Осевой компрессор, назначение, типы. Состав. Газовая динамика осевого компрессора

Осевой компрессор представляет собой лопаточную машину, в которой механическая работа преобразуется в потенциальную энергию сжатого газа с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками.

Лопатки – аэродинамические профили, равномерно расположенные на вращающихся или неподвижных ободах (венцах).

ω – угловая скорость или частота вращения (об/мин) С – окружная линейная скорость (м/сек)

Рис. 12. Распределение скоростей лопатки при работе

Конструкция лопатки.

Лопатка состоит из профильной части, которая обтекается потоком воздуха или газов и замковой части, с помощью которой она крепится к ротору.

По высоте перо лопатки имеет геометрическую закрутку в соответствии с законом изменения скоростей: чем дальше от центра вращения, тем больше линейная скорость при одной и той же угловой частоте вращения ротора.

Рис. 13. Рекомендуемый угол обтекания лопатки

Условием эффективной работы лопаток является режим безотрывного обтекания их профиля набегающим потоком воздуха. Максимальная эффективность достигается при направлении потока воздуха по касательной к профилю лопатки – на номинальном режиме работы двигателя. Номинальный режим является расчетным режимом работы двигателя.

Безотрывное обтекание обеспечивается в узком диапазоне угол обтекания 10⁰-15⁰, за пределами которого начинается срыв потока с профиля лопаток, вызывающий помпажные явления.

Помпаж: нерасчетный режим работы, вызванный срывом потока воздуха с профиля лопаток и возникновением вихреобразных процессов «запирающих» проточную часть компрессора. Внешние проявления помпажа:

– нехарактерный гул;

– повышенная вибрация;

– хлопки, удары;

– обратный выброс воздуха на вход и т. п.

Помпаж характеризуется нерасчетными знакопеременными нагрузками на все узлы и детали компрессора вплоть до их разрушения.

К лопаткам предъявляются самые жесткие требования по аэродинамическим качествам, механической прочности и высокой точности изготовления.

Способы крепления лопаток (типы замковой части):

Осевой компрессор:

– замок типа «ласточкин хвост»;

– замок зубчикового типа;

– трацевидные;

– т-образные.

Турбина:

– замки елочного типа.

По сравнению с компрессорными, лопатки турбины толще, массивнее, имеют большие радиусы скругления, что объясняется тяжелыми высокотемпературными условиями их работы.

Материал лопаток.

Компрессорные: Al (алюминий), Ti (титан), сталь.

Турбинные: жаропрочные сплавы на основе хрома, никеля, кобальта и др.

В осевом компрессоре осуществяется первый из рабочих процессов ГТУ, а именно: сжатие рабочего тела. Таким образом:

Назначение компрессора – сжатие воздуха и подача его в камеру сгорания.

Типы компрессоров:

– центробежные (к.п.д. 0,82 – 0,85);

– осевые (к.п.д. 0,87 – 0, 91).

Состав осевого компрессора:

– ротор;

– статор;

– опоры ротора.

Основной элемент – ротор, конструкция которого и определяет тип всего компрессора.

Рис. 14. Ротор дискового типа

Ротор дискового типа на мощных ГТУ не применяется.

Рис. 15. Ротор барабанного типа

Ротор барабанного типа самый прочный, дешевый и простой. Очень большая масса.

Рис. 16. Ротор смешанного типа (барабанно-дискового)

Ротор барабанно-дискового (смешанного) типа имеет более сложную технологию производства, но в 3-4 раза меньшую массу. Основной тип для авиационных ГТУ.

Статор – корпус компрессора – основная деталь силовой схемы ГТУ, внутри которого на опорах монтируется ротор и крепятся спрямляющие аппараты.

Спрямляющий аппарат – кольцевой набор неподвижных профилированных лопаток, образующих расширяющиеся (диффузорные) каналы, в которых:

– продолжается повышение давления воздуха за счет снижения его скорости в межлопаточных каналах;

– организуется подача воздуха в рабочее колесо следующей ступени под требуемым углом.

Ступень компрессора состоит из рабочего колеса (РК) и спрямляющего аппарата (СА). Именно наличие СА создает условия для работы следующей ступени, то есть продолжения процесса сжатия. Степень сжатия (π) одной ступени невелика (1,15-1,35), поэтому все осевые компрессоры многоступенчатые. Степень сжатия осевого компрессора равна произведению степеней сжатия всех его ступеней:

Очень большое влияние на эффективность компрессора оказывает величина радиального зазора (S) между концом лопатки и корпусом. Эту величину стремятся свести к нулю, чтобы исключить бесполезные перетечки воздуха. Увеличение отношения s/h (h – высота лопатки) на 1% уменьшает к.п.д. компрессора на 3%.

Рис. 17. Радиальный зазор