Геометрические параметры крылового профиля и решетки профилей

Для дозвукового профиля характерны округленная передняя часть и заостренная задняя кромка (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Геометрия крылового профиля

Средней линией или дугой профиля называется геометрическое место центров, вписанных в профиль окружностей.

Для определения положения профиля по отношению к потоку, а также в качестве характерного размера вводится понятие о хорде профиля. Хордой профиля называют отрезок прямой, соединяющей две самые удаленные точки дуги профиля.

Конфигурация профиля определяется рядом геометрических параметров: длиной хорды – b; максимальной толщиной профиля – c; максимальной стрелой прогиба – f; углом изгиба средней линии (углом между передней и задней касательными) – e.

Корме того, вводятся относительные параметры: относительная толщина профиля ; относительная вогнутость или относительная кривизна профиля .

Прямолинейной решеткой профилей называют совокупность бесконечного числа одинаково расположенных идентичных профилей, находящихся друг от друга на одном и том же расстоянии.

Линия, соединяющая соответственные точки профиля в решетке, называется фронтом решетки, нормаль к ней – осью решетки (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Решетка профилей

С задачей обтекания прямолинейной решетки приходится иметь дело в компрессорах и турбинах при изучении течения газа через лопаточные венцы с цилиндрической поверхностью тока. Лопаточный венец с цилиндрической поверхностью тока превращается в прямолинейную решетку разворотом его на плоскости.

Взаимное расположение профилей в решетке определяется двумя параметрами: шагом решетки t и установочным углом g. Шагом решетки называется расстояние между соседними профилями, а установочный угол – это угол между хордой профиля и фронтом.

Помимо угла g положение профиля можно характеризовать углом φ₁ или φ₂.

Величина шага решетки, отнесенная к длине хорды профиля, называется относительным шагом решетки ; обратная величина называется густотой решетки τ = b / t.

Положение профиля и решетки профилей по отношению к набегающему потоку характеризуется углом атаки i. Угол атаки – это угол между вектором скорости w ₁ и передней касательной к дуге профиля. При показанном на рис. 4.2 направлением вектора скорости w ₁ угол атаки i положителен. Угол b₁ между вектором скорости w ₁ и фронтом решетки называется углом входа; соответственно угол b₂ между вектором скорости на выходе w ₂ и фронтом решетки называется углом выхода.

Осевой компрессор

Схема осевого компрессора показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема двухступенчатого осевого компрессора:

1– входное устройство; 2 – статор; 3 – лопатки статора; 4 – ротор; 5 – лопатки ротора;
6 – воздухосборник; 7 – вал

Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решеток ротора, состоящих из лопаток 5, закрепленных на роторе 4 и именуемых рабочими колесами, и неподвижных лопаточных решеток статора, состоящих из лопаток 3, закрепленных на статоре 2 и именуемых направляющими аппаратами. Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата компрессора, называется ступенью компрессора.

При вращении рабочего колеса повышается скорость потока, при этом на входе создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха во входное устройство 1. При этом воздух условно движется вдоль оси вращения ротора. Энергия, сообщаемая лопатками колеса 5 воздуху, затрачивается на увеличение скорости в абсолютном движении и на повышение давления. Благодаря тому, что межлопаточные каналы в направляющем аппарате выполнены расширяющимися, преобразование кинетической энергии воздуха в них сопровождается повышением давления. Из первой ступени воздух поступает во вторую ступень, которая работает аналогично и затем в воздухосборник 6.

Осевые компрессоры применяют для наддува ДВС крайне редко. Это связано с тем, что их диапазон работы значительно уже, чем центробежного, и давление, достигаемое в одной ступени, не превышает 0,18 МПа. Для получения более высоких давлений необходимо применять многоступенчатый компрессор. Отсутствие резких поворотов потока и высокое аэродинамическое совершенство лопаток обусловливают высокий КПД осевых компрессоров (до 0,91).

Центробежный компрессор

Центробежный компрессор отличается от других компрессоров высокой производительностью при относительно малых габаритах, имеет высокий КПД и высокую степень повышения давления в одной ступени (до 10). Схема центробежного компрессора показана на
рис. 4.4.

К недостаткам компрессора можно отнести высокую скорость вращения вала (до 350 тыс. об/мин), что накладывает особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). Кроме того, при малой производительности не может быть достигнута высокая степень повышения давления, и характеристика компрессора не очень хорошо согласована с характеристикой поршневого ДВС. Лопаточный компрессор обычно используется в составе турбокомпрессора, для которого не требуется механическая связь с валом двигателя.

Рис. 4.4.. Схема центробежного компрессора:

1– входное устройство; 2 – поворотные лопатки; 3 – рабочее колесо; 4 - диффузор;
5 – лопатки диффузора; 6 – воздухосборник; 7 – вал

Компрессор состоит из входного устройства 1, рабочего колеса 3, насаженного на вал 7, диффузора 4, переходящего в воздухосборник 6. Рабочее колесо выполняется в виде диска с лопатками, образующими расширяющиеся каналы. Внешний вид колеса с валом и подшипником показан на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Рабочее колесо центробежного компрессора

Кинетическая и потенциальная энергия сообщается воздуху в рабочем колесе. После выхода газа из рабочего колеса его скорость падает в диффузоре (расширяющемся канале), а давление соответственно растет. Для увеличения КПД на расчетном режиме диффузор снабжается лопатками 5. Для увеличения КПД в широком диапазоне режимов на входе в компрессор могут устанавливаться поворотные лопатки 2 (см. рис. 4.4). Часто для улучшения показателей компрессора лопатки диффузора могут выполняться поворотными. Лопаточному диффузору предшествует безлопаточный, который выравнивает поток, весьма неравномерный на выходе из рабочего колеса.

Применяемые в настоящее время центробежные компрессоры имеют диапазон степени повышения давления от 1,2 до 4. В одной ступени возможно получение степени повышения давления до 10.

Для обеспечения высокой окружной скорости колеса частота его вращения должна быть достаточно большой. Для существующих компрессоров она составляет от 6500 до 350 000 об/мин. Производительность компрессоров составляет от 0,04 до 30 кг/с. Адиабатный КПД компрессоров составляет от 0,72 до 0,85, причем, чем меньше колесо, тем меньше КПД.