Осевой компрессор

Машина для непрерывного сжатия газа

Анимированная симуляция осевого компрессора. Статические лопатки — это статоры .

Осевой компрессор — это газовый компрессор , который может непрерывно сжимать газы . Это вращающийся компрессор на основе аэродинамического профиля , в котором газ или рабочая жидкость в основном течет параллельно оси вращения или аксиально. Это отличается от других вращающихся компрессоров, таких как центробежный компрессор , аксиально-центробежный компрессор и компрессоры смешанного потока, где поток жидкости будет включать «радиальную составляющую» через компрессор.

Уровень энергии жидкости увеличивается по мере ее прохождения через компрессор из-за действия лопаток ротора, которые оказывают крутящий момент на жидкость. Неподвижные лопатки замедляют жидкость, преобразуя окружную составляющую потока в давление. Компрессоры обычно приводятся в действие электродвигателем или паровой или газовой турбиной. ^[1]

Компрессоры осевого потока производят непрерывный поток сжатого газа и обладают преимуществами высокой эффективности и большого массового расхода , особенно по отношению к их размеру и поперечному сечению. Однако для достижения большого повышения давления им требуется несколько рядов аэродинамических профилей, что делает их сложными и дорогими по сравнению с другими конструкциями (например, центробежными компрессорами).

Осевые компрессоры являются неотъемлемой частью конструкции больших газовых турбин , таких как реактивные двигатели , высокоскоростные судовые двигатели и небольшие электростанции. Они также используются в промышленных приложениях, таких как крупногабаритные воздухоразделительные установки, воздух доменных печей , воздух каталитического крекинга и дегидрирование пропана . Благодаря высокой производительности, высокой надежности и гибкой работе в диапазоне полета они также используются в ракетных двигателях для космонавтики , в качестве топливных насосов и в других критических приложениях большого объема. ^[2]

Описание

Компрессор турбовентиляторного двигателя Pratt & Whitney TF30 .

Осевые компрессоры состоят из вращающихся и неподвижных компонентов. Вал приводит в движение центральный барабан, который удерживается подшипниками внутри неподвижного трубчатого корпуса. Между барабаном и корпусом находятся ряды аэродинамических поверхностей, каждый ряд соединен либо с барабаном, либо с корпусом попеременно. Пара из одного ряда вращающихся аэродинамических поверхностей и следующего ряда неподвижных аэродинамических поверхностей называется ступенью. Вращающиеся аэродинамические поверхности, также известные как лопатки или роторы, ускоряют жидкость как в осевом, так и в окружном направлениях. Неподвижные аэродинамические поверхности, также известные как лопатки или статоры, преобразуют увеличенную кинетическую энергию в статическое давление посредством диффузии и перенаправляют направление потока жидкости, чтобы подготовить ее для лопаток ротора следующей ступени. ^[3] Площадь поперечного сечения между барабаном ротора и корпусом уменьшается в направлении потока для поддержания оптимальной осевой скорости числа Маха по мере сжатия жидкости.

Работающий

Поскольку жидкость входит и выходит в осевом направлении, центробежная составляющая в уравнении энергии не вступает в игру. Здесь сжатие полностью основано на рассеивающем действии проходов. Рассеивающее действие в статоре преобразует абсолютный кинетический напор жидкости в повышение давления. Относительный кинетический напор в уравнении энергии — это термин, который существует только из-за вращения ротора. Ротор уменьшает относительный кинетический напор жидкости и добавляет его к абсолютному кинетическому напору жидкости, т. е. воздействие ротора на частицы жидкости увеличивает их скорость (абсолютную) и тем самым снижает относительную скорость между жидкостью и ротором. Короче говоря, ротор увеличивает абсолютную скорость жидкости, а статор преобразует это в повышение давления. Проектирование прохода ротора с рассеивающей способностью может привести к повышению давления в дополнение к его нормальному функционированию. Это создает больший рост давления на ступень, которая вместе составляет статор и ротор. Это принцип реакции в турбомашинах . Если 50% повышения давления на ступени достигается в секции ротора, говорят, что реакция составляет 50%. ^{[ необходима цитата ]}

Дизайн

Увеличение давления, создаваемое одной ступенью, ограничено относительной скоростью между ротором и жидкостью, а также поворотными и диффузионными возможностями аэродинамических профилей. Типичная ступень в коммерческом компрессоре будет производить увеличение давления от 15% до 60% (степень повышения давления 1,15–1,6) при расчетных условиях с политропной эффективностью в районе 90–95%. Для достижения различных степеней повышения давления осевые компрессоры проектируются с различным количеством ступеней и скоростями вращения. Как правило, мы можем предположить, что каждая ступень в данном компрессоре имеет одинаковое повышение температуры (Delta T). Следовательно, на входе температура (Tstage) на каждой ступени должна постепенно увеличиваться через компрессор, а отношение (Delta T)/(Tstage) на входе должно уменьшаться, что подразумевает постепенное снижение степени повышения давления на ступени через агрегат. Следовательно, задняя ступень развивает значительно более низкую степень повышения давления, чем первая ступень. Более высокие степени давления на ступени также возможны, если относительная скорость между жидкостью и роторами сверхзвуковая, но это достигается за счет эффективности и работоспособности. Такие компрессоры с степенью давления на ступени более 2 используются только там, где минимизация размера, веса или сложности компрессора имеет решающее значение, например, в военных самолетах.

Профили аэродинамического профиля оптимизированы и подобраны для определенных скоростей и поворотов. Хотя компрессоры могут работать в других условиях с другими потоками, скоростями или отношениями давления, это может привести к потере эффективности или даже частичному или полному сбою потока (известному как срыв компрессора и скачок давления соответственно). Таким образом, практическое ограничение количества ступеней и общего отношения давления возникает из-за взаимодействия различных ступеней, когда требуется работать вдали от проектных условий. Эти «непроектные» условия могут быть смягчены в определенной степени за счет обеспечения некоторой гибкости компрессора. Обычно это достигается за счет использования регулируемых статоров или с помощью клапанов, которые могут отводить жидкость из основного потока между ступенями (межступенчатый отбор). Современные реактивные двигатели используют ряд компрессоров, работающих на разных скоростях; для подачи воздуха с отношением давления около 40:1 для сгорания с достаточной гибкостью для всех условий полета.

Уравнения кинетики и энергии

Треугольник скоростей закрученной жидкости, входящей и выходящей из лопасти ротора

Закон момента количества движения гласит, что сумма моментов внешних сил, действующих на жидкость, временно занимающую контрольный объем , равна чистому изменению потока момента импульса через контрольный объем.

Завихряющаяся жидкость входит в контрольный объем на радиусе , с тангенциальной скоростью , и выходит на радиусе , с тангенциальной скоростью, . ${\displaystyle r_{1}\,}$ ${\displaystyle V_{w1}\,}$ ${\displaystyle r_{2}\,}$ ${\displaystyle V_{w2}\,}$

${\displaystyle V_{1}\,}$и — абсолютные скорости на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{2}\,}$

${\displaystyle V_{f1}\,}$и — скорости осевого потока на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{f2}\,}$

${\displaystyle V_{w1}\,}$и - скорости завихрения на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{w2}\,}$

${\displaystyle V_{r1}\,}$и — относительные скорости лопаток на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{r2}\,}$

${\displaystyle U\,}$— линейная скорость лопасти.

${\displaystyle \alpha }$- угол наклона направляющей лопатки, - угол наклона лопасти. ${\displaystyle \beta }$

Скорость изменения импульса F определяется уравнением:

${\displaystyle F={\dot {m}}\left(V_{w2}-V_{w1}\right)={\dot {m}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$(из треугольника скоростей)

Мощность, потребляемая идеально движущейся лопастью, P определяется по уравнению:

${\displaystyle P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$

Изменение энтальпии жидкости в движущихся лопатках:

${\displaystyle P={\dot {m}}\left(h_{02}-h_{01}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}$

Поэтому,

${\displaystyle P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}$

что подразумевает,

${\displaystyle \delta (T_{0})_{\text{isentropic}}={\frac {U}{c_{p}}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$

Изоэнтропическое сжатие в лопатке ротора ,

${\displaystyle p_{2}-p_{1}=p_{1}\left(\left[{\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right]^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}-1\right)\,}$

Поэтому,

${\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{actual}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{stage}}\delta (T_{0})_{\text{isentropic}}}{T_{01}}}\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}$

что подразумевает

${\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{actual}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{stage}}U}{T_{01}c_{p}}}\left[V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right]\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}$

Степень реакции , разница давлений между входом и выходом лопасти ротора называется давлением реакции . Изменение энергии давления рассчитывается через степень реакции .

${\displaystyle {\begin{aligned}R&={\frac {h_{2}-h_{1}}{h_{02}-h_{01}}}\\P&={\dot {m}}c_{p}\left(T_{2}+{\frac {V_{2}^{2}}{2c_{p}}}-\left[T_{1}+{\frac {V_{1}^{2}}{2c_{p}}}\right]\right)\\P&={\dot {m}}\left(h_{2}-h_{1}+\left[{\frac {V_{2}^{2}}{2}}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}\right]\right)\\h_{2}-h_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2}}\\T_{2}-T_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2c_{p}}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2c_{p}}}\end{aligned}}}$

Поэтому,

${\displaystyle R={\frac {V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}}{V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}+V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}}\,}$

Эксплуатационные характеристики

Причины, по которым определяется разница в идеальной и фактической характеристике осевого компрессора

Нестабильности

Грейтцер ^[4] использовал модель компрессионной системы типа резонатора Гельмгольца для прогнозирования переходного отклика компрессионной системы после небольшого возмущения, наложенного на устойчивое рабочее состояние. Он нашел безразмерный параметр, который предсказывал, какой режим неустойчивости компрессора, вращающийся срыв или помпаж, возникнет в результате. Параметр использовал скорость ротора, частоту резонатора Гельмгольца системы и «эффективную длину» канала компрессора. Он имел критическое значение, которое предсказывало либо вращающийся срыв, либо помпаж, где наклон отношения давлений к потоку изменялся с отрицательного на положительный.

Стабильная производительность

Производительность осевого компрессора отображается на карте компрессора , также известной как характеристика, путем построения графика зависимости степени сжатия и эффективности от скорректированного массового расхода при различных значениях скорректированной скорости компрессора.

Осевые компрессоры, особенно вблизи их проектной точки, обычно поддаются аналитической обработке, и хорошую оценку их производительности можно сделать до того, как они впервые будут запущены на буровой установке. Карта компрессора показывает полный рабочий диапазон, т. е. непроектный, компрессора от холостого хода на земле до его максимальной скорректированной скорости ротора, которая для гражданского двигателя может иметь место на вершине набора высоты или, для военного боевого двигателя, при взлете в холодный день. ^[5] Не показана область производительности ниже холостого хода, необходимая для анализа нормального поведения запуска ветряной мельницы на земле и в полете.

Производительность отдельной ступени компрессора можно продемонстрировать, построив график зависимости коэффициента нагрузки ступени ( ) от коэффициента расхода ( ). ${\displaystyle \psi \,}$ ${\displaystyle \phi \,}$

Коэффициент давления ступени по отношению к расходу ниже, чем для ступени без потерь, как показано. Потери вызваны трением лопаток, разделением потока , неустойчивым потоком и расстоянием между лопатками.

Нештатная эксплуатация

Кривая внепроектной характеристики осевого компрессора. Коэффициент нагрузки ступени ( ) как функция коэффициента расхода ( ) ${\displaystyle \psi \,}$ ${\displaystyle \phi \,}$

Производительность компрессора определяется его конструкцией. Но на практике рабочая точка компрессора отклоняется от проектной, что называется непроектной работой.

из уравнения (1) и (2)

${\displaystyle \psi =1-\phi (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,}$

Значение не меняется для широкого диапазона рабочих точек вплоть до сваливания. Также из-за незначительного изменения угла воздуха на роторе и статоре, где - угол лопаток диффузора. ${\displaystyle (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,}$ ${\displaystyle \alpha _{1}=\alpha _{3}\,}$ ${\displaystyle \alpha _{3}\,}$

${\displaystyle J=\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{3})\,}$является постоянным

Представление проектных значений с помощью (')

для непроектных операций (из ур. 3 ):

${\displaystyle {\begin{aligned}\psi &=1-J(\phi )\,\\\psi &=1-\phi \left({\frac {1-\psi '}{\phi '}}\right)\,\end{aligned}}}$

для положительных значений J наклон кривой отрицательный и наоборот.

Всплеск

Различные точки на кривой производительности в зависимости от расхода и перепада давления

На графике давления-расхода линия, разделяющая график между двумя областями - нестабильной и стабильной, называется линией помпажа . Эта линия образована путем соединения точек помпажа при разных оборотах в минуту. Нестабильный поток в осевых компрессорах из-за полного нарушения устойчивого сквозного потока называется помпажем. ^[1] Это явление влияет на производительность компрессора и является нежелательным.

Цикл импульса

Следующее объяснение помпажа относится к работе компрессора с постоянной скоростью на установке и постепенному уменьшению выходной площади путем закрытия клапана. То, что происходит, т. е. пересечение линии помпажа, вызвано тем, что компрессор пытается подать воздух, все еще работая с той же скоростью, к более высокому выходному давлению. Когда компрессор работает как часть полного газотурбинного двигателя, в отличие от испытательного стенда, более высокое давление подачи на определенной скорости может быть вызвано на мгновение слишком большим скачком топлива, что вызывает кратковременную блокировку, пока компрессор не увеличит скорость, которая соответствует новому потоку топлива, и помпажа не прекратится.

Предположим, что начальная рабочая точка D ( ) при некотором числе оборотов в минуту N. При уменьшении расхода при тех же оборотах в минуту вдоль характеристической кривой путем частичного закрытия клапана давление в трубе увеличивается, что будет компенсировано увеличением входного давления в компрессоре. При дальнейшем увеличении давления до точки P (точка помпажа) давление в компрессоре будет увеличиваться. При дальнейшем перемещении влево, сохраняя постоянные обороты в минуту, давление в трубе будет увеличиваться, но давление в компрессоре будет уменьшаться, что приведет к обратному потоку воздуха к компрессору. Из-за этого обратного потока давление в трубе будет уменьшаться, поскольку это неравное давление не может сохраняться в течение длительного периода времени. Хотя положение клапана установлено для более низкого расхода, скажем, точка G, но компрессор будет работать в соответствии с нормальной стабильной рабочей точкой, скажем, E, поэтому будет следовать путь EFPGE, что приведет к разрыву потока, следовательно, давление в компрессоре падает далее до точки H( ). Это увеличение и уменьшение давления в трубе будет происходить неоднократно в трубе и компрессоре, следуя циклу EFPGHE, также известному как цикл помпажа. ${\displaystyle {\dot {m}},P_{D}\,}$ ${\displaystyle P_{H}\,}$

Это явление вызовет вибрации во всей машине и может привести к механическому отказу. Вот почему левая часть кривой от точки помпажа называется нестабильной областью и может привести к повреждению машины. Поэтому рекомендуемый рабочий диапазон находится на правой стороне линии помпажа.

Срыв

Срыв потока — важное явление, влияющее на производительность компрессора. Проведен анализ вращающегося срыва потока в компрессорах многих ступеней, выявлены условия, при которых может возникнуть искажение потока, устойчивое в движущейся системе отсчета, даже если полное верхнее и нижнее статическое давление постоянны. В компрессоре предполагается гистерезис повышения давления. ^[6] Это ситуация разделения воздушного потока на лопатках аэродинамического профиля компрессора. Это явление, зависящее от профиля лопатки, приводит к снижению компрессии и падению мощности двигателя.

Положительный срыв

Разделение потока происходит на всасывающей стороне лопасти.

Отрицательное сваливание

Разделение потока происходит на напорной стороне лопатки.

Отрицательный срыв потока незначителен по сравнению с положительным срывом, поскольку вероятность отрыва потока на стороне давления лопатки минимальна.

В многоступенчатом компрессоре на ступенях высокого давления осевая скорость очень мала. Значение срыва потока уменьшается при небольшом отклонении от расчетной точки, вызывая срыв потока вблизи областей ступицы и кончика, размер которых увеличивается с уменьшением расхода. Они увеличиваются при очень низком расходе потока и влияют на всю высоту лопатки. Давление нагнетания значительно падает при большом срыве потока, что может привести к реверсу потока. Эффективность ступени падает при более высоких потерях.

Вращающийся сваливание

Неравномерность потока воздуха в лопатках ротора может нарушить локальный поток воздуха в компрессоре, не нарушая его. Компрессор продолжает работать нормально, но с уменьшенной компрессией. Таким образом, вращающийся срыв снижает эффективность компрессора.

В роторе с лопастями, движущимися, скажем, вправо. Пусть некоторые лопасти получают поток при более высоком наклоне, эта лопасть остановится положительно. Она создает препятствие в проходе между лопастью слева от себя и собой. Таким образом, левая лопасть будет получать поток при более высоком наклоне, а лопасть справа — при меньшем наклоне. Левая лопасть будет испытывать больший срыв, в то время как лопасть справа будет испытывать меньший срыв. Вправо срыв будет уменьшаться, тогда как влево он будет увеличиваться. Движение вращающегося срыва можно наблюдать в зависимости от выбранной системы отсчета.

Эффекты

• Это снижает эффективность компрессора.
• Вынужденные колебания лопаток из-за прохождения через отсек сваливания.
• Эти вынужденные колебания могут совпадать с собственной частотой лопастей, вызывая резонанс и, следовательно, выход лопасти из строя.

Разработка

С точки зрения обмена энергией осевые компрессоры являются обратными турбинами. Например, конструктор паровых турбин Чарльз Элджернон Парсонс осознал, что турбина, которая производит работу за счет статического давления жидкости (т. е. реактивная турбина), может иметь обратное действие, чтобы действовать как воздушный компрессор, называя ее турбокомпрессором или насосом. Его ротор и статорные лопатки, описанные в одном из его патентов ^[7], имели небольшой или отсутствующий изгиб, хотя в некоторых случаях конструкция лопаток была основана на теории пропеллера. ^[8] Машины, приводимые в действие паровыми турбинами, использовались в промышленных целях, таких как подача воздуха в доменные печи. Парсонс поставил первый коммерческий осевой компрессор для использования на свинцовом заводе в 1901 году. ^[9] Машины Парсонса имели низкую эффективность, позже приписываемую застреванию лопаток, и вскоре были заменены более эффективными центробежными компрессорами. Компания Brown Boveri & Cie производила компрессоры с «обратной турбиной», приводимые в действие газовыми турбинами, с лопатками, разработанными на основе аэродинамических исследований, которые были более эффективны, чем центробежные типы, при перекачке больших объемов потока в 40 000 кубических футов в минуту при давлении до 45 фунтов на квадратный дюйм ^[9]

Поскольку ранние осевые компрессоры были недостаточно эффективны, в ряде статей начала 1920-х годов утверждалось, что практический осевой турбореактивный двигатель построить невозможно. Ситуация изменилась после того, как А. А. Гриффит опубликовал основополагающую статью в 1926 году, отметив, что причиной плохой производительности было то, что существующие компрессоры использовали плоские лопатки и по сути были «заторможенными » . Он показал, что использование аэродинамических профилей вместо плоских лопаток увеличит эффективность до такой степени, что практический реактивный двигатель станет реальной возможностью. Он завершил статью базовой схемой такого двигателя, которая включала вторую турбину, которая использовалась для приведения в действие пропеллера .

Хотя Гриффит был хорошо известен благодаря своей ранней работе по усталости металла и измерению напряжений , похоже, что мало что было начато как прямой результат его статьи. Единственным очевидным усилием был испытательный компрессор, построенный Хейном Константом , коллегой Гриффита в Королевском авиационном учреждении . Другие ранние попытки создания реактивных двигателей, в частности, Фрэнка Уиттла и Ганса фон Охайна , основывались на более надежном и лучше изученном центробежном компрессоре , который широко использовался в нагнетателях . Гриффит видел работу Уиттла в 1929 году и отклонил ее, заметив математическую ошибку и утверждая, что передний размер двигателя сделает его бесполезным на высокоскоростном самолете.

Реальная работа над осевыми двигателями началась в конце 1930-х годов, в нескольких попытках, которые все начались примерно в одно и то же время. В Англии Hayne Constant достигла соглашения с компанией по производству паровых турбин Metropolitan-Vickers (Metrovick) в 1937 году, начав их турбовинтовые усилия на основе конструкции Гриффита в 1938 году. В 1940 году, после успешного запуска конструкции центробежного потока Уиттла, их усилия были перепроектированы как чисто реактивный, Metrovick F.2 . В Германии фон Охайн создал несколько рабочих центробежных двигателей, некоторые из которых летали, включая первый в мире реактивный самолет ( He 178 ), но усилия по разработке переместились на Junkers ( Jumo 004 ) и BMW ( BMW 003 ), которые использовали конструкции осевого потока в первом в мире реактивном истребителе ( Messerschmitt Me 262 ) и реактивном бомбардировщике ( Arado Ar 234 ). В Соединенных Штатах и ​​Lockheed , и General Electric получили контракты в 1941 году на разработку осевых двигателей, первый — чисто реактивный , второй — турбовинтовой. Northrop также начала свой собственный проект по разработке турбовинтового двигателя, который ВМС США в конечном итоге заключили в 1943 году. Westinghouse также включилась в гонку в 1942 году, их проект оказался единственным успешным из всех усилий США, позже превратившись в J30 .

Как изначально отметил Гриффит в 1929 году, большой фронтальный размер центробежного компрессора приводил к тому, что он имел большее сопротивление, чем более узкий тип с осевым потоком. Кроме того, конструкция с осевым потоком могла улучшить степень сжатия , просто добавив дополнительные ступени и сделав двигатель немного длиннее. В конструкции с центробежным потоком сам компрессор должен был быть большего диаметра, что было намного сложнее для правильного размещения в тонком и аэродинамическом фюзеляже самолета (хотя и не отличалось от профиля уже широко используемых радиальных двигателей ). С другой стороны, конструкции с центробежным потоком оставались гораздо менее сложными (главная причина, по которой они «выиграли» в гонке за летающими образцами) и, следовательно, играли роль в местах, где размер и обтекаемость не так важны.

Осевые реактивные двигатели

Схема осевого компрессора низкого давления турбореактивного двигателя Olympus BOl.1 .

В реактивном двигателе компрессор сталкивается с широким спектром рабочих условий. На земле при взлете давление на входе высокое, скорость на входе равна нулю, и компрессор вращается с различными скоростями по мере подачи мощности. В полете давление на входе падает, но скорость на входе увеличивается (из-за поступательного движения самолета), чтобы восстановить часть этого давления, и компрессор имеет тенденцию работать на одной скорости в течение длительных периодов времени.

Просто нет «идеального» компрессора для такого широкого диапазона рабочих условий. Компрессоры с фиксированной геометрией, такие как те, что использовались в ранних реактивных двигателях, ограничены расчетным отношением давления около 4 или 5:1. Как и в любом тепловом двигателе , топливная эффективность тесно связана со степенью сжатия , поэтому существует очень сильная финансовая потребность в улучшении ступеней компрессора за пределами этих соотношений.

Кроме того, компрессор может заглохнуть, если условия на впуске резко изменятся, что является распространенной проблемой на ранних двигателях. В некоторых случаях, если заглох происходит вблизи передней части двигателя, все ступени с этого момента перестанут сжимать воздух. В этой ситуации энергия, необходимая для работы компрессора, внезапно падает, а оставшийся горячий воздух в задней части двигателя позволяет турбине резко ускорить ^{[ требуется цитата ]} весь двигатель. Это состояние, известное как помпаж, было серьезной проблемой на ранних двигателях и часто приводило к поломке турбины или компрессора и отрыву лопаток.

По всем этим причинам осевые компрессоры современных реактивных двигателей значительно сложнее, чем в более ранних конструкциях.

Катушки

Двухкаскадный осевой компрессор. N ₁ и N ₂ представляют собой скорость вращения компрессоров низкого и высокого давления соответственно. Оба представлены на индикаторе в процентах от проектных оборотов в минуту. ^[10]

Все компрессоры имеют оптимальную точку, связывающую скорость вращения и давление, при этом более высокие степени сжатия требуют более высоких скоростей. Ранние двигатели были разработаны для простоты и использовали один большой компрессор, вращающийся с одной скоростью. Более поздние конструкции добавили вторую турбину и разделили компрессор на секции низкого давления и высокого давления, причем последняя вращалась быстрее. Эта двухкатушечная конструкция, впервые примененная на Bristol Olympus , привела к повышению эффективности. Дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто путем добавления третьей катушки, но на практике дополнительная сложность увеличивает расходы на техническое обслуживание до такой степени, что сводит на нет любую экономическую выгоду. Тем не менее, существует несколько трехкатушечных двигателей, возможно, самым известным из которых является Rolls -Royce RB211 , используемый на самых разных коммерческих самолетах.

Отбор воздуха, переменные статоры

Когда самолет меняет скорость или высоту, давление воздуха на входе в компрессор будет меняться. Чтобы «настроить» компрессор на эти изменяющиеся условия, конструкции, начавшиеся в 1950-х годах, «стравливали» воздух из середины компрессора, чтобы избежать попыток сжать слишком много воздуха на последних ступенях. Это также использовалось для облегчения запуска двигателя, позволяя ему раскручиваться без сжатия большого количества воздуха, стравливая как можно больше. Системы стравливания в любом случае уже широко использовались для подачи потока воздуха в ступень турбины , где он использовался для охлаждения лопаток турбины, а также для подачи сжатого воздуха для систем кондиционирования воздуха внутри самолета.

Более продвинутая конструкция, изменяемый статор , использовала лопатки, которые могли индивидуально вращаться вокруг своей оси, в отличие от силовой оси двигателя. ^[11] Для запуска они поворачиваются в положение «закрыто», уменьшая компрессию, а затем поворачиваются обратно в воздушный поток, как того требуют внешние условия. General Electric J79 был первым крупным примером конструкции изменяемого статора, и сегодня это общая черта большинства военных двигателей.

Постепенное закрытие регулируемых статоров по мере снижения скорости компрессора уменьшает наклон линии помпажа (или срыва) на рабочей характеристике (или карте), улучшая запас по помпажу установленного агрегата. Включив регулируемые статоры в первые пять ступеней, General Electric Aircraft Engines разработала десятиступенчатый осевой компрессор, способный работать при расчетном соотношении давлений 23:1.

Заметки по дизайну

Обмен энергией между ротором и жидкостью

Относительное движение лопаток к жидкости добавляет скорости или давлению или и тому и другому жидкости при прохождении через ротор. Скорость жидкости увеличивается через ротор, а статор преобразует кинетическую энергию в энергию давления. Некоторая диффузия также происходит в роторе в большинстве практических конструкций.

Увеличение скорости жидкости происходит в основном в тангенциальном направлении (завихрение), а статор устраняет этот угловой момент.

Рост давления приводит к росту температуры застоя . Для заданной геометрии рост температуры зависит от квадрата тангенциального числа Маха ряда ротора. Современные турбовентиляторные двигатели имеют вентиляторы, которые работают со скоростью 1,7 Маха или более, и требуют значительных структур локализации и подавления шума для снижения повреждений от потери лопаток и шума.

Карты компрессора

Карта показывает производительность компрессора и позволяет определить оптимальные условия эксплуатации. Она показывает массовый расход по горизонтальной оси, как правило, в процентах от проектного массового расхода или в фактических единицах. Повышение давления указано на вертикальной оси как отношение между входным и выходным давлением стагнации.

Линия срыва или остановки определяет границу, слева от которой производительность компрессора быстро ухудшается, и определяет максимальное отношение давлений, которое может быть достигнуто для заданного массового расхода. Рисуются контуры эффективности, а также линии производительности для работы на определенных скоростях вращения.

Стабильность сжатия

Эксплуатационная эффективность наиболее высока вблизи линии срыва потока. Если выходное давление увеличивается сверх максимально возможного, компрессор остановится и станет нестабильным.

Обычно нестабильность будет на частоте Гельмгольца системы, принимая во внимание расположенную ниже по потоку камеру.

Смотрите также

• Центробежный компрессор  – Подкласс динамических осесимметричных турбомашин, поглощающих работу.
• Компоненты реактивных двигателей  – Краткое описание компонентов, необходимых для реактивных двигателей.
• Конструкция осевого вентилятора  – вентилятор, который создает поток газа, в основном параллельный валу.
• Осевой насос  – тип насоса, состоящий из пропеллера в трубе.
• Турбонасос  – насос, приводимый в действие газовой турбиной.

Ссылки

1. Yahya, SM (2011). Турбины, компрессоры и вентиляторы . Tata McGraw Hill Education Private Limited. ISBN 978-0-07-070702-3.
2. Meherwan, P.Boyce. «2.0 Осевые компрессоры».
3. Перри, Р. Х. и Грин, Д. В. (редакторы) (2007). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). McGraw Hill. ISBN 0-07-142294-3 . 
4. Грейтцер, Э. М. (1 апреля 1976 г.). «Помпаж и вращающийся срыв потока в осевых компрессорах — Часть I: Теоретическая модель системы сжатия». Журнал инженерного дела по газовым турбинам и энергетике . 98 (2): 190–198. doi :10.1115/1.3446138.
5. «Практические соображения при проектировании цикла двигателя» (PDF) . www.sto.nato.int .
6. Макдугалл, Н. М.; Кампсти, Н. А.; Хайнс, TP (2012). «Начало срыва потока в осевых компрессорах». Журнал турбомашиностроения . 112 (1): 116–123. doi :10.1115/1.2927406.
7. "Патент на турбокомпрессор и насос" (PDF) . patentimages.storage.googleapis .
8. "NASA-SP36_extracto" (PDF) . веб-сервер.dmt.upm.es .
9. https://gracesguide.co.uk/Main_Page Журнал «Инженер» 27 мая 1938 г. Приложение «Развитие воздуходувок и компрессоров», стр.xxxiii
10. Справочник пилота по авиационным знаниям . Федеральное управление гражданской авиации . 2016-08-24. С. 7–23.
11. «Атомный реактивный двигатель, керамические турбины и другие жемчужины истории полетов | GE News».

Библиография

• Трегер, Ирвин Э. «Технология авиационных газотурбинных двигателей», 3-е изд., McGraw-Hill Book Company, 1995, ISBN 978-0-02-8018287 
• Хилл, Филип и Карл Петерсон. «Механика и термодинамика движения», 2-е изд., Prentice Hall, 1991. ISBN 0-201-14659-2 . 
• Керреброк, Джек Л. «Авиационные двигатели и газовые турбины», 2-е изд., Кембридж, Массачусетс: The MIT Press, 1992. ISBN 0-262-11162-4 . 
• Рангвалла, Абдулла. С. «Динамика турбомашин: проектирование и эксплуатация», Нью-Йорк: McGraw-Hill: 2005. ISBN 0-07-145369-5 . 
• Уилсон, Дэвид Гордон и Теодосиос Коракианитис. «Проектирование высокоэффективных турбомашин и турбин», 2-е изд., Prentice Hall, 1998. ISBN 0-13-312000-7 .