Анализ рабочего процесса ступени ОК

Рабочими элементами ОК являются чередующиеся между собой в осевом направлении ряды подвижных (рабочих) и неподвижных (направляющих) лопаток. Каждый ряд рабочих лопаток вместе с несущим их элементом ротора (диском или частью барабана) называется рабочим колесом (РК), Каждый ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом (НА). Рабочее колесо вместе с установленным за ним направляющим аппаратом образуют ступень ОК.

На рис.15 показана схема ступени ОК, а на рис. 16 – решетки профилей лопаток РК и НА, которые получаются, если рассечь ступень цилиндрической поверхностью с радиусом r и развернуть полученное сечение на плоскость. Форма профилей лопаток РК и НА выбирается такой, что они образуют расширяющиеся межлопаточные каналы.

Рис. 15. Схема ступени осевого компрессора

Рис. 16. Решетки профилей лопаток РК и НА

Скорость воздуха относительно корпуса ОК называют абсолютной и обозначают вектором С. Ее направление на входе в ступень С₁ определяется направляющим аппаратом предыдущей ступени. Обычно эта скорость отклонена от осевого направления в сторону вращения РК. Лопатки РК перемещаются с окружной скоростью U, которая для воздуха является переносной скоростью. Скорость воздуха относительно лопаток РК W1 определяется как разность абсолютной и переносной скоростей: W₁ = C₁ – U₁. Совокупность векторов С₁, W₁ и U образует треугольник скоростей на входе в РК.

В расширяющемся межлопаточном канале РК воздушный поток поворачивается, тормозится и выходит из канала с относительной скоростью W₂<W₁. Вследствие торможения потока воздуха давление его возрастает от р₁ до р₂. В рабочем колесе поток воздуха приобретает переносную скорость U, поэтому, несмотря на снижение относительной скорости, абсолютная скорость потока на выходе из РК С₂ выше С₁. Векторы С₂, W₂ и U образуют треугольник скоростей на выходе из РК. Таким образом, в рабочем колесе за счет подвода к воздуху внешней энергии (совершения над ним работы) увеличивается и давление воздуха, и абсолютная скорость его движения.

Воздушный поток воздействует на лопатку РК, заставляющую его изменить направление движения, с аэродинамической силой Р. Осевая составляющая этой силы Ра воспринимается подшипниками ротора компрессора и передается далее на корпус двигателя и на самолет. Окружная составляющая Рu создает момент, направленный против вращения РК. Для его преодоления к ротору ОК прикладывается соответствующий крутящий момент от газовой турбины.

Согласно III закону Ньютона лопатка РК воздействует на воздушный поток с силой Q = Р, но направленной в противоположную сторону. Ее осевая составляющая Qа проталкивает воздух вдоль проточной части двигателя. В результате на входе в ОК при работе двигателя на земле и при малых скоростях полета создается пониженное давление, обеспечивающее поступление к ОК атмосферного воздуха. Окружная составляющая Qu обеспечивает закрутку потока в сторону вращения РК.

Для определения закрутки потока в рабочем колесе ∆W_u = W_1u – W_2u треугольники скоростей на входе в РК и на выходе из него совмещают на одном чертеже, который называют планом скоростей ступени ОК (рис. 17).

В соответствии с уравнением Эйлера применительно к окружному движению воздуха можно записать:

Qu = Pu = Gв(W_1u – W_2u) = Gв(C_2u – C_1u) = Gв∆Wu = Gв∆Cu,

где Gв – массовый секундный расход воздуха.

Отсюда секундная работа, затрачиваемая при вращении РК ступени (работа ступени ОК):

L_ст = UPu/Gв = U∆Wu = U∆Cu.................. (3.1)

Рис. 17. План скоростей ступени ОК

В расширяющихся межлопаточных каналах НА абсолютная скорость воздуха уменьшается от С₂ до С₃, примерно равной С₁, а давление увеличивается до р₂. Таким образом, дополнительная кинетическая энергия, сообщенная воздуху в РК, используется в НА для дальнейшего повышения давления. Отношение полного давления воздуха на выходе из ступени к полному давлению на входе в ступень называется степенью повышения давления в ступени: π* = р₃*/р₁*.

Адиабатная работа сжатия ступени:

L*_ад.ст = kRT₁*(π*_ст^(к-1)/k – 1)/(k – 1)........... (3.2)

В действительном процессе сжатия воздуха определенная работа затрачивается на преодоление сил трения. Эта работа, преобразуясь в тепло, вызывает дополнительный подогрев воздуха. Дополнительные затраты работы на сжатие воздуха из-за подвода к нему тепла трения обозначают ∆L_тр и называют тепловым сопротивлением.

Таким образом, работа, затрачиваемая на вращение РК ступени, расходуется на сжатие воздуха и преодоление сил трения. Уравнение Бернулли применительно к ступени ОК может быть записано в виде:

L_ст = L*_ад.ст + L_тр + ∆L_тр.................. (3.3)

Для оценки эффективности процесса сжатия в ступени работу L_ст сравнивают с величиной L*_ад.ст. Отношение

L*_ад.ст/L_ст = ξ*_ад.ст..................... (3.4)

называют адиабатным КПД ступени. В выполненных конструкциях ОК ξ*_ад.ст = 0,83-0,87.