Осевой компрессор

Анимированная симуляция осевого компрессора. Статические лопасти - это статоры.

. Осевой компрессор - это газовый компрессор, который может непрерывно сжимать газы. Это вращающийся компрессор на основе аэродинамического профиля, в котором газ или рабочая жидкость в основном протекает параллельно оси вращения или аксиально. Это отличается от других вращающихся компрессоров, таких как центробежный компрессор, аксицентробежные компрессоры и компрессоры смешанного потока, в которых поток текучей среды будет включать «радиальный компонент», проходящий через компрессор. Уровень энергии жидкости увеличивается по мере ее прохождения через компрессор из-за действия лопастей ротора, которые создают крутящий момент на жидкость. Неподвижные лопасти замедляют поток жидкости, преобразовывая окружную составляющую потока в давление. Компрессоры обычно приводятся в действие электродвигателем , или паром, или газовой турбиной.

Компрессоры с осевым потоком производят непрерывный поток сжатого газа и обладают преимуществами высокая эффективность и большой массовый расход, особенно в отношении их размера и поперечного сечения. Однако для них требуется несколько рядов аэродинамических поверхностей для достижения большого повышения давления, что делает их сложными и дорогими по сравнению с другими конструкциями (например, центробежными компрессорами).

Осевые компрессоры являются неотъемлемой частью конструкции больших газовых турбин, таких как реактивные двигатели, высокоскоростные судовые двигатели и малые электростанции. Они также используются в промышленных приложениях, таких как установки разделения воздуха большого объема, доменная печь воздух, жидкий каталитический воздух крекинга и дегидрирование пропана . Благодаря высоким характеристикам, высокой надежности и гибкости в работе в режиме полета они также используются в аэрокосмических двигателях.

Типичное применение	Тип потока	Давление коэффициент на ступень	КПД на ступень
Промышленный	Дозвуковой	1,05–1,2	88–92%
Аэрокосмический	Трансзвуковой	1,15–1,6	80–85%
Исследования	Сверхзвуковой	1,8–2,2	75–85%

• 1 Описание
• 2 Рабочий
• 3 Проект
• 4 Уравнения кинетики и энергии
• 5 Рабочие характеристики
• 6 Неустойчивости
• 7 Рабочие характеристики в установившемся режиме
  • 7.1 Непроектные операции
  • 7.2 Пульсации
  • 7.3 Цикл помпажа
  • 7.4 Остановка
    • 7.4.1 Остановка при вращении
    • 7.4.2 Эффекты
• 8 Развитие
• 9 Реактивные двигатели с осевым потоком
  • 9.1 Золотники
  • 9.2 Отвод воздуха, регулируемые статоры
• 10 Примечания к конструкции
  • 10.1 Обмен энергией между ротором и жидкостью
  • 10.2 Карты компрессора
  • 10.3 Устойчивость к сжатию
• 11 См. также
• 12 Ссылки
• 13 Библиография

Компрессор в турбовентиляторном двигателе Pratt Whitney TF30 .

Осевые компрессоры состоят из вращающихся и стационарных компонентов. Вал приводит в движение центральный барабан, который удерживается подшипниками внутри неподвижного трубчатого корпуса. Между барабаном и кожухом расположены ряды аэродинамических поверхностей, каждый ряд которых попеременно соединен либо с барабаном, либо с кожухом. Пара из одного ряда вращающихся профилей и следующего ряда неподвижных профилей называется ступенью. Вращающиеся аэродинамические поверхности, также известные как лопасти или роторы, ускоряют жидкость как в осевом, так и в окружном направлении. Стационарные аэродинамические поверхности, также известные как лопатки или статоры, преобразуют увеличенную кинетическую энергию в статическое давление посредством диффузии и перенаправляют направление потока жидкости, чтобы подготовить ее к лопастям ротора следующей ступени. Площадь поперечного сечения между роторным барабаном и корпусом уменьшается в направлении потока для поддержания оптимальной осевой скорости числа Маха при сжатии текучей среды.

Поскольку жидкость входит и выходит в осевом направлении, центробежная составляющая в уравнении энергии не участвует. Здесь сжатие полностью основано на рассеивающем действии каналов. Рассеивающее действие в статоре преобразует абсолютный кинетический напор жидкости в повышение давления. Относительный кинетический напор в уравнении энергии - это член, который существует только из-за вращения ротора. Ротор уменьшает относительный кинетический напор жидкости и добавляет его к абсолютному кинетическому напору жидкости, т. Е. Воздействие ротора на частицы жидкости увеличивает их скорость (абсолютную) и тем самым снижает относительную скорость между жидкостью и ротором.. Короче говоря, ротор увеличивает абсолютную скорость жидкости, а статор преобразует ее в повышение давления. Проектирование канала ротора с диффузионной способностью может привести к повышению давления в дополнение к его нормальному функционированию. Это приводит к большему повышению давления на каждой ступени, которая вместе составляет статор и ротор. Это принцип реакции в турбомашинах. Если 50% повышения давления в ступени достигается в секции ротора, считается, что это дает 50% -ную реакцию.

Увеличение давления, создаваемое одной ступенью, равно ограничивается относительной скоростью между ротором и жидкостью, а также возможностью вращения и диффузии аэродинамических поверхностей. Типичная ступень промышленного компрессора дает повышение давления от 15% до 60% (отношения давлений 1,15–1,6) в расчетных условиях с политропическим КПД в диапазоне 90–95%. Для достижения различных соотношений давлений осевые компрессоры имеют разное количество ступеней и скорость вращения. На основе практического опыта мы можем предположить, что каждая ступень данного компрессора имеет одинаковое повышение температуры (Delta T). Следовательно, на входе температура (Tstage) каждой ступени должна постепенно увеличиваться через компрессор, а входное отношение (Delta T) / (Tstage) должно уменьшаться, что подразумевает постепенное уменьшение степени сжатия ступени через установку. Следовательно, задняя ступень развивает значительно более низкий перепад давлений, чем первая ступень. Также возможны более высокие отношения давлений в ступенях, если относительная скорость между жидкостью и роторами сверхзвуковая, но это достигается за счет эффективности и удобства эксплуатации. Такие компрессоры со степенью сжатия ступеней более 2 используются только там, где минимизация размера, веса или сложности компрессора имеет решающее значение, например, в военных реактивных самолетах.

Профили аэродинамического профиля оптимизированы и согласованы для определенных скоростей и поворота. Хотя компрессоры могут работать в других условиях с другими потоками, скоростями или отношениями давления, это может привести к снижению эффективности или даже частичному или полному нарушению потока (известному как остановка компрессора и скачок давления соответственно). Таким образом, практический предел количества ступеней и общего перепада давлений возникает из-за взаимодействия различных ступеней, когда требуется работа вне проектных условий. Эти «нерасчетные» условия могут быть в определенной степени смягчены путем обеспечения некоторой гибкости компрессора. Обычно это достигается за счет использования регулируемых статоров или клапанов, которые могут отводить жидкость из основного потока между ступенями (межступенчатый отвод). В современных реактивных двигателях используется серия компрессоров, работающих с разной скоростью; для подачи воздуха с коэффициентом давления около 40: 1 для сгорания с достаточной гибкостью для всех условий полета.

Треугольник скоростей закрученной жидкости, входящей и выходящей из лопасти ротора

Закон момента количества движения утверждает, что сумма моментов внешних сил воздействие на жидкость, которая временно занимает контрольный объем , равно чистому изменению потока углового момента через контрольный объем.

Закрученная жидкость входит в контрольный объем на радиусе $r\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; r\_\; \{1\}\; \backslash ,\}$с тангенциальной скоростью $V\; w\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{w1\}\; \backslash ,\}$, и оставляет в радиусе, $r\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; r\_\; \{2\}\; \backslash ,\}$, с тангенциальной скоростью, $V\; вес\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{w2\}\; \backslash ,\}$.

$V\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{1\}\; \backslash ,\}$и $V\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{2\}\; \backslash ,\}$- абсолютные скорости на входе и выходе соответственно.

$V\; f\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{f1\}\; \backslash ,\}$и $V\; f\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{\; f2\}\; \backslash ,\}$- осевые скорости потока на входе и выходе соответственно.

$V\; w\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{w1\}\; \backslash ,\}$и $V\; w\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{w2\}\; \backslash ,\}$- скорости завихрения на входе и выходе соответственно.

$V\; r\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{r1\}\; \backslash ,\}$и $V\; r\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{r2\}\; \backslash ,\}$- относительные скорости лопасти на входе и выходе соответственно.

$U\; \{\backslash \; displaystyle\; U\; \backslash ,\}$- строка ар скорость лопасти.

$\alpha \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\}$- угол направляющей лопасти, а $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$- угол лопасти.

Скорость изменения импульса F определяется уравнением:

$F\; =\; m\; \dot{}\; (V\; w\; 2\; -\; V\; w\; 1)\; =\; m\; \dot{}\; (V\; f\; 2\; tan\; \; \alpha \; 2\; -\; V\; f\; 1\; tan\; \; \alpha \; 1)\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; \backslash \; left\; (V\_\; \{w2\}\; -V\_\; \{w1\}\; \backslash \; right)\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; \backslash \; left\; (V\_\; \{f2\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{2\; \}\; -V\_\; \{f1\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$(из треугольника скоростей)

Мощность, потребляемая идеальным движущимся лезвием, P определяется уравнением:

$п\; знак\; равно\; м\; \dot{}\; U\; (V\; е\; 2\; загар\; \; \alpha \; 2\; -\; V\; е\; 1\; загар\; \; \alpha \; 1)\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; U\; \backslash \; left\; (V\_\; \{f2\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{\; 2\}\; -V\_\; \{f1\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Изменение энтальпии жидкости в движущихся лопастях:

$P\; =\; m\; \dot{}\; (h\; 02\; -\; h\; 01)\; =\; m\; \dot{}\; cp\; (T\; 02\; -\; T\; 01)\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; \backslash \; left\; (h\_\; \{02\}\; -h\_\; \{01\}\; \backslash \; right)\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; c\_\; \{p\}\; \backslash \; left\; (\; T\_\; \{02\}\; -T\_\; \{01\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Следовательно,

$P\; =\; m\; \dot{}\; U\; (V\; f\; 2\; tan\; \; \alpha \; 2\; -\; V\; f\; 1\; tan\; \; \alpha \; 1)\; =\; m\; \dot{}\; cp\; (\; T\; 02\; -\; T\; 01)\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; U\; \backslash \; left\; (V\_\; \{f2\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{2\}\; -V\_\; \{f1\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\}\; \backslash \; right)\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; c\_\; \{p\}\; \backslash \; left\; (T\_\; \{02\}\; -T\_\; \{01\; \}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

что означает,

$\delta \; (T\; 0)\; изоэнтропический\; =\; U\; cp\; (V\; f\; 2\; tan\; \; \alpha \; 2\; -\; V\; f\; 1\; tan\; \; \alpha \; 1)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; delta\; (T\_\; \{\; 0\})\; \_\; \{\backslash \; text\; \{isentropic\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{U\}\; \{c\_\; \{p\}\}\}\; \backslash \; left\; (V\_\; \{f2\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{2\}\; -V\_\; \{f1\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Изэнтропическое сжатие в лопатке ротора,

$p\; 2\; -\; p\; 1\; =\; p\; 1\; ([T\; 2\; T\; 1]\; \gamma \; \gamma \; -\; 1\; -\; 1)\; \{\backslash \; displaystyle\; p\_\; \{2\}\; -p\_\; \{1\}\; =\; p\_\; \{1\}\; \backslash \; left\; (\backslash \; left\; [\{\backslash \; frac\; \{T\_\; \{2\}\}\; \{T\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right]\; ^\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; gamma\}\; \{\backslash \; gamma\; -1\}\}\; -1\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Следовательно,

$(p\; 02)\; фактическое\; p\; 01\; =\; (1\; +\; \eta \; стадия\; \delta \; (T\; 0)\; изоэнтропия\; T\; 01)\; \gamma \; \gamma \; -\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{(\; p\_\; \{02\})\; \_\; \{\backslash \; text\; \{actual\}\}\}\; \{p\_\; \{01\}\}\}\; =\; \backslash \; left\; (1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; eta\; \_\; \{\backslash \; text\; \{stage\}\}\; \backslash \; delta\; (T\_\; \{0\})\; \_\; \{\backslash \; text\; \{isentropic\}\}\}\; \{T\_\; \{01\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; gamma\}\; \{\backslash \; gamma\; -1\}\}\; \backslash ,\}$

, что подразумевает

$(p\; 02)\; фактическое\; p\; 01\; =\; (1\; +\; \eta \; стадия\; UT\; 01\; cp\; [V\; f\; 2\; tan\; \; \alpha \; 2\; -\; V\; f\; 1\; tan\; \; \alpha \; 1])\; \gamma \; \gamma \; -\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{(p\_\; \{02\})\; \_\; \{\backslash \; text\; \{\; фактический\}\}\}\; \{p\_\; \{01\}\}\}\; =\; \backslash \; left\; (1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; eta\; \_\; \{\backslash \; текст\; \{stage\}\}\; U\}\; \{T\_\; \{01\}\; c\_\; \{p\}\}\}\; \backslash \; left\; [V\_\; \{f2\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{2\}\; -V\_\; \{f1\}\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\}\; \backslash \; right]\; \backslash \; справа)\; ^\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; gamma\}\; \{\backslash \; gamma\; -1\}\}\; \backslash ,\}$

Степень реакции. Разница давлений между входом и выходом лопасти ротора называется реакцией давлением. Изменение энергии давления рассчитывается по степени реакции.

$R\; =\; h\; 2\; -\; h\; 1\; h\; 02\; -\; h\; 01\; P\; =\; m\; \dot{}\; cp\; (T\; 2\; +\; V\; 2\; 2\; 2\; cp\; -\; [T\; 1\; +\; V\; 1\; 2\; 2\; cp])\; P\; =\; m\; \dot{}\; (h\; 2\; -\; h\; 1\; +\; [V\; 2\; 2\; 2\; -\; V\; 1\; 2\; 2])\; h\; 2\; -\; h\; 1\; =\; V\; r\; 1\; 2\; 2\; -\; V\; r\; 2\; 2\; 2\; T\; 2\; -\; T\; 1\; =\; V\; r\; 1\; 2\; 2\; cp\; -\; V\; r\; 2\; 2\; 2\; cp\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; R\; =\; \{\backslash \; frac\; \{h\_\; \{2\}\; -h\_\; \{1\}\}\; \{h\_\; \{02\}\; -h\_\; \{01\}\}\}\; \backslash \backslash \; P\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; c\_\; \{\; p\}\; \backslash \; left\; (T\_\; \{2\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2c\_\; \{p\}\}\}\; -\; \backslash \; left\; [T\_\; \{1\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{1\}\; ^\; \{2\; \}\}\; \{2c\_\; \{p\}\}\}\; \backslash \; right]\; \backslash \; right)\; \backslash \backslash \; P\; =\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; \backslash \; left\; (h\_\; \{2\}\; -h\_\; \{1\}\; +\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{2\}\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2\}\}\; \backslash \; right]\; \backslash \; right)\; \backslash \backslash \; h\_\; \{2\}\; -h\_\; \{1\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\; V\_\; \{r1\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{r2\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2\}\}\; \backslash \backslash \; T\_\; \{2\}\; -T\_\; \{1\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{\; r1\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2c\_\; \{p\}\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{r2\}\; ^\; \{2\}\}\; \{2c\_\; \{p\}\}\}\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Следовательно,

$Р\; знак\; равно\; В\; р\; 1\; 2\; -\; В\; р\; 2\; 2\; В\; р\; 1\; 2\; -\; В\; р\; 2\; 2\; +\; V\; 1\; 2\; -\; В\; 2\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; R\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{r1\}\; ^\; \{2\}\; -V\_\; \{r2\}\; ^\; \{2\}\}\; \{V\_\; \{r1\}\; ^\; \{2\}\; -V\_\; \{r2\}\; ^\; \{2\}\; +\; V\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; -V\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash ,\}$

Причины, указывающие на разницу между идеальной и фактической характеристиками осевого компрессора

Грейтцер использовал резону Гельмгольца Модель системы сжатия типа tor для прогнозирования переходной характеристики системы сжатия после небольшого возмущения, наложенного на установившийся рабочий режим. Он нашел безразмерный параметр, который предсказал, какой режим нестабильности компрессора, вращающийся срыв или помпаж, приведет к этому. Параметр использовал частоту вращения ротора, частоту резонатора Гельмгольца системы и «эффективную длину» канала компрессора. Он имел критическое значение, которое предсказывало вращающийся срыв или помпаж, при котором крутизна отношения давления к потоку изменялась с отрицательной на положительную.

Производительность осевого компрессора показана на карте компрессора , также известной как характеристика, путем нанесения соотношения давлений и эффективности в зависимости от скорректированного массового расхода при различных значения скорректированной скорости компрессора.

Осевые компрессоры, особенно близкие к их расчетной точке, обычно поддаются аналитической обработке, и хорошая оценка их производительности может быть сделана до их первого запуска на буровой установке. Карта компрессора показывает полный рабочий диапазон, то есть нестандартный, компрессора от холостого хода на земле до максимальной скорректированной скорости ротора, которая для гражданского двигателя может иметь место на вершине набора высоты или, для боевого двигателя военного назначения, при взлет в холодный день. Не показан диапазон рабочих характеристик на холостом ходу, необходимый для анализа нормального поведения на земле и при запуске ветряной мельницы в полете.

Производительность отдельной ступени компрессора может быть показана путем построения графика коэффициента нагрузки ступени ($\psi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; psi\; \backslash ,\}$) как функции коэффициента расхода ($\varphi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; phi\; \backslash ,\}$)

Отношение давления ступени к расходу ниже, чем для ступени без потерь, как показано на рисунке. Потери из-за трения лопасти, разделение потока, неустойчивый поток и расстояние между лопастями.

Работа вне проекта

График характеристик осевого компрессора вне расчетных. Коэффициент ступенчатой ​​нагрузки ($\psi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; psi\; \backslash ,\}$) как функция коэффициента расхода ($\varphi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; phi\; \backslash ,\}$)

Производительность компрессора определяется его конструкцией. Но на практике рабочая точка компрессора отклоняется от проектной точки, которая известна как внепроектная операция.

$\psi \; =\; \varphi \; (tan\; \; \alpha \; 2\; -\; tan\; \; \alpha \; 1)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; psi\; =\; \backslash \; phi\; (\backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{2\}\; -\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\})\; \backslash ,\}$

(1)

$tan\; \; \alpha \; 2\; =\; 1\; \varphi \; -\; tan\; \; \beta \; 2\; \{\backslash \; displaysty\; le\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; phi\}\}\; -\; \backslash \; tan\; \backslash \; beta\; \_\; \{2\}\; \backslash ,\}$

(2)

из уравнения (1) и (2)

$\psi \; знак\; равно\; 1\; -\; \varphi \; (загар\; \; \beta \; 2\; +\; загар\; \; \alpha \; 1)\; \{\backslash \; Displaystyle\; \backslash \; psi\; =\; 1-\; \backslash \; phi\; (\backslash \; загар\; \backslash \; бета\; \_\; \{2\}\; +\; \backslash \; загар\; \backslash \; альфа\; \_\; \{1\})\; \backslash ,\}$

Значение $(tan\; \; \beta \; 2\; +\; tan\; \; \alpha \; 1)\; \{\backslash \; displaystyle\; (\backslash \; tan\; \backslash \; beta\; \_\; \{2\}\; +\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\})\; \backslash ,\}$не меняется для широкого диапазона рабочих точек до остановки. Также $\alpha \; 1\; =\; \alpha \; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\; \_\; \{1\}\; =\; \backslash \; alpha\; \_\; \{3\}\; \backslash ,\}$из-за незначительного изменения угла наклона ротора и статора, где $\alpha \; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\; \_\; \{3\}\; \backslash ,\}$- угол лопасти диффузора.

$J\; =\; загар\; \; \beta \; 2\; +\; загар\; \; \alpha \; 3)\; \{\backslash \; displaystyle\; J\; =\; \backslash \; tan\; \backslash \; beta\; \_\; \{2\}\; +\; \backslash \; tan\; \backslash \; alpha\; \_\; \{3\})\; \backslash ,\}$является константой

.

Представление проектных значений с помощью (')

$\psi \; \prime \; =\; 1\; -\; J\; (\varphi \; \prime )\; J\; =\; 1\; -\; \psi \; \prime \; \varphi \; \prime \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; \backslash \; psi\text{'}\; =\; 1-J\; (\backslash \; phi\; \text{'})\; \backslash ,\; \backslash \backslash \; J\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1-\; \backslash \; psi\text{'}\}\; \{\backslash \; phi\; \text{'}\}\}\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

(3)

для внепроектных операций (с уравнение 3 ):

$\psi \; =\; 1\; -\; J\; (\varphi )\; \psi \; =\; 1\; -\; \varphi \; (1\; -\; \psi \; \prime \; \varphi \; \prime )\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; \backslash \; psi\; =\; 1-J\; (\backslash \; phi)\; \backslash ,\; \backslash \backslash \backslash \; psi\; =\; 1-\; \backslash \; phi\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{1-\; \backslash \; psi\; \text{'}\}\; \{\backslash \; phi\text{'}\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\; \backslash \; end\; \{выровнено\}\}\; \}$

для положительных значений J наклон кривой отрицательный, и наоборот.

Пульсация

Различные точки на кривой производительности в зависимости от расхода и перепада давления

На графике зависимости расхода от давления линия, разделяющая график между двумя областями - нестабильными и стабильными, известна как линия помпажа . Эта линия образуется путем соединения точек помпажа на разных оборотах. Нестабильный поток в осевых компрессорах из-за полного нарушения установившегося сквозного потока называется помпажем. Это явление влияет на производительность компрессора и нежелательно.

Цикл помпажа

Следующее объяснение помпажа относится к работе компрессора с постоянной скоростью на буровой установке и постепенному уменьшению площади выхода путем закрытия клапана. То, что происходит, то есть пересечение линии помпажа, вызвано тем, что компрессор пытается подавать воздух, все еще работающий с той же скоростью, с более высоким давлением на выходе. Когда компрессор работает как часть законченного газотурбинного двигателя, а не на испытательном стенде, более высокое давление нагнетания на определенной скорости может быть мгновенно вызвано слишком большим сжиганием топлива скачком, который вызывает кратковременную блокировку пока компрессор не достигнет скорости, соответствующей новому потоку топлива, и помпаж не прекратится.

Предположим, что начальная рабочая точка D ($m\; \dot{},\; PD\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; dot\; \{m\}\},\; P\_\; \{D\}\; \backslash ,\}$) при некоторой скорости вращения N. При уменьшении расхода при тех же оборотах в минуту по характеристической кривой путем частичного закрытия клапана давление в трубопроводе возрастает, о чем будет заботиться увеличение входного давления в компрессоре. При дальнейшем увеличении давления до точки P (точка помпажа) давление компрессора будет увеличиваться. При дальнейшем движении влево при постоянных оборотах давление в трубопроводе будет увеличиваться, но давление компрессора будет уменьшаться, что приведет к обратному потоку воздуха в сторону компрессора. Из-за этого обратного потока давление в трубе будет уменьшаться, поскольку это неравномерное давление не может сохраняться в течение длительного периода времени. Хотя положение клапана установлено для более низкого расхода, например, в точке G, но компрессор будет работать в соответствии с нормальной стабильной рабочей точкой, например, E, поэтому будет следовать путь EFPGE, ведущий к нарушению потока, следовательно, давление в компрессоре упадет до точки H ($PH\; \{\backslash \; displaystyle\; P\_\; \{H\}\; \backslash ,\}$). Это увеличение и уменьшение давления в трубе будет повторяться в трубе и компрессоре после цикла E-F-P-G-H-E, также известного как цикл помпажа.

Это явление вызовет вибрацию всей машины и может привести к механической поломке. Вот почему левая часть кривой от точки помпажаназывается нестабильной областью и может привести к повреждению машины. Таким образом, рекомендуемый рабочий диапазон находится справа от линии помпажа.

Остановка

Остановка - важное явление, влияющее на производительность компрессора. Анализируется вращающийся срыв в компрессорах многих ступеней с целью определения, которое создает устойчивое состояние потока, которое является устойчивым в движущейся системе отсчета, даже если общее статическое давление на входе и выходе остается постоянным. В компрессоре резолюцию гистерезис повышения давления. Это ситуация отрыва воздушного потока на аэрофольговых лопатках компрессора. Это явление в зависимости от профиля лопасти приводит к снижению и падению мощности двигателя.

Положительный срыв

Разделение потока происходит на стороне всасывания лопасти.

Отрицательное срывание

Разделение потока происходит на стороне нагнетания

Отрицательное срывание незначителен по сравнению с положительным срывом, потому что разделение потока меньше всего происходит на стороне нагнетания лезвия.

В многоступенчатом компрессоре на ступенях высокого давления осевая скорость очень мала. Значение срыва уменьшается с небольшим отклонением от расчетной точки, вызывая срыв около втулки и наконечника, размер которых увеличивается с уменьшением расхода. Они увеличиваются в размерах при очень низкой скорости потока и воздействуют на всю высоту лопасти. Давление нагнетания резко падает из-за большого срыва. Эффективность ступени с повреждением потерь.

Остановка при вращении

См. Также: Останов компрессора

Неравномерность воздушного потока в лопастях ротора может нарушить локальный воздушный поток в компрессоре, не нарушая его. Компрессор продолжает работать нормально, но с пониженной компрессией. Таким образом, вращающийся срыв снижает эффективность компрессора.

В роторе с лопастями, движущимися, скажем, вправо. Если некоторые лопасти будут работать поток при более высоком падении, эта лопасть остановится положительно. Он создает препятствие в проходе между лезвием слева и им самим. Таким образом, левая лопасть будет получать поток при большем падении, а лопасть справа от нее - при уменьшении. Левое лезвие будет испытывать более сильное срывание, тогда как правое лезвие будет испытывать меньшее срывание. По направлению вправо срывание уменьшается, в то время как влево увеличивается. Движение вращающегося стойла можно наблюдать в зависимости от выбранной системы отсчета.

Эффекты

• Это снижает эффективность компрессора
• Вынужденные вибрации лопастей из-за прохождения через отсек останова.
• Эти вынужденные колебания совпадают с принудительной родной лопаток, вызывающая резонанс и, следовательно, выход из строя лопатки.

С точки зрения энергообмена осевые компрессоры являются реверсивными турбинами. Разработчик паровой турбины Чарльз Алджернон Парсонс, например, признал, что турбина, которая производит работу за счет статического давления жидкости (т. Е. Реакционная турбина), может иметь обратное действие, действовать как воздушный компрессор, чтобы вызывая это турбокомпрессор или насос. Его лопасти ротора и статора, описанные в одном из его патентов, практически не имели изгиба, хотя в некоторых случаях конструкция лопастей была на теории пропеллера. Машины, приводимые в движение паровыми турбинами, использовались в промышленных целях, например, для подачи воздуха в доменные печи. В 1901 году компания Parsons поставила первый коммерческий компрессор с осевым потоком для использования в плавильном заводе по выплавке свинца. Машины Parsons имели низкие КПД, и вскоре были заменены более эффективными центробежными компрессорами. Brown Boveri Cie произвела компрессоры с «реверсивной турбиной», приводимые в действие газовыми турбинами, с лопастями, полученными в результате аэродинамических исследований, которые были более эффективны, чем центробежные типы, при перекачивании больших объемов потока 40 000 куб.. Футов. в минуту при давлении до 45 фунтов на квадратный дюйм

«Временные осевые компрессоры» были недостаточно эффективными, в ряде работ в начале 1920-х годов утверждено, что создать практический реактивный двигатель невозможно. Все изменилось после А. А. Гриффит опубликовал основополагающую статью в 1926 году, отметив, что причина плохой производительности заключалась в том, что в компрессорах использовались плоские лопасти и по существу они «летели сваливались ». Он показал, что использование аэродинамических поверхностей вместо плоских лопастей повысит эффективность до такой степени, что практический реактивный двигатель станет реальной. В заключение он привел принципиальную схему такого двигателя, которая включала в себя вторую турбину, которая использовалась для привода гребного винта.

Хотя Гриффит был хорошо известен благодаря своей более ранней работе по измерению усталости металла и напряжения, похоже, что небольшое количество работ было начато как прямой результат его статьи. Единственным очевидным усилием был компрессор, созданный Хейном Константом, коллегой Гриффита из Royal Aircraft Establishment. Другие первые разработки реактивных двигателей, в частности, Фрэнка Уиттла и Ханса фон Охайна, были основаны на более надежном и понятном центробежном компрессоре, который широко использовался в нагнетатели. Гриффит, увидев работу Уиттла в 1929 году, отклонил ее, отклонил математическую ошибку, и продолжил утверждать, что фронтальный размер двигателя сделает его бесполезным на высокоскоростном самолете.

Реальная работа над двигателями с осевым потоком началась в конце 1930-х годов, и все они были начаты примерно в одно время. В Англии Hayne Constant заключил соглашение с паротурбинной компанией Metropolitan-Vickers (Метровик) в 1937 году, начав с турбовинтовых двигателей на основе конструкции Гриффита в 1938 году. В 1940 году, после Успешный запуск конструкции Whittle с центробежным потоком, их проект был переработан в чистую струю, Metrovick F.2. В Германии Охайн произвел несколько работающих центробежных двигателей, в том числе один в мире реактивный самолет (He 178 ), но усилия по разработке были перенесены на Junkers (Jumo 004 ) и BMW (BMW 003 ), которые использовали осевую конструкцию в первом мире реактивном истребителе (Messerschmitt Me 262 ) и реактивный бомбардировщик (Arado Ar 234 ). В США и Lockheed, и General Electric получили в 1941 году контракты на контракты двигателей с осевым потоком, первый реактивный, второй турбовинтовой.. Northrop также начали свой собственный проект по разработке турбовинтового двигателя, который ВМС США в конечном итоге заказал в 1943 году. Westinghouse также участвовал в гонке в 1942 году, их проект доказал свою эффективность. быть единственной успешной из попыток США, позже ставшей J30.

. Как заметил Гриффит в 1929 году, большой фронтальный размер центробежного компрессора привел к тому, что он имел более высокое лобовое сопротивление, чем более узкий компрессор с осевым потоком. Кроме того, конструкция с осевым потоком может улучшить его степень сжатия , просто добавив дополнительные ступени и сделав двигатель немного длиннее. В конструкции с центробежным потоком сам компрессор должен быть большего диаметра, что было намного сложнее правильно «установить» на самолет. С другой стороны, конструкции с центробежным потоком оставались намного менее сложными (основная причина, по которой они «выиграли» в гонке за летающими примерами) и поэтому играли роль в тех местах, где размер и оптимизация не так важны. По этой причине они являются основным решением для вертолетных двигателей, где компрессор лежит ровно и может быть изготовлен необходимого размера без существенного нарушения обтекаемости.

Схема осевого компрессора низкого давления турбореактивного двигателя Olympus BOl.1.

В области применения реактивного двигателя компрессор сталкивается с широким спектром условий эксплуатации. На земле при взлете давление на входе высокое, скорость на входе равна нулю, и компрессор вращается с разными скоростями при подаче мощности. В полете давление на входе падает, но скорость на входе увеличивается (из-за поступательного движения самолета), чтобы восстановить часть этого давления, и компрессор имеет тенденцию на скорости в течение длительных периодов времени.

Просто не существует "идеального" компрессора для такого широкого диапазона условий эксплуатации. Компрессоры с фиксированной геометрией, подобные тем, которые использовались в ранних реактивных двигателях, расчетным перепадом давления около 4 или 5: 1. Как и в случае с любым тепловым двигателем, топливная эффективность сильно зависит от сжатия, поэтому существует очень большая финансовая потребность в улучшении ступеней компрессора за пределами этих видов соотношения.

Кроме того, компрессор может заглохнуть, если условия на входе резко меняются, что является распространенной проблемой для ранних двигателей. В некоторых случаях, когда остановка происходит около передней части двигателя, все ступени с этого момента прекращают сжимать воздух. В этой ситуации энергия, необходимая для работы компрессора, внезапно падает, оставшийся горячий воздух в задней части двигателя позволяет турбине резко разогнать весь двигатель. Это состояние, известное как помпаж, было серьезной проблемой для ранних двигателей и часто приводило к поломке турбины или компрессора и выпадению лопаток.

По всем этим причинам осевые компрессоры на современных реактивных двигателях значительно сложнее, чем на более ранних конструкциях.

Золотники

Все компрессоры имеют оптимальную точку соотношения вращения и давления, при этом более высокое сжатие требует более высоких скоростей. Ранние двигатели были разработаны для простоты и использовали один большой компрессор, вращающийся с одной скоростью. Более поздние конструкции добавили вторую турбину и разделили компрессор на секции низкого и высокого давления, причем последняя вращалась быстрее. Эта конструкция с двумя золотниками, впервые примененная на Бристоль Олимп, позволила повысить эффективность. Дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто за счет увеличения третьей катушки, увеличивающее усилие увеличивает техническое обслуживание до такой степени, что сводит на нет любую экономическую выгоду. Используется самый известный из них - Rolls-Royce RB211, который используется на самых разных коммерческих самолетах.

Удаление воздуха, регулируемые статоры

Когда самолет меняет скорость или высоту, давление воздуха на входе в компрессор будет изменяться. Чтобы «настроить» компрессор на эти изменяющиеся условия, в конструкциях, начиная с 1950-х годов, «стравливали» воздух из середины компрессора, чтобы избежать попытки сжать слишком много воздуха на последних стадиях. Это также использовалось для запуска двигателя, позволяя ему без сжатия большого количества воздуха за максимально возможного выпуска воздуха. В случае системы стравливания уже широко использовались для потока воздуха в ступень турбины, где он использовался для охлаждения лопаток турбины, а также для подачи сжатого воздуха в систему кондиционирования воздуха внутри помещения самолет.

В более продвинутой конструкции, регулируемом статоре, использовались лопасти, которые можно индивидуально вращать вокруг своей оси, в отличие от оси мощности двигателя. Для запуска увеличивается положение «закрыто», уменьшая сжатие, а затем возвращаются обратно в воздушный поток, как требуются внешние условия. General Electric J79 был первым примером конструкции регулируемого статора.

Постепенное закрытие регулируемых статоров по мере падения скорости компрессора уменьшает наклон линии помпажа (или остановки) на рабочей характеристике, улучшая запас по помпажу установленного агрегата. За счет включения регулируемых статоров на первых пяти ступенях General Electric Aircraft Engines разработала десятиступенчатый осевой компрессор, способный работать при проектномении давлений 23: 1.

Обмен энергия между ротором и жидкостью

Относительное движение лопастей по отношению к жидкости увеличивает скорость или давление, или и то, и другое вместе с жидкостью, когда она проходит через ротор. Скорость жидкости увеличивается через ротор, а статор преобразует кинетическую энергию в энергию давления. Некоторая диффузия также происходит в роторе в большинстве практичных конструкций.

Увеличение скорости жидкости в основном в тангенциальном направлении (завихрение), и статор удаляет этот угловой момент.

Повышение давления приводит к повышению температуры торможения. Для данной геометрии повышение температуры зависит от квадрата тангенциального числа Маха ряда ротора. Современные турбовентиляторные двигатели имеют вентиляторы, которые работают со скоростью 1,7 Маха или более, и требуют значительных ограждающих конструкций и шумоподавляющих конструкций для снижения повреждений лопастей и шума.

Карты компрессора

Карта показывает производительность компрессора и позволяет определить оптимальные рабочие условия. Он показывает массовый расход по горизонтальной оси, обычно в процентах от расчетного массового расхода или в фактических единицах. Рост давления показан на вертикальной оси как соотношение между давлением торможения на входе и выходе.

Линия помпажа или срыва определяет границу, слева от которой производительность компрессора быстро ухудшается, и определяет максимальное отношение давлений, которое может быть достигнуто для данного массового расхода. Очерчены контуры эффективности, а также характеристики работы на определенных скоростях вращения.

Стабильность сжатия

Эксплуатационная эффективность наиболее высока вблизи линии остановки. Если давление на выходе превышает максимально возможное, компрессор остановится и станет нестабильным.

Обычно нестабильность будет на частоте Гельмгольца системы с учетом нагнетательной камеры ниже по потоку.

• Центробежный компрессор
• Конструкция осевого вентилятора

• Treager, Irwin E. 'Aircraft Gas Turbine Engine Technology' 3-е изд., McGraw- Hill Book Company, 1995, ISBN 978-0-02-8018287
• Хилл, Филип и Карл Петерсон. «Механика и термодинамика тяги», 2-е изд., Прентис Холл, 1991. ISBN 0-201-14659-2.
• Керреброк, Джек Л. «Авиационные двигатели и газовые турбины., '2-е изд., Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 1992. ISBN 0-262-11162-4.
• Рангвалла, Абдулла. С. «Turbo-Machinery Dynamics: Design and Operation», Нью-Йорк: McGraw-Hill: 2005. ISBN 0-07-145369-5.
• Уилсон, Дэвид Гордон и Феодосиос Коракианитис. «The Design of High Efficiency Turbomachinery and Turbines», 2nd edn, Prentice Hall, 1998. ISBN 0-13-312000-7.

.