Основные параметры многоступенчатого

КОМПРЕССОРА (КАСКАДА) И ИХ СВЯЗЬ

С ПАРАМЕТРАМИ СТУПЕНЕЙ

 

Многоступенчатый осевой компрессор состоит из ротора, представляющего собой несколько рабочих колес, получающих вращение от одного вала, и статора, состоящего, в свою очередь, из нескольких венцов лопаток направляющих аппаратов, закрепленных в общем корпусе. Пример одного из возможных вариантов конструктивного выполнения ротора и статора осевого компрессора показан на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Ротор и статор осевого компрессора

В ряде случаев компрессор конструктивно разбивается на две-три расположенных друг за другом группы ступеней (два-три каскада), которые приводятся во вращение отдельными турбинами. Процесс сжатия воздуха в многокаскадном компрессоре сводится к последовательно протекающим процессам сжатия в его каскадах. Поэтому под термином «компрессор» будет подразумеваться однокаскадный компрессор или один каскад многокаскадного компрессора.

На рис. 4.2 приведена схема (разрез) многоступенчатого осевого компрес­сора с указанием обозначений характерных сечений проточной части, которые будут использованы в дальнейшем.

Здесь в - сечение на входе в компрессор; к - сечение на выходе из компрессора; I, II, III, …, i, …, z - сечения на входе в первую, вторую, третью, i -тую и последнюю ступени. Сечение в располагается перед входным направляющим аппаратом (ВНА) или перед рабочим колесом первой ступени, если ВНА отсутствует. Сечение к располагается на выходе из последней ступени. В этом сечении воздушный поток обычно не имеет значительной окружной составляющей скорости, так как это могло бы привести к увеличению потерь в установленных за компрессором элементах воздушного тракта двигателя (вследствие потери кинетической энергии этой составляющей из-за её затухания под действием сил вязкости). В некоторых компрессорах для уменьшения этих потерь при спрямлении потока на выходе дополнительно устанавливается еще один направляющий ("спрямляющий") аппарат. Тогда сечение к располагается за этим аппаратом.

Рис. 4.2. Схема многоступенчатого осевого компрессора

Все параметры, относящиеся к произвольно взятой ступени компрессора, будут снабжаться индексом " i ". Число ступеней будем обозначать символом z. В авиационных ГТД в большинстве случаев применяются осевые компрессоры с числом ступеней от 4-х до 10-ти. Вентиляторы двухконтурных ТРД имеют обычно от одной до четырех ступеней.

Основными параметрами многоступенчатого компрессора (большинство которых аналогично параметрам ступени) являются следующие:

а) степень повышения давления

 ;                                              (4.1)

б) адиабатная работа сжатия (повышения давления)

 ;                           (4.2)

в) работа, затрачиваемая на вращение ротора компрессора

;                       (4.3)

г) КПД компрессора

,                                              (4.4)

который с учетом формул (4.2) и (4.3) может быть записан как

,                                             (4.5)

где  и .

Как и в ступени компрессора, этот КПД учитывает снижение  по сравнению с работой , затраченной на вращение компрессора, из-за наличия гидравлических потерь.

д) Средний коэффициент нагрузки ступеней компрессора ,равный

;                                          (4.6)

е) Расход воздуха через компрессор G _в;

ж) Удельная производительность G_F, равная отношению расхода воздуха к лобовой площади входа в компрессор , т.е.

                                  (4.7)

Рассмотрим далее взаимосвязь между основными параметрами компрессора (каскада) и параметрами входящих в него ступеней при условии, что расход воздуха через все ступени одинаков.

а ) Степень повышения давления воздуха в компрессоре, очевидно, равна произведению степеней повышения давления во всех его ступенях

 .                                (4.8)

б). Работа, затрачиваемая на вращение вала компрессора, равна сумме работ вращения его ступеней

.                                           (4.9)

в). КПД компрессора связан с КПД его ступеней следующим образом:

так как   и , то, в соответствии с (4.9),

,

откуда

.                                         (4.10)

Если КПД всех ступеней принять одинаковым и равным некоторому среднему их значению , то в соответствии с (4.10)

.                                   (4.11)

Рис. 4.3.Процесс сжатия воздуха в трехступенчатом компрессоре

Из формулы (4.11) следует, что КПД компрессора меньше среднего значения КПД его ступеней.

Для доказательства этого утверждения рассмотрим процесс сжатия воздуха в трехступенчатом компрессоре (рис. 4.3). Точки I, II, III изображают здесь состояние воздуха на входе в первую, вторую и третью ступени. Линия I - к _ад изображает процесс адиабатного сжатия воздуха во всем компрессоре. Линия I - к - действительный процесс сжатия. В то же время процессы адиабатного сжатия для второй и третьей ступеней при тех значениях давления и плотности воздуха, которые в действительности имеют место на входе в эти ступени, изобразятся линиями II — III ¢ и III —к'. Как видно из рисунка, сумма адиабатных работ сжатия воздуха во всех трех ступенях оказывается больше адиабатной работы компрессора на величину, эквивалентную заштрихованной на рис. 4.3 площади. Аналогичный вывод получается и при сравнении адиабатных работ компрессора и суммы адиабатных работ его ступеней в параметрах заторможенного потока и, соответственно, как следует из формулы (4.11), оказывается меньше .

Этот результат является следствием теплового сопротивления в многоступенчатом компрессоре и связан с тем, что температура воздуха на входе в каждую последующую ступень оказывается выше, чем она была бы при отсутствии гидравлических потерь в предыдущей ступени. А это приводит к увеличению потребной работы сжатия воздуха в последующей ступени.

Приближенно связь между КПД компрессора  и средним значением КПД его ступеней  может быть определена с помощью формулы (вывод которой здесь не приводится)

 .                                       (4.12)

В однокаскадных компрессорах современных авиационных ГТД или в их отдельных каскадах при расчетной частоте вращения степень повышения дав­ления  колеблется в широких пределах: в вентиляторах ТРДД - от 1,7 до 4, а в многоступенчатых компрессорах до 10-ти и более. Средний коэффициент на­грузки ступеней  в осевых компрессорах ГТД равен 0,25... 0,35. КПД компрессоров с дозвуковыми ступенями обычно достигает 0,86 … 0,88, а с трансзвуковыми - 0,82 … 0,84.