Характеристики ступени осевого компрессора

Рис. 5.4. Характеристика компрессора в параметрах G в.пр и n пр

Характеристики одноступенчатого компрессора обычно изображаются в тех же координатах и имеют в общем такой же вид, как и рассмотренные выше характеристики многоступенчатых компрессоров. Но для анализа условий работы ступени в многоступенчатом компрессоре характеристики ступени часто изображают в виде зависимости коэффициента адиабатного напора  и КПД ступени   от коэффициента расхода  при постоянных значениях , как показано на рис. 5.5.

Параметр  является критериальным, так как согласно треугольнику скоростей (рис. 5.3):

                        (5.4)

Следовательно, при  и  угол  будет оставаться постоянным, а если при этом  также постоянна, то и , т.е. режим работы ступени будет подобным. При этом будут неизменными не только  и , но и значение коэффициента адиабатного напора .

Рис. 5.5. Характеристика ступени компрессора в безразмерных (критериальных) параметрах

Таким образом, на рис. 5.5 характеристика ступени изображена в критериальных параметрах и не зависит (при данном ) от условий на входе в неё.

Для анализа и объяснения протекания характеристик ступени рассмотрим зависимость  от  при неизменном значении  (зависимость  от  будет аналогичной). При этом для простоты будем полагать вход воздуха в ступень осевым и .

На рис. 5.6 изображены треугольники скоростей для рабочего колеса такой ступени на некотором его радиусе при трех различных значениях осевой скорости. Здесь через  обозначено значение , при котором угол атаки i на лопатках рабочего колеса равен нулю. Как видно из этого рисунка, изменение осевой скорости непосредственно сказывается на величине угла атаки i и на величине закрутки воздуха в колесе .

Рис. 5.6. Схема обтекания лопаток РК ступени с осевым входом воздуха при u =const и различных значениях са

Увеличение  приводит к увеличению , т.е. к уменьшению угла атаки. Направление вектора скорости  за колесом при этом изменяется мало, т.е.

. В результате при увеличении  закрутка воздуха в колесе  уменьшается. Уменьшение осевой скорости, наоборот, ведет к увеличению как i, так и . Из треугольника скоростей ступени видно, что при осевом входе  и следовательно (так как )

.              (9.5)

Таким образом, поскольку , работа, затрачиваемая на вращение каждого элемента РК, и, следовательно, ступени в целом, будет практически линейно уменьшаться с ростом , как показано на рис. 5.7. Аналогичный результат получается и при .

Согласно уравнению Бернулли для ступени

.

Пренебрегая здесь величиной  по сравнению с  и учитывая, что

,

будем иметь

.                                         (5.5)

Следовательно, кривая  пройдет на характеристике ступени рис. 5.7, ниже линии  на величину потерь . Потери в решетках РК и НА минимальны при i ≈ 0, т.е. при  (см. рис. 5.6). При изменении , а значит и угла атаки i потери  возрастают (см. штриховую линию на рис. 5.7).

Рис. 5.7. Характеристика осевой ступени при малой окружной скорости

Значение  соответствует достижению критического угла атаки, превышение которого приводит к срывному режиму течения в ступени.

Если ординаты кривой  на рис. 5.7, вычесть из ординат линии , то, согласно (5.5), получится кривая , а частное от деления на  даст значения .

Максимум КПД ступени достигается при некотором значении , меньшем, чем , а максимум напора (максимум ) располагается еще левее. Рабочий диапазон значений ограничен здесь слева значением , а справа - значением , при котором из-за падения и одновременного возрастания гидравлических потерь адиабатический напор, а вместе с ним и КПД ступени обращаются в нуль.