Осевой компрессор

Машина для непрерывного сжатия газа

Анимированная симуляция осевого компрессора. Статические лопасти являются статорами .

Осевой компрессор — это газовый компрессор , который может непрерывно сжимать газы . Это вращающийся компрессор с аэродинамическим профилем, в котором газ или рабочая жидкость в основном течет параллельно оси вращения или в осевом направлении. Это отличается от других ротационных компрессоров, таких как центробежные компрессоры , аксиально-центробежные компрессоры и компрессоры смешанного потока, где поток жидкости через компрессор будет включать «радиальную составляющую».

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

Компрессоры с осевым потоком производят непрерывный поток сжатого газа и обладают преимуществами высокой эффективности и большого массового расхода , особенно с учетом их размера и поперечного сечения. Однако для достижения значительного 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 применениях, таких как установки разделения воздуха большого объема, воздух для доменных печей , воздух для жидкостного каталитического крекинга и дегидрирование пропана . Благодаря высоким характеристикам, высокой надежности и гибкости работы во время полета они также используются в авиационно- космических ракетных двигателях , в качестве топливных насосов и в других критически важных устройствах с большими объемами. ^[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 кожухом расположены ряды аэродинамических профилей, каждый ряд попеременно соединен либо с барабаном, либо с кожухом. Пара одного ряда вращающихся профилей и следующего ряда неподвижных профилей называется ступенью. Вращающиеся аэродинамические профили, также известные как лопасти или роторы, ускоряют жидкость как в осевом, так и в окружном направлениях. Стационарные аэродинамические профили, также известные как лопатки или статоры, преобразуют повышенную кинетическую энергию в статическое давление посредством диффузии и перенаправляют направление потока жидкости, чтобы подготовить ее к лопастям ротора следующей ступени. ^[3] Площадь поперечного сечения между роторным барабаном и корпусом уменьшается в направлении потока для поддержания оптимальной осевой скорости числа Маха при сжатии жидкости.

Работающий

Поскольку жидкость входит и выходит в осевом направлении, центробежная составляющая в уравнении энергии не играет роли. Здесь сжатие полностью основано на диффузионном действии ходов. Диффузионное 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 уменьшает относительную скорость между жидкостью и ротором. . Короче говоря, ротор увеличивает абсолютную скорость жидкости, а статор преобразует это в повышение давления. Конструкция канала ротора с диффузионной способностью может привести к повышению давления в дополнение к его нормальному функционированию. Это приводит к большему повышению давления на каждую ступень, которая вместе составляет статор и ротор. Это принцип реакции в турбомашинах . Если 50% повышения давления в ступени достигается в секции ротора, говорят, что реакция имеет 50%. ^{[ нужна цитата ]}

Дизайн

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

Профили аэродинамического профиля оптимизированы и адаптированы для определенных скоростей и поворотов. Хотя компрессоры могут работать в других условиях с другими расходами, скоростями или коэффициентами давления, это может привести к снижению эффективности или даже частичному или полному нарушению потока (известному как остановка компрессора и скачок давления соответственно). Таким образом, практическое ограничение количества ступеней и общего коэффициента давления возникает из-за взаимодействия различных ступеней, когда требуется работать вне расчетных условий. Эти «нестандартные» условия можно в определенной степени смягчить, обеспечив некоторую гибкость компрессора. Обычно это достигается за счет использования регулируемых статоров или клапанов, которые могут отводить жидкость из основного потока между ступенями (межступенчатый слив). В современных реактивных двигателях используется ряд компрессоров, работающих на разных скоростях; для подачи воздуха с соотношением давлений около 40:1 для сгорания с достаточной гибкостью для всех условий полета.

Кинетика и уравнения энергии

Треугольник скоростей закрученной жидкости, входящей в лопасть ротора и выходящей из нее

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

Закрученная жидкость входит в контрольный объем по радиусу , с тангенциальной скоростью , и выходит по радиусу , 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 – осевые скорости потока на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{f2}\,}$

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

${\displaystyle V_{r1}\,}$и – скорости относительно лопастей на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{r2}\,}$

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

${\displaystyle \alpha }$– угол направляющего аппарата, – угол 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 идеальной движущейся лопастью, P определяется уравнением:

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

Изменение энтальпии жидкости в движущихся лопастях:

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

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,

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

Изэнтропическое сжатие в лопатке несущего винта ,

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

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,

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

ТТХ

Причины, указывающие на разницу в идеальной и фактической характеристиках осевого компрессора.

Нестабильность

Грейцер ^[4] использовал модель системы сжатия типа резонатора Гельмгольца для прогнозирования переходного режима системы сжатия после небольшого возмущения, наложенного на устойчивый рабочий режим. Он нашел безразмерный параметр, который предсказал, какой режим нестабильности компрессора, вращающийся срыв или помпаж, возникнет. В качестве параметра использовалась частота вращения ротора, частота резонатора Гельмгольца системы и «эффективная длина» воздуховода компрессора. Оно имело критическое значение, которое предсказывало либо вращающийся срыв, либо помпаж, когда наклон отношения давления к потоку менялся с отрицательного на положительный.

Устойчивая производительность

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

Осевые компрессоры, особенно вблизи их расчетной точки, обычно поддаются аналитической обработке, и хорошая оценка их производительности может быть сделана до их первого запуска на буровой установке. Карта компрессора показывает полный рабочий диапазон, т.е. нерасчетный, компрессора от холостого хода до максимальной скорректированной скорости ротора, что для гражданского двигателя может иметь место при наборе высоты, а для военного боевого двигателя - при взлет в холодный день. ^[5] Не показана область работы на малом холостом ходу, необходимая для анализа нормального запуска ветряной электростанции на земле и в полете.

Производительность одной ступени компрессора можно отобразить путем построения графика коэффициента загрузки ступени ( ) как функции коэффициента расхода ( ). ${\displaystyle \psi \,}$ ${\displaystyle \phi \,}$

Соотношение давления ступени и расхода ниже, чем для ступени без потерь, как показано. Потери происходят из-за трения лопаток, отрыва потока , нестационарного потока и расстояния между лопатками.

Непроектная работа

Кривая расчетных характеристик осевого компрессора. Коэффициент загрузки ступени ( ) как функция коэффициента расхода ( ) ${\displaystyle \psi \,}$ ${\displaystyle \phi \,}$

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

из уравнения (1) и (2)

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

Значение не меняется в широком диапазоне рабочих точек вплоть до остановки. Также из-за незначительного изменения угла воздушного потока на роторе и статоре, где находится угол лопаток диффузора. ${\displaystyle (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,}$ ${\displaystyle \alpha _{1}=\alpha _{3}\,}$ ${\displaystyle \alpha _{3}\,}$

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

Представление расчетных значений с помощью (')

для непроектных операций (из уравнения 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.

Бушующий

Различные точки на кривой производительности в зависимости от расхода и разницы давлений.

На графике давления-расхода линия, разделяющая график между двумя областями - нестабильной и стабильной, известна как линия скачка давления . Эта линия формируется путем соединения точек помпажа на разных оборотах. Нестабильный поток в осевых компрессорах из-за полного нарушения установившегося сквозного потока называется помпажным. ^[1] Это явление влияет на производительность компрессора и является нежелательным.

Цикл помпажа

Следующее объяснение помпажа относится к работе компрессора на буровой установке с постоянной скоростью и постепенному уменьшению площади выхода путем закрытия клапана. То, что происходит, то есть пересечение линии помпажа, вызвано тем, что компрессор пытается доставить воздух, все еще работающий с той же скоростью, до более высокого давления на выходе. Когда компрессор работает как часть газотурбинного двигателя в сборе, а не на испытательном стенде, более высокое давление нагнетания на определенной скорости может быть кратковременно вызвано сгоранием слишком большого ступенчатого скачка топлива, что вызывает кратковременную блокировку. до тех пор, пока компрессор не достигнет скорости, соответствующей новому потоку топлива, и помпаж не прекратится.

Предположим, что начальная рабочая точка D ( ) при некоторых оборотах N. При уменьшении расхода при тех же оборотах по характеристической кривой путем частичного закрытия клапана давление в трубе увеличивается, что будет компенсироваться увеличением входного давления при компрессор. При дальнейшем увеличении давления до точки P (точка помпажа) давление компрессора будет увеличиваться. При дальнейшем движении влево, сохраняя постоянную скорость вращения, давление в трубе увеличится, но давление в компрессоре уменьшится, что приведет к обратному потоку воздуха в сторону компрессора. Из-за обратного потока давление в трубе уменьшится, поскольку такое неравномерное давление не может сохраняться в течение длительного периода времени. Хотя положение клапана установлено для более низкого расхода, скажем, точки G, но компрессор будет работать в соответствии с нормальной стабильной рабочей точкой, скажем, E, поэтому будет следовать путь EFPGE, ведущий к нарушению потока, следовательно, давление в компрессоре падает дальше до точки H ( ). Это увеличение и уменьшение давления в трубе будет происходить неоднократно в трубе и компрессоре в соответствии с циклом EFPGHE, также известным как цикл помпажа. ${\displaystyle {\dot {m}},P_{D}\,}$ ${\displaystyle P_{H}\,}$

Это явление вызовет вибрацию всей машины и может привести к механическому повреждению. Вот почему левая часть кривой от точки помпажа называется нестабильной областью и может привести к повреждению машины. Таким образом, рекомендуемый рабочий диапазон находится на правой стороне линии помпажа.

Остановка

Остановка является важным явлением, влияющим на производительность компрессора. Проведен анализ вращающегося срыва в многоступенчатых компрессорах и определены условия, при которых может возникнуть искажение потока, устойчивое в движущейся системе отсчета, даже если общее статическое давление на входе и на выходе являются постоянными. В компрессоре предполагается гистерезис повышения давления. ^[6] Это ситуация разделения воздушного потока на аэродинамических лопатках компрессора. Это явление в зависимости от профиля лопаток приводит к уменьшению сжатия и падению мощности двигателя.

Положительный срыв

Разделение потока происходит на стороне всасывания лопатки.

Отрицательный срыв

Разделение потока происходит на напорной стороне лопатки.

Отрицательный срыв пренебрежимо мал по сравнению с положительным срывом, поскольку отрыв потока наименее вероятен на напорной стороне лопасти.

В многоступенчатом компрессоре на ступенях высокого давления осевая скорость очень мала. Величина срыва уменьшается при небольшом отклонении от расчетной точки, что приводит к срыву вблизи областей ступицы и наконечника, размер которых увеличивается с уменьшением скорости потока. Они увеличиваются в размерах при очень низкой скорости потока и затрагивают всю высоту лопасти. Давление нагнетания значительно падает при сильном остановке, что может привести к изменению направления потока. КПД каскада падает с увеличением потерь.

Вращающийся срыв

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

В роторе с лопастями, движущимися, скажем, вправо. Если некоторые лопасти принимают поток с более высоким углом наклона, эта лопасть остановится положительно. Это создает препятствие в проходе между лезвием слева и самим собой. Таким образом, левая лопасть будет воспринимать поток с более высоким углом наклона, а правая лопасть - с меньшим углом наклона. Левый отвал будет испытывать больший срыв, тогда как отвал справа от него будет испытывать меньший срыв. По направлению вправо сваливание будет уменьшаться, тогда как слева оно будет увеличиваться. Движение вращающегося свая можно наблюдать в зависимости от выбранной системы отсчета.

Последствия

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

Разработка

С точки зрения энергообмена осевые компрессоры представляют собой реверсированные турбины. Конструктор паровых турбин Чарльз Алджернон Парсонс , например, признал, что турбина, которая производит работу за счет статического давления жидкости (т.е. реактивная турбина), может иметь противоположное действие и действовать как воздушный компрессор, назвав ее турбокомпрессором или насосом. . Его лопатки ротора и статора, описанные в одном из его патентов ^[7], имели небольшой изгиб или совсем отсутствовали, хотя в некоторых случаях конструкция лопастей была основана на теории гребного винта. ^[8] Машины, приводимые в движение паровыми турбинами, использовались в промышленных целях, например, для подачи воздуха в доменные печи. Компания Parsons поставила первый коммерческий компрессор с осевым потоком для использования на свинцовом заводе в 1901 году. ^[9] Машины Parsons имели низкую эффективность, что позже объяснялось остановкой лопаток, и вскоре были заменены более эффективными центробежными компрессорами. Компания Brown Boveri & Cie произвела компрессоры с «обратной турбиной», приводимые в движение газовыми турбинами, с лопатками, полученными в результате аэродинамических исследований, которые были более эффективными, чем центробежные типы, при перекачке больших объемов потока в 40 000 куб. футов. в минуту при давлении до 45 фунтов на квадратный дюйм ^[9]

Поскольку первые осевые компрессоры были недостаточно эффективны, в ряде статей в начале 1920-х годов утверждалось, что практический турбореактивный двигатель с осевым потоком невозможно построить. Ситуация изменилась после того, как А. А. Гриффит опубликовал в 1926 году основополагающую статью, в которой отмечалось, что причина плохой производительности заключалась в том, что в существующих компрессорах использовались плоские лопатки, и они, по сути, « срывались на лету ». Он показал, что использование аэродинамических профилей вместо плоских лопастей повысит эффективность до такой степени, что практический реактивный двигатель станет реальной возможностью. Он завершил статью базовой схемой такого двигателя, который включал вторую турбину, которая использовалась для приведения в действие пропеллера .

Хотя Гриффит был хорошо известен благодаря своим ранним работам по измерению усталости и напряжений металлов , похоже, что в результате его статьи было начато мало работ. Единственным очевидным достижением был компрессор на испытательном стенде, построенный Хейном Константом , коллегой Гриффита по Королевскому авиастроительному заводу . Другие ранние разработки реактивных двигателей, особенно Фрэнка Уиттла и Ганса фон Охайна , были основаны на более надежном и лучше изученном центробежном компрессоре , который широко использовался в нагнетателях . Гриффит видел работу Уиттла в 1929 году и отверг ее, отметив математическую ошибку и заявив, что лобовой размер двигателя сделает его бесполезным на высокоскоростном самолете.

Настоящая работа над осевыми двигателями началась в конце 1930-х годов, и все они начались примерно в одно и то же время. В Англии Хейн Констант в 1937 году достиг соглашения с компанией по производству паровых турбин Metropolitan-Vickers (Metrovick), начав разработку турбовинтового двигателя на основе конструкции Гриффита в 1938 году. В 1940 году, после успешного запуска конструкции Уиттла с центробежным потоком, их усилия был переработан в чисто реактивный Metrovick F.2 . В Германии фон Охайн изготовил несколько работающих центробежных двигателей, некоторые из которых летали, в том числе на первом в мире реактивном самолете ( He 178 ), но усилия по разработке перешли к Junkers ( Jumo 004 ) и BMW ( BMW 003 ), которые использовали осевые двигатели. -поточные конструкции первого в мире реактивного истребителя ( Messerschmitt Me 262 ) и реактивного бомбардировщика ( Arado Ar 234 ). В Соединенных Штатах компании Lockheed и General Electric в 1941 году получили контракты на разработку двигателей с осевым потоком: первый — чисто реактивный , второй — турбовинтовой. Northrop также начала свой собственный проект по разработке турбовинтового двигателя, на который ВМС США в конечном итоге заключили контракт в 1943 году. Westinghouse также вступила в гонку в 1942 году, их проект оказался единственным успешным из всех проектов США, позже ставший J30 .

Как первоначально заметил Гриффит в 1929 году, большой фронтальный размер центробежного компрессора приводил к тому, что он имел более высокое сопротивление, чем более узкий компрессор с осевым потоком. Кроме того, конструкция с осевым потоком могла бы улучшить степень сжатия , просто добавив дополнительные ступени и немного удлинив двигатель. В конструкции с центробежным потоком сам компрессор должен был быть большего диаметра, что было гораздо сложнее правильно разместить в тонком и аэродинамическом фюзеляже самолета (хотя и не отличающемся от профиля уже широко используемых радиальных двигателей ). С другой стороны, конструкции с центробежным потоком оставались гораздо менее сложными (основная причина, по которой они «победили» в гонке за летающими образцами) и, следовательно, играли роль там, где размер и обтекаемость не так важны.

Осевые реактивные двигатели

Схема осевого компрессора низкого давления турбореактивного двигателя Олимп БОл.1 .

В реактивных двигателях компрессор сталкивается с широким спектром условий эксплуатации. На земле при взлете давление на входе высокое, скорость на входе равна нулю, а компрессор вращается с различными скоростями при подаче мощности. В полете давление на входе падает, но скорость на входе увеличивается (из-за движения самолета вперед), чтобы восстановить часть этого давления, и компрессор имеет тенденцию работать на одной скорости в течение длительных периодов времени.

«Идеального» компрессора для такого широкого диапазона условий эксплуатации просто не существует. Компрессоры с фиксированной геометрией, подобные тем, которые использовались в ранних реактивных двигателях, ограничены расчетной степенью давления примерно 4 или 5:1. Как и в любом тепловом двигателе , эффективность использования топлива тесно связана со степенью сжатия , поэтому существует очень острая финансовая потребность в улучшении ступеней компрессора за пределами этих степеней сжатия.

Кроме того, компрессор может заглохнуть при резком изменении условий на впуске, что является распространенной проблемой ранних двигателей. В некоторых случаях, если остановка двигателя происходит в передней части двигателя, с этого момента все ступени 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 работу всего двигателя. Это состояние, известное как помпаж, было серьезной проблемой ранних двигателей и часто приводило к поломке турбины или компрессора и потере лопаток.

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

Катушки

Двухзолотниковый осевой компрессор. N ₁ и N ₂ представляют скорость вращения компрессоров низкого и высокого давления соответственно. Оба представлены на индикаторе в процентах от расчетной частоты вращения. ^[10]

Все компрессоры имеют оптимальную точку, связывающую скорость вращения и давление, при этом более высокая степень сжатия требует более высоких скоростей. Ранние двигатели были разработаны с учетом простоты и использовали один большой компрессор, вращающийся с одной скоростью. В более поздних конструкциях была добавлена ​​вторая турбина и разделен компрессор на секции низкого и высокого давления, причем последняя вращалась быстрее. Эта конструкция с двумя катушками , впервые использованная на Бристольском Олимпе , привела к повышению эффективности. Дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто за счет добавления третьей катушки, но на практике дополнительная сложность увеличивает затраты 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.

Удалить воздух, регулируемые статоры

Когда самолет меняет скорость или высоту, давление воздуха на входе в компрессор будет меняться. Чтобы «настроить» компрессор на эти изменяющиеся условия, конструкции, начиная с 1950-х годов, «стравливали» воздух из середины компрессора, чтобы избежать попыток сжать слишком много воздуха на последних этапах. Это также использовалось для запуска двигателя, позволяя ему раскручиваться без сильного сжатия воздуха за счет максимально возможного стравливания. В любом случае системы слива уже широко использовались для подачи воздуха в ступень турбины , где он использовался для охлаждения лопаток турбины, а также для подачи сжатого воздуха в системы кондиционирования воздуха внутри самолета.

В более совершенной конструкции, регулируемом статоре , использовались лопасти, которые можно индивидуально вращать вокруг своей оси, в отличие от силовой оси двигателя. ^[11] При запуске 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 регулируемого статора, и сегодня это общая черта большинства военных двигателей.

Постепенное закрытие регулируемых статоров по мере падения 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, компания General Electric Aircraft Engines разработала десятиступенчатый осевой компрессор, способный работать при расчетном соотношении давлений 23:1.

Примечания к проектированию

Энергообмен между ротором и жидкостью

Относительное движение лопастей по отношению к жидкости увеличивает скорость или давление, или и то, и другое, жидкости, когда она проходит через ротор. Скорость жидкости увеличивается через ротор, а статор преобразует кинетическую энергию в энергию давления. В большинстве практических конструкций некоторая диффузия также происходит в роторе.

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

Повышение давления приводит к стагнационному повышению температуры . Для данной геометрии повышение 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 защитных и шумоподавляющих конструкций для уменьшения повреждений и шума, связанных с потерей лопастей.

Карты компрессоров

Карта показывает производительность компрессора и позволяет определить оптимальные условия эксплуатации. Он показывает массовый расход по горизонтальной оси, обычно в процентах от расчетного массового расхода или в фактических единицах. Повышение давления указано на вертикальной оси как соотношение между входным и выходным давлениями торможения.

Линия помпажа или остановки определяет границу, слева от которой производительность компрессора быстро ухудшается, и определяет максимальную степень сжатия, которая может быть достигнута для данного массового расхода. Нарисованы контуры эффективности, а также линии производительности для работы на определенных скоростях вращения.

Стабильность сжатия

Эксплуатационная эффективность наиболее высока вблизи линии сваливания. Если давление на выходе превысит максимально возможное, компрессор остановится и станет нестабильным.

Обычно нестабильность будет на частоте Гельмгольца системы, принимая во внимание камеру заднего вида.

Смотрите также

• Центробежный компрессор  - Подкласс динамических осесимметричных турбомашин рабочего поглощения.
• Компоненты реактивных двигателей  . Краткое описание компонентов, необходимых для реактивных двигателей.
• Осевое исполнение вентилятора  – вентилятор охлажденияPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Осевой насос  - тип насоса, состоящий из крыльчатки в трубе.
• Турбонасос  - Насос с приводом от газовой турбины.

Рекомендации

1. Яхья, С.М. (2011). Турбины, компрессоры и вентиляторы . Тата МакГроу Хилл Образовательная Частная Лимитед. ISBN 978-0-07-070702-3.
2. Мехерван, П.Бойс. «Компрессоры с осевым потоком 2.0».
3. Перри, Р.Х. и Грин, Д.В. (ред.) (2007). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN 0-07-142294-3 . 
4. Грейцер, EM (1 апреля 1976 г.). «Помпаж и вращающийся срыв в осевых компрессорах - Часть I: Теоретическая модель системы сжатия». Журнал техники для энергетики . 98 (2): 190–198. дои : 10.1115/1.3446138.
5. https://www.sto.nato.int/publications/AGARD/AGARD-LS-183/AGARD-LS-183.pdf Практические соображения при проектировании цикла двигателя, Филпотт, стр. 2–8, 2–17.
6. Макдугалл, Нью-Мексико; Камсти, Северная Каролина; Хайнс, Т.П. (2012). «Начало остановки осевых компрессоров». Журнал турбомашиностроения . 112 (1): 116–123. дои : 10.1115/1.2927406.
7. https://patentimages.storage.googleapis.com/fb/91/1c/c561b6b80570db/US710884.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}
8. http://webserver.dmt.upm.es/zope/DMT/Members/jmtizon/turbomaquinas/NASA-SP36_extracto.pdf стр.2
9. https://gracesguide.co.uk/Main_Page Журнал Engineer, 27 мая 1938 г., Приложение «Разработка воздуходувок и компрессоров», стр.xxxiii.
10. Справочник пилота по авиационным знаниям . Федеральная авиационная администрация . 24 августа 2016 г. стр. 7–23.
11. «Атомный реактивный двигатель, керамические турбины и другие жемчужины из истории полетов | Новости GE» .

Библиография

• Тригер, 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., Прентис-Холл, 1991. ISBN 0-201-14659-2 . 
• Керреброк, Джек Л. «Авиационные двигатели и газовые турбины», 2-е изд., Кембридж, Массачусетс: 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., Прентис-Холл, 1998. ISBN 0-13-312000-7 .