Общее устройство и принцип действия

В ТРД сжатие воздуха происходит в лопаточных машинах, в которых осуществляется передача механической энергии от вращающихся лопаток газовому потоку при взаимодействии потока и движущихся лопаток.

В современных авиационных двигателях и газотурбинных установках наибольшее применение получили осевые компрессоры, обладающие большим КПД и меньшей удельной (на единицу расхода газа) массой по сравнению с другими компрессорами.

Рис. 1.22. Схема устройства осевого компрессора

Основными принципиальными элементами осевого компрессора являются расположенные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток. Каждый венец вращающихся лопаток образует рабочее колесо (РК), а каждый венец неподвижных лопаток - спрямляющий аппарат (СА) (рис. 1.22). Каждая пара РК и СА представляет собой ступень компрессора, т. е. секцию, в которой полностью реализуется процесс повышения давления. Степень повышения давления в одной ступени дозвукового компрессора обычно не более 1,3-1,4; число ступеней - от 5-6 до 15-17, общая степень повышения давления в компрессоре может достигать до 25-30 и более.

Воздушный поток в осевом компрессоре движется по поверхностям, близким к цилиндрическим, с образующими почти параллельными оси компрессора (отсюда компрессоры и получили название осевых). Повышение давления в одной ступени относительно невелико, поэтому осевые компрессоры всегда выполняются многоступенчатыми.

Благодаря сжатию воздуха плотность его в каждой ступени возрастает и при неизменном массовом расходе объемный расход воздуха падает. Поскольку осевая скорость воздуха в компрессоре уменьшается, то это приводит к необходимости уменьшения проходных сечений, поэтому высота лопаток по ходу движения воздуха сокращается.

Для придания воздуху нужного направления движения при поступлении его в первую ступень компрессора перед ней часто располагают входной направляющий аппарат (ВНА) (рис. 1.22).

Поскольку принцип действия компрессора реализуется в каждой ступени, то для его выяснения достаточно рассмотреть работу одной ступени. На рис. 1.23 показана схема одной ступени компрессора. Любую из ступеней компрессора удобно рассечь цилиндрической поверхностью, проходящей, например, через середину высоты лопаток компрессора (по среднему диаметру), а затем развернуть это цилиндрическое сечение на плоскость. На рис. 1.23 показаны полученные таким образом сечения лопаток рабочего колеса (РК) и направляющего (спрямляющего) аппарата (СА); рабочее колесо вращается с окружной скоростью u на среднем диаметре, спрямляющий аппарат - неподвижен. Обозначим цифрами 1 и 2 входное и выходное сечения рабочего колеса, и - аналогично сечения для направляющего аппарата. Скорость воздуха в абсолютном (по отношению к неподвижной системе координат) движении обозначают буквой с.

Предположим, что на входе в рабочее колесо на среднем диаметре известен вектор абсолютной скорости с₁, который направлен вдоль оси компрессора (угол α₁ = 90°). На треугольнике скоростей (см. рис. 1.23) показано, что при окружной скорости и направление вектора относительной скорости w₁ составляет угол β₁ с плоскостью вращения. Поэтому передние кромки рабочих лопаток компрессора необходимо ориентировать в соответствии с направлением вектора относительной скорости w₁.

Рис. 1.23. Сечения лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата, и треугольники скоростей

Повышение давления воздуха происходит за счет работы сжатия в диффузорном (расширяющемся т.к. f_1k,< f_2k) межлопаточном канале рабочего колеса, в связи с чем модуль относительной скорости w₂ на выходе из колеса уменьшается, угол β₂ возрастает (за счет скоса потока), а давление р₂ - увеличивается.

Переносная окружная скорость u, складываясь с относительной скоростью w₂ на выходе из РК, увеличивает скорость потока на выходе из РЛ с₂>с₁. Увеличение скорости воздуха (с) указывает на повышение его кинетической энергии.

Полученная на колесе кинетическая энергия используется для дальнейшего сжатия воздуха в СА, межлопаточные каналы которого также делаются диффузорными. В результате скорость воздуха падает от с₂ до с₃, которая по величине и по направлению обычно близка к с₁ т. е. c₃≈с₁ и α₁≈ α₃

Таким образом, в ступени компрессора сжатие воздуха обычно происходит двумя этапами: на РК и в СА, вследствие снижения соответственно относительной скорости w и абсолютной скорости с. Кинетическая энергия сжатого воздуха сохраняется при этом почти такой же, как и перед ступенью, поскольку с₁≈с₃.Схема изменения основных параметров (температуры, давления и скоростей) представлена на рис 1.33.