 |
Основные типы компрессоров. Их сравнительная оценка
|
|
|
|
Назначение, основные параметры и требования к компрессорам ГТД
Компрессор предназначен для подачи в камеру сгорания ГТД воздуха с необходимым расходом и давлением.
Основными параметрами компрессора любого типа являются
- степень повышения давления 
- отношение давления воздуха за компрессором к давлению воздуха перед компрессором,
-производительность – секундный расход воздуха, отнесённый к площади входа в компрессор и
- коэффициент полезного действия.
Экономичность двигателя возрастает с ростом степени повышения давления. Поэтому в компрессорах современных ГТД степень повышения давления доходит до 30 и более.
Конструкция компрессора выполняется с учётом назначения двигателя и должна обеспечить получение заданной степени повышения давления, расхода воздуха и КПД при минимальной массе и сохранении прочности и жёсткости всех деталей, простоте и технологичности их изготовления эксплуатации и ремонта.
Снижениё массы конструкции достигается путём
- уменьшения радиальных и осевых габаритов компрессора за счёт применения высоконапорных ступеней, увеличения скорости движения воздуха в проточной части и удлинения лопаток,
- рациональным выбором формы деталей,
- применением мероприятий по уменьшению действующих на элементы конструкции нагрузок,
- использованием материалов с высокой удельной прочностью.
Повышение напорности осуществляется за счёт увеличения окружной скорости ротора и использованием сверхзвуковых рабочих лопаток,
Получение высоких значений КПД компрессора и сохранение их в процессе эксплуатации может осуществляться
- снижением до минимума гидравлических потерь в проточной части,
|
|
|
- проведением в процессе эксплуатации мероприятий по очистке проточной части компрессора.
Основные типы компрессоров. Их сравнительная оценка
В авиационных газотурбинных двигателях используются три основных типа компрессоров, отличающихся по направлению движения воздуха в проточной части: осевые (Рис.1.1), в которых движение потока воздуха происходит в среднем вдоль оси двигателя, центробежные (Рис.1.2,а), в проточной части которых воздух движется в радиальном направлении, и осецентробежные (Рис.1.2,б), состоящие из комбинации осевого и центробежного компрессоров.
Рис 1.1. Схемы профилей проточной части осевого компрессора
а – с постоянным наружным диаметром,
б – с постоянным внутренним диаметром,
в – с постоянным средним диаметром,
с – комбинированная проточная часть
а 
в
Рис.1.2 Схемы центробежного и диагонального компрессоров
ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ (Рис.1.3.) обычно выполняются многоступенчатыми.
Осевой компрессор состоит из входного устройства и нескольких рядов последовательно чередующихся в осевом направлении установленных на вращающемся роторе 3 рабочих лопаток 1 и закреплённых на корпусе компрессора 4 неподвижных лопаток спрямляющего аппарата 2. Совокупность одного ряда рабочих лопаток и следующего за ним ряда лопаток спрямляющего аппарата называется ступенью компрессора.
Отношение давления на выходе из ступени к давлению на её входе называется степенью повышения давления ступени. Степень повышения давления ступени зависит от средней окружной скорости рабочих лопаток. Чем больше эта скорость, тем больше степень повышения давления. Эта скорость из условия прочности лопаток ограничивается величиной 300 – 450 м/с.
Диаметр ступени компрессора определяется потребным расходом воздуха, его плотностью и осевой скоростью. Осевая скорость сохраняется по всем ступеням постоянной или несколько уменьшается к последним ступеням. Площадь проточной части уменьшается от первой к последним ступеням в связи с возрастанием плотности воздуха. Для сохранения размеров наружного диаметра (Рис.1.1,а) уменьшение площади проточной части достигается увеличением внутреннего диаметра. При этом средние окружные скорости ступеней растут, что, во-первых, приводит к росту напряжений в лопатках от центробежных сил, а, во- вторых, за счёт уменьшения длины лопаток последних ступеней возрастает относительный зазор между лопаткой и корпусом компрессора. Последнее обстоятельство приводит к росту обратного перетекания воздуха и, следовательно, к снижению степени повышения давления ступени и КПД. При постоянном внутреннем или среднем диаметре (Рис.1.1,б и в) лопатки последних ступеней более длинные, чем в предыдущем случае, и перетекание в зазоре уменьшается. Степень повышения давления при постоянном среднем диаметре остаётся постоянной или уменьшается (при постоянном внутреннем диаметре) за счёт уменьшения средней окружной скорости. На практике применяются комбинированные схемы проточной части (Рис.1.1,г).
|
|
|
В осевых компрессорах современных двигателей относительная скорость потока превышает скорость звука, и в таком случае производится специальное профилирование лопаток. Применение нескольких первых сверхзвуковых ступеней может заметно сократить общее количество ступеней компрессора.
Осевые компрессоры с большими степенями повышения давления ступеней имеют сравнительно узкую область устойчивых режимов работы и низкие значения КПД на нерасчётных и переходных режимах. В ряде случаев автоматика двигателя позволяет бороться с неустойчивостью на переходных режимах перепуском воздуха за конкретной ступенью компрессора. Но в целях радикального расширения области устойчивости применяются двухроторные схемы осевых компрессоров (Рис.1.4). При постоянном внутреннем или среднем диаметре (Рис1.1,б и в) Лопатки последних ступеней более длинные, чем в предыдущем случае, и перетекание в зазоре уменьшается. Степень повышения давления при постоянном среднем диаметре остаётся постоянной или уменьшается (при постоянном внутреннем диаметре) за счёт уменьшения средней окружной скорости. На практике применяются комбинированные схемы проточной части (Рис.1.1,г).
|
|
|
Рис.1.4.Схема двухвального компрессора
1 – ротор низкого давления, 2 – ротор высокого давления
В двухвальном компрессоре два последовательно расположенных ротора автономно приводятся во вращение отдельными турбинами.
Преимущества двухвального компрессора заключаются в том, что каждый из роторов имеет сравнительно невысокую степень повышения давления. Это обеспечивает расширение области устойчивой работы каждого ротора и компрессора в целом.
В ряде случаев первая ступень ротора низкого давления выполняет, кроме того, и функции вентилятора двухконтурного двигателя.
Осевые компрессоры современных ГТД обеспечивают при малых радиальных габаритах высокие (около 30) значения степени повышения давления. Центробежные компрессоры (рис.1.5) состоит из направляющего аппарата 1, односторонней или двухсторонней крыльчатки 2, диффузора 3, корпуса 4, и выходных патрубков 5. Воздух через входное устройство поступает в каналы образованные лопатками крыльчатки. Энергия вращения крыльчатки передаётся воздуху, который под действием центробежных сил
Рис.1.5. Центробежный компрессор
отбрасывается к периферии, возрастают его давление и скорость движения по каналу. За крыльчаткой воздух попадает в расширяющийся канал щелевого диффузора, где за счёт снижения скорости кинетическая энергия потока переходит в потенциальную – происходит повышение давления воздуха. Дальнейшее понижение скорости и возрастание давления воздуха наблюдается в выходных патрубках, подводящих воздух к камере сгорания.
При максимально допустимых из условия прочности крыльчатки окружных скоростях порядка 450-500 м/c степень повышения давления центробежного компрессора составляет 4-4,5. При использовании сверхзвуковых диффузоров и активных крыльчаток со специальной конфигурацией лопаток степень повышения давления может достигать 5-6. Радиальные габариты центробежного компрессора определяются потребным расходом воздуха и его осевой скоростью на входе в крыльчатку, которая во избежание значительных гидравлических потерь не должна превышать120-150 м/с.
|
|
|
Эффективный КПД центробежного компрессора, т. е. отношение энергии, затраченной на сжатие воздуха к энергии, подведенной от турбины, составляет 0,76-0,8, причём меньшие значения относятся к компрессорам с высокой степенью повышения давления.
|
|
|
