Осевой компрессор принцип работы


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


Осевой компрессор принцип работы

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

   


Осевой компрессор принцип работы

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

Осевой компрессор принцип работы


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

Осевой компрессор принцип работы

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.

 

Источник: cyberpedia.su

· Перечисление назначений компрессора.

· Описание центробежного и осевого типов компрессоров, применяемых для авиационных двигателей.

· Название основных компонентов ступени компрессора и описание их функций.

· Описание изменений газовых параметров (p, t, v) в ступени компрессора.

· Определение термина «степень повышения давления» и указание ее величины для ступени центробежного и осевого компрессоров.

· Указание достоинств двухступенчатого центробежного компрессора.

· Перечисление преимуществ и недостатков центробежного компрессора по сравнению с осевым.

· Название некоторых двигателей, имеющих осевой и центробежный компрессоры.

· Объяснение сужения кольцевого воздушного канала в осевом компрессоре.

· Указание входной и выходной скорости ступени осевого компрессора.

· Указание, что осевые компрессоры имеют степени повышения давления до 35 и выходные температуры до 600°C.

· Описание причины крутки лопаток компрессора с помощью треугольников скоростей.

· Указание назначения ВНА.

· Указание причины щелканья компрессора при вращении на земле, т.е. из-за авторотации.

· Описание конструкции двух-(и трех-)вальных компрессоров современных двигателей, принципов их работы и достоинств.


· Определение терминов «срыв потока компрессора» и «помпаж».

· Указание следующих условий, вызывающих срыв потока и помпаж:

o резкое увеличение расхода топлива при повышении оборотов (RPM);

o низкие обороты, т.е. малый газ;

o сильный боковой ветер на земле;

o обледенение воздухозаборника двигателя;

o загрязнение или повреждение лопаток компрессора;

o повреждение воздухозаборника двигателя.

· Описание следующих индикаторов срыва потока и помпажа:

o ненормальный шум в двигателе;

o вибрации;

o колебания RPM;

o повышение EGT;

o иногда вырывание горящих газов из воздухозаборника и выхлопного устройства.

· Перечисление действий пилота в случае срыва потока.

· Описание конструктивных методов для минимизации вероятности возникновения срыва потока и помпажа.

· Указание мер для пилота по предотвращению возникновения срыва потока и помпажа.

· Описание диаграммы компрессора (диапазон помпажа) с линиями RPM, границы срыва потока, устойчивой работы и ускорения.

021 03 03 03 Диффузор.Описание функций диффузора

 

3.1. ТИПЫ КОМПРЕССОРОВ

Перед добавлением топлива в камеры сгорания и последующего расширения продуктов сгорания в турбинах, воздух необходимо сжать.

Существует два основных типа компрессоров, применяемых в настоящее время в двигателях: один формирует осевой поток через двигатель, а другой создает центробежный.




В обоих случаях компрессоры приводятся турбиной, которая соединяется с рабочими колёсами компрессоров при помощи вала.

 

3.2. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Центробежный компрессор прочнее осевого. Этот факт и то, что он проще и дешевле в изготовлении из данных двух типов делало центробежный компрессор самым популярным выбором для ранних ГТД.

Однако компрессор имеет один или два недостатка, которые переместили его на вторую позицию для больших современных двигателей. Если мы сравним центробежный и осевой компрессоры с одинаковой лобовой площадью, прежде всего, мы обнаружим, что осевой компрессор может расходовать намного больше воздуха, чем центробежный и с помощью осевого компрессора можно получить гораздо большие степени повышения давления.

Величина тяги, создаваемая двигателем, частично зависит от массового расхода воздуха через него. Можно продемонстрировать, что двигатель с центробежным компрессором вырабатывает меньшую тягу, чем с осевым той же лобовой площади.

 

3.3. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Турбина вращает крыльчатку компрессора с высокой скоростью. Воздух постоянно всасывается в центральную зону крыльчатки от вращения направляющих лопаток, а центробежная сила отталкивает его на периферию.

 

Осевой компрессор принцип работы


 

Рис. 3.1. Конструктивные элементы центробежного компрессора

 

Из-за расширяющейся формы межлопаточного канала давление воздуха увеличивается при прохождении его к периферии лопаток, а из-за добавления энергии в баланс сил, скорость потока также возрастает.

Воздух покидает периферию крыльчатки и проходит в секцию диффузора – систему стационарных расширяющихся каналов, разработанных для преобразования кинетической энергии (скорости) в потенциальную энергию (давление).

На практике примерно 50% роста давления в компрессоре получается на крыльчатке, а остальные 50% — в секции диффузора.

Степень повышения давления одноступенчатого центробежного компрессора будет в области 4:1. Это означает, что давление на выходе ступени компрессора будет примерно в 4 раза выше давления на входе.

Чтобы получить более высокую степень сжатия в двигателе, можно установить последовательно два центробежных компрессора.

На практике не целесообразно устанавливать более двух центробежных ступеней. Крайне высокие скорости на периферии крыльчатки и экстремальные центробежные нагрузки делают невозможной эффективную работу третьей ступени.

В результате, при использовании центробежных компрессоров невозможно получить степень повышения давления более 15:1.

Данные компрессоры дают возможность поворачивать поток воздуха на большие углы с минимальными потерями, они также используются для завершения расширения.


 

3.4. ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Работа осевого компрессора основывается на том же принципе, что и центробежного – он преобразовывает кинетическую энергию в энергию давления (потенциальную). Однако способ преобразования другой.

Осевой компрессор, показанный на рис. 3.2, состоит из нескольких рядов вращающихся (роторных) лопаток аэродинамической формы, перемежающихся рядами неподвижных (статорных) диффузорных лопаток, также имеющих аэродинамический профиль.

Ступень состоит из одного ряда роторных лопаток, закрепленных на дисках барабана ротора, и следующего ряда статорных лопаток, закрепленных на внешнем корпусе компрессора.

У ротора и статора межлопаточное пространство формирует расширяющиеся каналы.

Турбина вращает с высокой постоянной скоростью ротор компрессора, происходит преобразование добавочной механической энергии в кинетическую (скорость) и потенциальную (давление).

В статоре давление увеличивается за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную. Этот процесс показан на рис. 3.2.

Простыми словами, ступень ротора выполняет ту же работу, что и крыльчатка центробежного компрессора, а статорную ступень можно сравнить с диффузором центробежного компрессора. Степень повышения давления в каждой отдельной ступени весьма мала: от 1,1 до 1,2:1. Это означает, что первая ступень может повысить давление только на 3 psi.


ледствие этого, для получения высоких степеней сжатия, требуемых для современных авиационных двигателей, в одном каскаде могут использоваться много ступеней (рис. 3.3), и двигателей может иметь до трех каскадов. Этот метод весьма эффективен, например, в двигателе RB 211 можно получить степени повышения давления до 35:1. У данного двигателя величина повышения давления в последней ступени может достигать 80psi. Высокие давления могут приводить к повышению температуры на выходе компрессора до 600°C..

 

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.2. Изменения давления и скорости по тракту осевого компрессора

В настоящее время в некоторых двигателях применяется комбинация осевого и центробежного компрессора.

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.3. Однокаскадный компрессор

 

3.5. ПОДДЕРЖАНИЕ ОСЕВОЙ СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Пространство между барабаном ротора и внешним корпусом компрессора называется кольцевым воздушным каналом. Для поддержания осевой скорости воздуха при сжатии до меньшего объема кольцевой канал должен сужаться.

Это постепенное сужение получается с помощью придания конической формы либо внешнему корпусу компрессора, либо барабану ротора, а в некоторых случаях и комбинации этих методов. Это показано на рис. 3.3.

 

3.6. УПРАВЛЕНИЕ РАСХОДОМ ВОЗДУХА

Увеличение степени повышения давления компрессора прогрессивно усложняет обеспечение его эффективной работы во всем диапазоне частот. Это обусловлено фактом, что степень повышения давления в двигателе падает при падении частоты вращения компрессора. Поэтому при замедлении двигателя, объем поглощаемого воздуха увеличивается, т.к. он не сжимается с прежней силой.

Увеличенный объем воздуха в секции КВД осложняет его прохождение через доступное пространство, скорость потока снижается, и в некоторых случаях может вызвать запирание и турбулентность.

Такое снижение скорости происходит по всей длине компрессора и может вызвать феномен под названием срыв потока, который, в случае несвоевременного выявления, может усугубиться и перерасти в помпаж, ситуацию, когда, в худшем случае, поток воздуха в двигателе мгновенно меняет направление на обратное.

 

3.7. СРЫВ ПОТОКА

Угол атаки лопатки компрессора складывается из осевой скорости воздуха, огибающего лопатку, и скорости ее вращения.

Эти две скорости складываются и образуют вектор, который дает фактический угол атаки воздушного потока на лопатке.

Срыв потока компрессора можно описать как дисбаланс между двумя скоростями, который может произойти по разным причинам, ниже перечислены некоторые из них:

a) Чрезмерный расход топлива, вызванный резким разгоном двигателя (осевая скорость понижается из-за увеличения обратного давления в камере сгорания).

b) Работа двигателя выше или ниже расчетных параметров RPM (увеличение или уменьшение скорости вращения лопатки компрессора).

c) Турбулентность или нарушение воздушного потока в воздухозаборнике (уменьшается осевая скорость).

d) Загрязненные или поврежденные компоненты компрессора (снижение осевой скорости из-за снижения степени повышения давления).

e) Загрязненная или поврежденная турбина (потеря мощности на привод компрессора вызывает снижение осевой скорости из-за снижения степени повышения давления).

f) Слишком бедная топливно-воздушная смесь из-за резкого замедления двигателя (осевая скорость увеличивается из-за уменьшения обратного давления в камере сгорания).

 

Любое из перечисленных выше условий может привести к срыву потока в компрессоре, а когда это произойдет, возникнет частичное обрушение воздушного потока в двигателе.

Индикаторами срыва потока в компрессоре является увеличение уровня вибрации двигателя и повышение температуры выхлопных газов (EGT).

Последний эффект (увеличение EGT) вызывает факт уменьшения поступления воздуха в камеры сгорания, соответственно, уменьшение количество воздуха на охлаждение продуктов сгорания, выхлопных газов.

Срыв потока компрессора является прогрессирующим феноменом, и теоретически может начаться на одной лопатке, ухудшая работу всей ступени, а затем, если не принять своевременных мер по локализации, охватывает весь двигатель.

 

3.8. ПОМПАЖ

Прогрессивное ухудшение ситуации приведет к полному обрушению потока в двигателе, называемому помпаж. В некоторых случаях это может вызвать мгновенное реверсирование газов в двигателе с вырыванием воздуха из воздухозаборника, сопровождаемым громким хлопком. При возникновении помпажа дроссель соответствующего двигателя нужно закрывать медленно.

Такую ситуацию наиболее часто вызывают неисправности или недостатки обслуживания топливной системы, а в чрезвычайных ситуациях могут прикладываться настолько высокие изгибные нагрузки на лопатки ротора компрессора, что они входят в зацепление с лопатками статора с потенциальными катастрофическими последствиями.

Помимо громкого шума, обычно сопровождающего помпаж, существует большой рост EGT, а результирующая потеря тяги может вызвать рыскание самолета.

 

3.9. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ СРЫВА ПОТОКА И ПОМПАЖА

Работа двигателя за рамками оптимальной частоты и осевой скорости является неизбежной. Конструкторским критерием является стремление вырабатывать наибольшую эффективность вблизи максимальной частоты, а работу на уровнях ниже этой точки можно получить, сбросив газ.

Это означает, что мы меняем частоту вращения компрессора и осевую скорость потока, проходящего через двигатель. Делая это, мы устанавливаем параметры срыва потока и помпажа.

Методы установления отсутствия помпажа должны быть установлены согласно соответствующему двигателю. Ниже приведены некоторые из этих методов:

a) использование поворотного входного направляющего аппарата (ВНА);

b) использование поворотных лопаток статора;

c) использование перепуска воздуха в компрессоре;

d) использование многокаскадных компрессоров;

e) активное управление зазорами между законцовками рабочих лопаток и корпусом компрессора.

3.10. ПОВОРОТНЫЙ ВНА

Поворотный ВНА устанавливается на двигателях, имеющих особую проблему со срывом потока в компрессоре на низких оборотах во время ускорения или замедления вращения ротора двигателя. Лопатки устанавливаются непосредственно перед первой ступенью ротора и могут автоматически поворачиваться вокруг своих осей для изменения проходного канала в компрессор для воздушного потока. Т.о. поддерживается правильное соотношение между частотой вращения компрессора и расходом воздуха в его передних ступенях.

На низких частотах вращения компрессора лопатки поворотного ВНА развернуты так, чтобы создавать поворот воздушного потока, корректируя его относительное направление для достижения оптимального угла атаки на рабочих лопатках ротора. Оптимальный угол атаки позволяет сглаживать и ускорять разгон двигателя.

 

3.11. ПОВОРОТНЫЕ СТАТОРНЫЕ ЛОПАТКИ

После успешного прохождения первой ступени ротора, воздушный поток может все еще иметь проблемы при прохождении вглубь компрессора, когда условия работы двигателя отличаются от оптимальных. Для минимизации таких проблем на некоторых двигателях устанавливаются поворотные статорные лопатки, см. рис. 3.4.

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.4. Типичные поворотные статорные лопатки

Эти лопатки могут автоматически поворачиваться. Т.о. при снижении частоты вращения компрессора от оптимального расчетного значения лопатки постепенно закрывают проходной канал для поддержания приемлемого угла атаки на последующих лопатках ротора.

 

3.12. ПЕРЕПУСК ВОЗДУХА В КОМПРЕССОРЕ

Как объяснялось ранее в параграфе 3.6, когда двигатель замедляется, его степень повышения давления будет уменьшаться, и объем воздуха в задней части компрессора будет больше.

Этот избыточный объем вызывает запирание в задней части компрессора и снижение массового расхода воздуха. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение скорости воздушного потока в передней части компрессора и усиление склонности к срыву потока.

Если в промежуточные ступени компрессора внедрить перепускные клапаны, как показано на рис. 3.5, их можно открывать на низких оборотах или во время разгона двигателя для отбора некоторого избыточного объема воздуха.

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.5. Работа клапана перепуска (отбора) компрессора

 

Это будет иметь эффект увеличения скорости воздуха на ранних ступенях компрессора и снижение запирающего эффекта на последних ступенях.

Такая комбинация обеспечивает меньшую вероятность срыва потока во время работы с открытым перепуском, но у применения данной системы существуют и недостатки.

При открытии клапанов перепуска компрессора, не зависимо, являются ли это превентивной мерой возникновения срыва потока, или осуществляется отбор воздух на нужды систем самолета, массовый расход воздуха через двигатель увеличивается.

Это вызовет падение тяги для данного положения РУД, что приводит к повышению удельного расхода топлива в двигателе и повышению EGT из-за снижения количества доступного охлаждающего воздуха.

 

3.13. МНОГОКАСКАДНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Совершенствование ранних двигателей с осевым потоком заключалось в добавлении ступеней компрессора на один вал для получения более высоких степеней повышения давления.

Это постоянно осложняло поддержание эксплуатационной гибкости в отношении частоты вращения двигателя.

Лопатки компрессора установлены под таким углом, чтобы создавать пиковую производительность на оборотах, близких к максимальным, когда осевая скорость потока и частота вращения лопатки создают оптимальный угол атаки потока к лопатке, см. параграф 3.7.

Любое уменьшение оборотов двигателя изменяет симметрию в векторной диаграмме в отношении осевой скорости, и угол атаки больше не соответствует оптимальному значению, на низких оборотах двигателя постоянно присутствует проблема срыва потока.

Для преодоления этой проблемы компрессор изначально разделили на две, а затем на три секции, каждая из которых приводилось через вал собственной турбины.

В такой конструкции двигателя при закрытии дросселя частота вращения каскада НД падает быстрее, чем частота каскада ВД. С помощью регулировок можно обеспечить поддержание симметрии векторной диаграммы относительно угла атаки в более широком диапазоне, значительно сокращая вероятность возникновения срыва потока.

 

3.14. АКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЗАЗОРАМИ

Дальнейшее совершенствование конструкции для управления воздушным потоком в двигателе привело к созданию активного управления зазорами. Основной проблемой во всех случаях срыва потока является то, что угол араки потока на лопатке не соответствует своему оптимальному значению, см. параграф 3.7.

Срыв может произойти в результате изменений либо осевой скорости потока вокруг лопатки, либо скорости вращения лопатки.

Если осевой скоростью во всем диапазоне частот вращения двигателя можно будет управлять, тогда вероятность возникновения срыва потока или помпажа уменьшится.

Одним из методов является изменение размера кольцевого канала в зоне ВД компрессора, что еще недавно считалось невозможным.

С помощью охлаждения корпуса компрессора мы можем вызвать его сжатие для получения желаемого размера кольцевого канала между ним и законцовками лопаток. Охлаждающим веществом чаще всего является воздух, подаваемый в трубки вокруг внешней стороны корпуса компрессора.

 

3.15. ДИАПАЗОН ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА

Было показано, что срыв потока/помпаж компрессора возникает из-за дисбаланса между расходом воздуха в компрессоре и степенью повышения давления. На рис. 3.5а, показано, как разработана конструкция двигателя с запасом безопасности, предусмотренным для снижения риска срыва потока/помпажа.

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.5а. Диапазон помпажа компрессора

 

3.16. КОНСТРУКЦИЯ

На рис. 3.3 показаны основные конструктивные методы, широко распространенные для устройства компрессора. Вал ротора опирается на подшипники и соединен с валом турбины с допуском на небольшую вариацию смещения соосности.

Центробежная нагрузка на компрессор требует закрепления лопаток ротора на диске, а диск крепится на валу ротора.

Существуют различные типы методов крепления, самым популярным из которых является крепление корневой части лопатки с помощью замка «ласточкин хвост» и фиксация на диске с помощью стержня или стопорной пластины.

Для меленьких двигателей становится все сложнее разработать практичный способ фиксации и сохранить минимальный вес диска.

Одним из способов решения этой проблемы является интегрирование лопаток и диска, которое называется «blisk».

Корпус компрессора изготовлен из алюминиевого сплава в области передних ступеней и из стальных сплавов в области промежуточных ступеней.

В секции КВД температуры настолько высоки, что выдерживать их способны только сплавы на основе никеля.

 

3.17. ЛОПАТКИ РОТОРА

Лопатки ротора имеют аэродинамическую форму и обычно изготавливаются из кованной нержавеющей стали, подвергаются механической обработке до точных допусков для установки на диск ротора.

От передней к задней части компрессора лопатки уменьшаются в размере для создания сужающейся формы кольцевого канала, рис. 3.4.

На некоторых ступенях НД, где температуры не очень высокие, могут устанавливаться лопатки из титана.

Обычно применяется крепление методом ласточкин хвост, см. рис. 3.6, которое допускает посадку лопатки на диск с зазором. Под действием центробежной силы при вращении лопатка жестко закрепляется в замке. Поэтому во время авторотации на земле лопатки издают треск, похожий на звук от постукивания ногтей.

 

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.6. Типичная лопатка ротора компрессора

 

3.18. ЛОПАТКИ СТАТОРА

Лопатки статора также имеют аэродинамическую форму и закрепляются к корпусу компрессора либо непосредственно, либо через бандажные кольца.

На ранних ступенях лопатки могут быть сгруппированы в сегменты, а самые длинные имеют бандаж на внутренней части для предотвращения вибраций под действием скорость воздушного потока вокруг них, рис. 3.7.

На ранних двигателях для изготовления статорных лопаток применялись алюминиевые сплавы, но они не выдерживали повреждений от попадания посторонних предметов.

Сплавы на основе стали и никеля имеют высокую усталостную прочность и реже трескаются или изнашиваются от удара. Титановые сплавы иногда применяются для лопаток на первых ступенях, но они не подходят для более глубоких ступеней из-за негативного воздействия высоких температур.

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.7. Сегменты бандажированных статорных лопаток

Другая проблема связана с истиранием, избыточный износ может привести к механическому отказу, значительная теплота от трения может вызывать возгорание титана, приводя, в лучшем случае, к дорогостоящему ремонту, а в худшем – к риску для сохранения летной годности.

 

3.19. ЛОПАТКИ ВЕНТИЛЯТОРА

Лопатки КНД двигателей с высокой степенью двухконтурности, лучше известные как лопатки вентилятора, первоначально изготавливались из прочных титановых сплавов, т.к. данный материал сочетает высокие прочностные свойства с малой плотностью.

Получающийся в результате низкий вес лопатки очень важен для того, чтобы вентилятор был способен выдерживать несбалансированные силы в случае его повреждения. Не смотря на высокую прочность титановых сплавов, лопатки должны иметь встроенный демпфер.

Демпфер представляет собой полку, установленную на половине размаха лопатки, которая устраняет аэродинамическую нестабильность, но, к сожалению, добавляет вес. А когда требуются две полки, как показано на рис. 3.8, они подвергаются воздействию потока на законцовках со сверхзвуковыми характеристиками.

Проводились эксперименты с новыми материалами, особенно с углеволокном, но его гибкость сильно ухудшает эффективность изготовленных из него лопаток, и в настоящее время его применение в основном сведено на нет.

Осевой компрессор принцип работы

Рис. 3.8. КНД двигателя с высокой степенью двухконтурности или вентилятор

 

Большие успехи были достигнуты в изготовлении лопаток с центральной частью сотовой конструкции, покрытой оболочкой из титана, рис. 3.9.

Такой метод создает дополнительную прочность и облегчает вес, давая возможность изготавливать широкохордовые лопатки вентилятора. Расширенная хорда обеспечивает устойчивость лопатки, поэтому исчезает необходимость в демпфере.

Осевой компрессор принцип работы

 

Рис. 3.9. Конструкция широкохордовой лопатки вентилятора

 

 

3.20. ЗАГРЯЗНЕНИЕ КОМПРЕССОРА (И ТУРБИНЫ)

Накопление загрязнений на лопатках компрессора и турбины снижает эффективность устройства и может серьезно ухудшить его производительность.

Загрязнения в компрессоре, которые, главным образом, представляют собой соли и примеси промышленных зон, ухудшают аэродинамическое качество лопаток.

В турбине загрязнения имеют форму сульфитации, накопления сернистых отложений от сгорания топлива, которые нарушают аэродинамическую форму лопаток турбины и соплового аппарата, а через определенное время приводят к эрозии их защитного покрытия.

Если главной причиной загрязнения является всасывание соли, тогда периодическая промывка компрессора чистой водой может предотвратить применение абразивной чистки, которая потребуется в противном случае. Промывка может выполняться либо во время прокрутки двигателя стартером, либо во время работы на малом газе. Эта процедура известна как мойка для удаления солей.

Если загрязнения достигли стадии, когда антисолевая промывка уже не эффективна, может понадобиться очиститель поверхности эмульсионного типа. Он распыляется в воздухозаборник двигателя в тех же условиях, что и антисолевая промывка. Эта процедура называется мойка для восстановления производительности.

Такие меры также полезны для турбины. Их периодическое применение позволяет продлить ресурс для некоторых двигателей.

Для двигателей с центробежным компрессором применяется более интенсивная очистка. Она заключается во всасывании абразивной крошки в воздухозаборник во время работы на малом газе.

Абразивом является дробленая скорлупа грецкого ореха (американцы используют дробленые абрикосовые косточки). К сожалению, из-за сгорания крошки в камере сгорания, данный метод не может очистить компоненты турбины, так же, как и жидкостной метод.

 

 

ГЛАВА 4 – КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Источник: studopedia.su

Устройство

  • Входное устройство (воздухозаборник)
  • Ротор с рабочими лопатками
  • Статор (корпус) с направляющими лопатками
  • Воздушные уплотнения
  • Вспомогательное оборудование

Входное устройство

Входное устройство осевого компрессораНазначение входного устройства — обеспечить подвод необходимо­го количества воздуха к компрессору на всех режимах его работы и осу­ществить совместно с компрессором процесс сжатия воздуха. Входное устройство состоит из воздухозаборника и подводного канала.

Входное устройство может иметь сложную форму и конструкцию с применением механизмов для регулирования геометрии воздухозаборника. Такое сложное строения воздухозаборника с регулируемыми геометрическими размерами используется в составе ТРВД для самолетов с расчетными режимами полеты свыше 1,5 Маха.

Входное устройство может иметь нерегулируемые геометрические размеры, и используется в двигателях самолетов, скорость полета которых до 1,5 Маха или в разнородных наземных энергетических установках и стационарных компрессорах по перекачки и сжатию газов.

Сверхзвуковые входные устройства имеют регулировку для согласования производительности компрессора и пропускной способности входного устройства, это обеспечивает максимальную тягу и ус­тойчивую работу двигателя во всем диапазоне скоростей полета.

К примеру, при режиме полета М = 3,5, к компрес­сору нужно подводить в три раза больше воздуха (по массе), чем при М=1,5, данное условие достигается путем применения регулируемого воздухозаборника.

Основными характеристики воздухозаборника:

  1. ко­эффициент восстановления полного давления б, характеризующий поте­ри в воздухозаборнике (отношение полного давления в конце воздухо­заборника к полному давлению в невозмущенном потоке);
  2. коэффи­циент расхода «фи», характеризующий расход через воздухозаборник (отно­шение расхода воздуха, вошедшего в воздухозаборник, к расходу воз­духа, который может войти на расчетном числе М);
  3. коэффициент лобового сопротивления воздухозаборника сх (отношение сопротивления воздухозаборника к скоростному напору набегающего потока, умножен­ному па площадь входа воздухозаборника).

При проектировании воздухозаборников стараются:

  • обеспечить высокое значение б;
  • получить возможно меньшее сх;
  • обеспечить устойчивую работу во всем диапазоне режимов поле­та и работы двигателя;
  • создать равномерный поток перед компрессором.

Влияние величины б на характеристики двигателя весьма существенно, в частности, при М = 2,5 уменьшение б на 25% приводит к умень­шению тяги на 45% и увеличению удельного расхода топлива на 15%.

Имеется два вида неустойчивой работы воздухозаборников:

  • помпаж, характеризующийся резкими пульсациями потока (мо­гущими вызвать даже разрушение воздухозаборника), когда течение становится неустойчивым; помпаж возникает, например, при увеличении числа М полета при постоянном числе оборотов двигателя, при этом колебания имеют низкую частоту и большую амплитуду;
  • «зуд», нс приводящий к разрушению, — возникает при резком падении давления в конце воздухозаборника; при этом колебания име­ют высокую частоту и малую амплитуду и воспринимаются как зудящий звук.

Таким образом, диапазон параметров скорость, Мах; число оборотов двигателя, об/мин; абсолютная температура торможе­ния воздуха на входе в компрессор, гр. Цельсия; и Угол атаки, градусы; в котором мо­жет устойчиво работать воздухозаборник, весьма узок и этим обуслов­ливается необходимость применения регулируемых воздухозаборников.

Регулировка воздухозаборников осуществляется перемещением центрального тела, изменением площади горла и перепуском воздуха в атмосферу.

Регулируемые воздухозаборники осевого компрессора

Конструкция ротора

По конструктивному выполнению ротор осевого компрессора могут быть 3ех типов

барабанные

Ротор осевого компрессора барабанного типа

 

дисковые

Ротор осевого компрессора дискового типа

смешанного типа

Ротор осевого компрессора смешанного типа

Ротор барабанного типа имеет несколько рядов лопаток закрепляются на цилиндрическом или коническом барабане. Барабан представляющем собой поковку из алюминиевого сплава или стали, ме­ханически обработанную со всех сторон. Две стальные крышки закры­вают барабан с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Крутящий момент к каждой ступени передается через стенку барабана. Ротор дискового типа имеет соединенные с валом специально спрофилированные диски, по периферии которых кре­пятся рабочие лопатки. В данном случае отдельные секции, имеющие диски и барабанные участки, соединяются между собой, при­чем соединение делается па таком радиусе, где окружная скорость не­велика и допускается по условиям прочности барабана.
Достоинства:

простота конст­рукции, которая определяет сравнительную простоту производства, и большая поперечная жесткость ротора, благодаря чему критическое чис­ло оборотов повышается. Критическим числом оборотов называется число оборотов, при котором вращающийся ротор имеет большие прогибы, что вызывает значительные вибрации дви­гателя.

Недостатки:

Невозможность ис­пользования в быстроходных компрессорах, связано это с тем, что стенки ро­тора, неподкрепленные дисками, нагружаются большими центробежны­ми силами масс рабочих лопаток и стенок. Происходит выгибание ротора посередине. Окружная скорость на на­ружном диаметре барабана из условий прочности допускается не более 180 — 200 м/с.

Достоинства:

Диски обладают большой прочностью и допус­кают на своем наружном диаметре окружные скорости 250—360 м/с. Поэтому ступени компрессора с дисковыми роторами являются высоко­напорными и применяются в ГТД с большими степенями повышения давления воздуха. Крутящий момент к каждой ступени передается че­рез вал.

Недостатки:

Низкая изгибная жесткость, по сравнению с барабанным ротором. Что снижает критическое число оборотов и может приближаться к рабочему. Для повышения критического числа оборотов потребуется увеличить поперечное сечение вала, но при этом увеличится и масса компрессора. Изготовление ротора дискового типа, по сравнению с барабанным, сложнее и имеет больше элементов в своей конструкции, что отрицательно сказывается на безотказность работы.

 Достоинства:

Эта барабанно- дисковая конструкция имеет достаточно большую жесткость и большое критическое число оборотов.

Недостатки:

Соеденения отдельных секций.

Корпус

Корпус компрессора представляет собой полый цилиндр или усеченный конус. С торцов к корпусу компрессора крепятся корпусы переднего и заднего подшипников.

Корпус может быть сделан цельным и разъемным. Разъемные же делятся на продольные и поперечные по виду разъемного соединения по отношению к оси ротора. Корпус с продольным разъемом позволяет выполнить сборку компрессора с окончательно собранным и отбалансированным ротором. Ротор закрепляется в подшипниках в одной половине корпуса, где предварительно устанавливаются спрямляющие лопатки, и затем закрывается вторая половина корпуса и обе части стягивают болтами.

В при изготовлении корпусов так же предусматривают в некоторых случаях технологические разъемы. Они необходим для того, чтобы либо изготовить отливку из алюминиевого сплава меньшего размера или при­менить для корпуса разные материалы, например, для первых ступеней алюминиевый сплав, для последних — сталь.

Фланцы, служащие для соединения частей, одновременно создают положительный эффект — разъем корпуса и увеличивают жесткость, тем самым корпус эффективнее нагрузке на изгиб, в отличие от неразъемного. Но есть и отрицательный эффект от присутствия фланцев — неравномерному тепловому рас­ширению корпуса и короблению его при на­гревании. Из всех сплавов, алюминиевые литые корпуса подвержены этому больше всего. Поэтому с наружной стороны корпуса компрессора необходимо делать оребрение, это придает одинаковой жесткости по окружности всему корпусу.

У газотурбинных двигателей толщи­на стенок в литых корпусах находится в пределах 6—10 мм, а в свар­ных — 1,5—3 мм. Для стационарных компрессоров, толщина стенок такая же или меньше на 15% в связи с отсутствием нагрузок на ГТД, которые образуются во время полета.

Передача усилий от ротора через подшипниковые узлы (подшипники и корпуса подшипников), на корпус компрессора производится через радиальные связи. Корпус подшипников выполнены заодно с корпусом компрессора. Передача усилий выполняется следующими конструкционными особенностями корпуса:

  • Через литые профильные радиальные связи. Обычно используется для переднего подшипника в литых корпусах.
  • Радиальные усилия передаются направляющими лопатками. В корпусе заднего подшипника компрессора или среднего подшипника двигателя усилия почти всегда передаются с помощью спрямляющих лопаток. Так же в некоторых сварных корпусах из стали усилие с переднего корпуса подшипника передается за счет направляющих лопаток.

Сборка компрессора

  1. При имеющимся разъемном корпусе компрессора сборка осуществляется ротора целиком. При продольно — разъемном роторе, вал с закрепленными на нем лопатками и подшипниками, балансируют и укладывают подшипниками в подшипниковые корпуса. У самого корпуса компрессора закреплены в пазах лопатки спрямляющего аппарата. После укладки ротора на посадочные места, вторую часть корпуса закрывают и стягивают болтами.
  2. При перпендикулярно — разъемном корпусе монтаж лопаток спрямляющего аппарата идет параллельно сборке самого корпуса, так последний состоит из отдельных кольцевых секций, куда и монтируются венцы спрямляющего аппарата
  3. При неразъемном корпусе встречаются два способа балансировки и сборки.
    • Ротор может быть собран вместе со спрямляющими лопатками, балансировка ротора в этом случае вместе со спрямляющими лопатками производится на балансировочном станке (со специальным приспособлением для крепления этих лопаток) и в таком виде передан на сборку компрессора.
    • Можно отбалансировать ротор и без спрямляющих лопаток, но для установки их ротор необходимо разобрать. Отбалансированный ротор перед разборкой подвергают маркировки положения всех деталей относительно друг друга. При вторичной сборке, ступени компрессора на роторе собирают по этим меткам вместе со спрямляющими лопатками, во избежание нарушения балансировки.

Спрямляющие и рабочие лопатки

Свойство лопаток рабочего тракта

Лопатки осевых компрессоров должны удовлетворять следующим основным требованиям:

  1. Лопатка компрессораВысокая прочность конструкционных материалов и геометрических форм, так как лопатки испытывают большие статические и динами­ческие нагрузки во время работы, особенно лопатки последних ступений, температура сжатого воздуха может достигать 800по Цельсию.
  2. Высокая точность геометрических размеров (линейные и угловые) лопаток, Это обеспечит одинаковые скорости течения воздуха и одинаковые его давления и температуры в каждом лопаточ­ном канале. Различные режимы течения в лопаточных каналах снижают КПД компрессора, но и кроме того могут вызвать колебания лопаток и их поломку. Поверхность лопаток должна иметь шероховатость 8-10 класса, для обеспечения уменьшения потерь на течение газа.

Тело рабочей лопатки профилируют, исходя из аэродинамических соображений, возможности и удобства производства. Это профилирование должно быть тесно увязано с расчетом лопаток на прочность и колебания.

Замки лопаток

Замок лопатки должен быть сконструирован так, чтобы в лопатке и в диске не возникали из-за концентрации чрезмерно большие напряже­ния. Масса замка должна быть минимальной. Основная нагрузка на ротор компрессора — центробежная си­ла и вес лопатки играет основную роль в создании данной силы. Снижение массы лопатки па 1 % позволяет уменьшить мас­су компрессора, приходящуюся на одну лопатку, на 4—5%. Конструкция замка дает возможность производить монтажно — демонтажные работы ротора и замены лопатки при ее повреждении.

Ласточкин хвост

В некоторых случаях для повышения собственной частоты колеба­ний лопаток посадка стальных лопаток в стальные диски производится с натягом до 0,015 мм. В этом случае хвостовик лопатки необходимо омеднить с толщиной слоя меди 0,003—0,005 мм. Слой меди при запрессовке служит смазкой, обеспечивающей установку лопаток в паз без задиров. Паз в диске выполняется обычно косым, что определяется расположением корневого сечения лопатки.

От перемещения вдоль паза лопатки фиксируются различными способами.

  • фиксация лопатки резьбовой шпилькой, отверстие для которой сверлится и нарезается после установки лопатки;
  • фиксация лопатки упором ее в пластинчатый стопор с одной стороны и радиальным штифтом с другой;
  • отгибным замком положение которого относительно диска фиксируется штифтом;
  • фиксация лопаток разжимными пружинящими кольцами, которые располагаются в канав­ках, проточенных в дисках и лопатках, и прижимаются к ним центро­бежными силами.

Елочкин хвост

крепление лопатки к валу осевого компрессора Елочкин хвостСпособ крепления «елочкин хвост» широко распространен в газовых турбинах. В осевых компрессорах он применяется редко, так как при сравнительно небольших инерционных силах компрессорных лопаток можно применять более простые конст­рукции замка, например «ласточкин хвост», не требующие для обработ­ки ножки лопатки и пазов в диске дорогостоящих фа­сонных протяжек.

«Елочный» замок имеет небольшую ширину и мо­жет оказаться выгодным при большой густоте лопаток. «Елочные» замки требуют точности изготовления, так как такой замок спроектирован так, что вся площадь замка (все зубья) должна передавать нагрузку, если эти условия не соблюдаются, то может произойти их поломка. Так же не стоит ожидать перераспределения нагрузки между зубьями благодаря пла­стичности материала  при температурном расширении.

Шарнирное крепление лопаток

Шарнирное крепление лопатокТакого рода крепления при­меняется на некоторых ступенях осевых компрессоров как средство уст­ранения или снижения вибрационных напряжений. Шарнир­ное крепление позволяет установить ло­патку в плоскости вращения так, что под действием на нее газодинамической силы и силы инерции она расположится не ра­диально, а под некоторым углом к ради­усу, поворачиваясь на шарнире. Под влиянием переменных газодинамических сил лопатка будет покачиваться на шар­нире. По условиям прочности осей и про­ушин шарнирное крепление можно при­менять лишь при умеренных окружных скоростях на периферии лопаток, которое составляет менее 320 м/с.

Для устранения износа и заедания в шарнире применяется так называемая твердая смазка. Проушина лопатки изну­три и с торцов и наружная поверхность оси натираются с помощью замши порош­ком двухсернистого молибдена (MoS2) до получения серебристоматового цвета.

Спрямляющие лопатки статора

Для крепления спрямляющих лопаток к корпусу компрессора применяют применяют следующие способы:

  • Ступень Спрямляющего аппарата осевого компрессора Двустороннее креплениеКонсольное крепление лопаток, при таком креплении происходит значительное перетекание воздуха через зазор между торцом лопатки и ротором, представляющее потерю, отрицательно влияющую на КПД компрессора.Чтобы уменьшить перетекания газа следует уменьшить зазор торцы лопаток — ротор. Но есть ряд ограничений, это и биение ротора, и температурные деформации. Эти факторы не позволяют уменьшить радиальный зазор меньше определенной для каждого компрессора величины, при которой перетекает все же большое количество воздуха.
  • Двустороннее крепление спрямляющих лопа­ток. При таком варианте крепления перетоки воздуха имеют место в зазоре между венцом, скрепляющие торцы лопаток и ротором. При этом между в этом зазоре можно выполнить лабиринтное уплотнение, благодаря которому количество перетекающего воздуха будет меньше. КПД у компрессора с таким спремляющим аппаратом выше, по сравнению с консольным креплением лопаток.

 

 

 

 

Источник: zewerok.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.