Схема и особенности работы центробежной ступени компрессора

Рис. 3.19. Схема центробежной компрессорной ступени

Основными элементами центробежной ступени (рис. 3.19) являются рабочее колесо и диффузор, 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 или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону (например, из радиального в осевое направление). На рис. 3.19 показаны также характерные размеры ступени: D _вт1, D _к1, D ₂ и D ₃.

Течение воздуха в рабочем колесе. Рабочее колесо обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки сложной формы (рис. 3.20).

Рассечем колесо цилиндрической поверхностью А-А (рис. 3.21, а), расположенной, например, на среднем радиусе входного сечения. Развертка этого сечения на плоскость будет иметь вид, показанный на рис. 3.21, б.

Векторы абсолютной с ₁, переносной u ₁ и относительной w ₁ скоростей воздуха образуют треугольник скоростей на входе в РК.

Направление передних кромок лопаток РК на расчетном режиме работы компрессора во избежание срыва потока должно быть близким к направлению вектора w ₁, которое характеризуется углом β₁.

Рис. 3.20. Рабочее колесо центробежной ступени		Рис. 3.21. Сечение лопаток и треугольник скоростей на входе в РК центробежной ступени

 

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 (рис. 3.21 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.

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, т.к. возрастает окружная скорость .

На выходе из колеса средняя относительная скорость воздуха w ₂ вследствие инерционности потока направлена не точно вдоль лопаток (по радиусу), а с некоторым отклонением в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Сложив вектор w ₂ с вектором окружной скорости колеса в этом сечении u ₂, можно определить абсолютную скорость c ₂, как показано на рис. 3.22.

Течение воздуха в диффузоре. Воздух, вышедший из колеса со скоростью c ₂, 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 Δ m - масса частицы, c _u - окружная составляющая её абсолютной скорости и r - текущий радиус, то Δ mc _u r = const или c _u r = 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.

 

Рис. 3.22. Треугольник скоростей на выходе из РКцентробежной ступени	Рис. 3.23. Лопаточный диффузор

 

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. 3.19) 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 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. 3.23. Как видно, канал между двумя соседними лопатками, выполняется расширяющимся, что ведет к значительному уменьшению скорости воздуха и увеличению его давления.

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

Рис. 3.24. Схема диагональной ступени компрессора

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 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 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. 3.24. По 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.