Устройство и принцип действия осевого компрессора

Аэродинамический тракт компрессора состоит из входного устройства, проточной части и выходного устройства. Ряд рабочих лопаток и расположенный за ним ряд направляющих лопаток образуют ступень. Совокупность всех ступеней называется проточной частью компрессора.

На рисунке 40 показана схема осевого компрессора, которая включает: передний обтекатель 1, воздухозаборник 2, переднюю силовую стойку 3, входной направляющий аппарат 4, рабочий аппарат первой ступени 5, направляющий аппарат первой ступени 6, секцию ротора 7, стяжной болт 8, выходной спрямляющий аппарат 9, заднюю силовую стойку 10, выходной диффузор 11, опорный подшипник 12, опорно-упорный подшипник 13.

При вращении ротора воздух в рабочих лопатках движется с большой относительной скоростью, постепенно тормозится, при этом в результате уменьшения относительной скорости давление его повышается. В направляющих лопатках торможение воздуха продолжается, вместе с тем давление его повышается. Таким образом, в компрессоре происходит процесс превращения механической энергии вращения ротора сначала в кинетическую,  а  затем  во внутреннюю энергию  сжатого  воздуха с

Рисунок 40 – Конструктивная схема осевого компрессора

 

повышением давления и температуры. Этот процесс заканчивается в диффузоре 11.

Входное устройство предназначено для обеспечения заданных условий входа потока – безударного натекания на рабочие лопатки первой ступени. В его состав входит воздухозаборник, передний обтекатель, силовые стойки, входной направляющий аппарат.

Выходное устройство предназначено для придания потоку требуемого направления и для дальнейшего повышения давления за счет уменьшения скорости потока. В его состав входят спрямляющий аппарат, силовые стойки и выходной кольцевой диффузор.

Совокупность одного венца рабочих лопаток и следующего за ним венца направляющих лопаток называется ступенью компрессора. На рисунке 41 приведены схема ступени и изменение параметров состояния воздуха в ступени осевого компрессора.

Рабочие лопатки одной ступени, установленные в диске, называют рабочим колесом (PK) или рабочим аппаратом (РА), направляющие лопатки одной ступени, закрепленные в корпусе, называют направляющим аппаратом (НА), последний направляющий аппарат за последним PK называется спрямляющим аппаратом (CA).

Направляющий аппарат обеспечивает также определенное направление потока при вхождении его в рабочий аппарат следующей ступени. Степень повышения давления в ступени oceвого компрессора, в основном, зависит от средней окружной скорости лопаток. Чем больше эта скорость, тем больше

   

Рисунок 41 – Конструктивная схема

первой ступени осевого компрессора

 

степень повышения давления. Максимальная окружная скорость лопаток из условий их прочности обычно не превышает 300...450 м/с.

На рисунке 42 приведена развертка цилиндрического сечения проточной части компрессорной ступени и треугольники скоростей. Межлопаточные каналы РА и НА выполняются диффузорными, поэтому в РА имеет место преобразование части внешней кинетической энергии относительного движения во внутреннюю энергию рабочего тела с повышением давления и температуры, относительная скорость уменьшается от w ₁ до w ₂. В НА в результате аналогичного преобразования, но для абсолютного движения, уменьшается абсолютная скорость потока от с₁ до с₂.

Диаметр ступени компрессора определяется расходом воздуха, его плотностью и осевой скоростью. Осевая скорость воздуха сохраняется по всем ступеням постоянной или несколько уменьшается к последним ступеням.  Поскольку  плотность  воздуха  на  входе  в  первую  ступень

Рисунок 42 – Решетки профилей (а) и треугольники скоростей (б)

осевой компрессорной ступени

 

минимальная, то наибольшую площадь проточной части имеет первая ступень, далее площадь уменьшается к последним ступеням. Площадь проточной части ограничена ее наружным и внутренним диаметрами. Для уменьшения наружного диаметра первой ступени при заданной площади проточной части уменьшают внутренний диаметр, а чтобы обеспечить размещение лопаток на роторе, внутренний диаметр выбирают обычно равным 0,35...0,4 от наружного диаметра. На последующих ступенях может быть сохранен тот же наружный диаметр, что и на первой ступени (рис. 43, а), тот же внутренний диаметр (рис. 43, б), тот же средний диаметр (рис. 43, в), или диаметры могут меняться (рис. 4.2, г). На рисунке 43приведены схемы профилей проточной части: а - с постоянным наружным диаметром; б - с постоянным внутренним диаметром; в - с постоянным средним диаметром; г - с переменным наружным, внутренним и средним диаметрами.

 В первом случае потребное уменьшение площади проточной части (вследствие возрастания плотности воздуха) достигается увеличением внутреннего диаметра проточной части. При этом средние окружные скорости ступеней растут и, следовательно, увеличиваются их степени повышения давления. Но наряду с этим преимуществом указанная конструкция компрессора обладает и недостатком - меньшая длина лопаток последних ступеней.

Зазор между торцом лопатки и корпусом при наличии коротких лопаток относительно больше, чем при длинных. В результате этого у компрессора с короткими лопатками увеличивается обратное перетекание воздуха в зазоре и, следовательно, уменьшается степень повышения давления компрессора. При постоянном внутреннем или среднем диаметре лопатки последних ступеней более длинные, поэтому и перетекания меньше. Степень повышения  давления  ступеней  остается  постоянной  (при  постоянном

Рисунок 43 – Типы проточных частей осевых компрессоров:

а - с постоянным наружным диаметром; б- с постоянным внутренним диаметром; в - с постоянным средним диаметром; г - с переменным

среднем диаметре) или уменьшается (при постоянном внутреннем диаметре), поскольку зависит от средней окружной скорости.

Вопросы для самоконтроля

1. Из каких элементов состоит ступень осевого компрессора?

2. Какие энергетические преобразования имеют место в рабочем аппарате компрессорной ступени?

3. Какие энергетические преобразования имеют место в направляющем аппарате компрессорной ступени?

4. Каково назначение входного направляющего аппарата?

5. Какие элементы входят в состав выходного устройства осевого компрессора?

6. Какую форму имеют межлопаточные каналы рабочего и направляющего аппаратов компрессорной ступени?

7. Перечислите типы проточных частей осевых компрессоров.