имеет наименьшее значе­ние, давление, соответственно, оказывается повышенным, а у противоположной стенки — пониженным. Аналогичное распределение давлений наблюда­ется и в соседних каналах. Следовательно, на каждой лопатке ко­леса возникает разность давлений, создающая момент сопротивле­ния вращению, для преодоления которого необходимо приложить соответствующий момент (от внешнего источника мощности) к ва­лу рабочего колеса.

На выходе из колеса средняя относительная скорость воздуха w₂ вследствие инерционности потока направлена не точно вдоль лопаток (по радиусу), а с неко­торым отклонением в сторону, противопо­ложную направлению вращения колеса. Сло­жив вектор w₂ с векто­ром окружной скорости колеса в этом сечении u₂, можно определить абсолютную скорость c₂, как показано на рис. 3.24, б. При этом, как видно из этого тре­угольника скоростей, значение c₂ оказывается близким к значению окружной скорости колеса u_2.

В некоторых конструкциях центробежных ступеней рабочие ло­патки в выходной части рабочего колеса располагаются не по ради­усам, а с отклонением от радиального направления в сторону, про­тивоположную направлению вращения колеса (рис. 3.24, а). При этом наблюдается аналогичная картина, но угол β₂, который в ступени с радиальными лопатками был бли­зок к 90°, существенно уменьшается. Одновременно уменьшается и значение c₂ при данном значении и₂, что облегчает задачу последу­ющего торможения выходящего из колеса воздушного потока в диф­фузоре и тем самым способствует повышению КПД ступени.

В принципе возможно выполнение ступени с лопатками, обеспечивающими получение β₂>90°, как показано на рис. 3.24, в. Однако на практике такие ступени применяются редко.

Течение воздуха в диффузоре.Воздух, вышедший из колеса со скоростью c₂, поступает далее в диффузор.

В отличие от осевой ступени, параметры воз­душного потока в зазоре между рабочим колесом и лопатками диф­фузора не остаются неизменными. Пренебрежем трением о стенки диффузора. Тогда при свобод­ном течении воздуха в этом зазоре момент количества движения каждой его час­тицы относительно оси ступени должен оставаться неизменным. Поэто­му, если Δm — масса частицы, c_u — окружная составляющая её аб­солютной скорости и r — текущий радиус, то Δmc_ur = const или c_ur = const, т.е. c_u = const/r. Следовательно, окружная составляющая, а вместе с ней и абсолютное значение скорости воздуха в рассматриваемом за­зоре уменьшаютсяпо мере увеличения радиуса. Это сопровождается соответствующим увеличением давления.

Таким образом, даже при отсутствии за колесом спрямляющих поток лопаток, можно организовать торможение воздушного пото­ка, выходящего с большой скоростью из колеса, направив его в пространство между двумя кольцевыми поверхностями (стенками). Поэтому участок между сечениями 2-2 и 2'-2' (см. рис. 3.20) по­лучил название “безлопаточный диффузор”.

Однако в без­лопаточном диффузоре уменьшение скорости происходит сравни­тельно медленно (примерно обратно пропорционально радиусу), что приводит к необходимости выпол­нять его с увеличенными диаметраль­ными габаритными размерами и сопро­вождается большими потерями на тре­ние воздуха о стенки. Для более эф­фективного торможения потока, выхо­дящего из колеса, в центробежных сту­пенях (компрессорах) авиационных ГТД обычно применяют лопаточные диффузоры, работающие аналогично направляющим аппаратам осевых сту­пеней. Примерный вид межлопаточных каналов лопаточного диффузора при рассечении его плоскостью, нормальной к оси вращения колеса ступени, показан на рис. 3.25. В некоторых конструкциях для уменьшения габаритных размеров цен­тробежной ступени канал диффузора выполняется криволинейным с частич­ным или полным поворотом потока в нем из радиального направления в осе­вое.

При течении воздуха в выходном канале или выходных патрубках ступени (за диффузором) его дав­ление уже практически не изменяется.

В одной центробежной ступени при равных значениях окруж­ной скорости на внешнем диаметре колеса можно получить значи­тельно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступе­ни, благодаря благоприятному эффекту действия центробежных сил в направлении движения воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного пре­вышает диаметр входа в колесо, определяемый, в основном, потреб­ным объемным расходом воздуха. Кроме того, поворот потока в ко­лесе из осевого направления в радиальное и последующий обрат­ный поворот в направление, близкое к осевому, в выходном канале (или в самом диффузоре) приводят к повышенным гидравлическим потерям.

Указанные недостатки центробежной ступени могут быть в значи­тельной степени смягчены в так называемой диагональной ступени, схема проточной части которой показана на рис. 3.26. По своим па­раметрам и принципу работы она занимает промежуточное поло­жение между осевой и центробежной ступенью. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в ре­зультате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении частиц воздуха в колесе от центра к периферии (по коническим по­верхностям тока). Но доля этой работы в общей работе сжатия воздуха в колесе здесь меньше, чем в центробежной ступени. Это снижает возможные значения степени повышения давления возду­ха в такой ступени. Но зато меньшее отклонение основного направ­ления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметраль­ные габаритные размеры ступени и получить более высокие значе­ния ее КПД. Направляющий аппарат (диффузор) в диагональной ступени по своему принципу работы и устройству мало отличается от рассмотренного выше направляющего аппарата осевой ступени.