Осевой компрессор - Axial compressor

Дальнейшая информация: Конструкция осевого вентилятора

Анимированная симуляция осевого компрессора. Статические лезвия - это статоры.

An осевой компрессор это газовый компрессор что может постоянно сжимать газы. Это вращающийся, профиль - компрессор, в котором газ или рабочая жидкость в основном течет параллельно оси вращения или аксиально. Это отличается от других вращающихся компрессоров, таких как центробежный компрессор, аксицентробежные компрессоры и компрессоры смешанного типа, в которых поток жидкости будет включать «радиальный компонент» через компрессор. Уровень энергии жидкости увеличивается по мере ее прохождения через компрессор из-за действия лопастей ротора, которые создают крутящий момент на жидкость. Неподвижные лопасти замедляют поток жидкости, преобразовывая окружную составляющую потока в давление. Компрессоры обычно приводятся в движение электрический двигатель или пар или газовая турбина.^[1]

Компрессоры с осевым потоком производят непрерывный поток сжатого газа и имеют преимущества высокой эффективность и большой массовый расход, особенно в отношении их размера и поперечного сечения. Однако для них требуется несколько рядов аэродинамических поверхностей для достижения большого повышения давления, что делает их сложными и дорогими по сравнению с другими конструкциями (например, центробежными компрессорами).

Осевые компрессоры являются неотъемлемой частью конструкции больших газовые турбины такие как реактивные двигатели, высокоскоростные судовые двигатели и малые электростанции. Они также используются в промышленных приложениях, таких как установки разделения воздуха большого объема, доменная печь воздух, жидкость каталитический воздух крекинга и пропан дегидрирование. Благодаря высокой производительности, высокой надежности и гибкости работы в режиме полета они также используются в аэрокосмический двигатели.^[2]

Типичное применение	Тип потока	Степень давления на ступень	Эффективность на этап[2]
Промышленное	Дозвуковой	1.05–1.2	88–92%
Аэрокосмическая промышленность	Трансзвуковой	1.15–1.6	80–85%
Исследование	Сверхзвуковой	1.8–2.2	75–85%

Описание

Компрессор в Пратт и Уитни TF30 турбовентиляторный двигатель.

Осевые компрессоры состоят из вращающихся и стационарных компонентов. Вал приводит в движение центральный барабан, который удерживается подшипниками внутри неподвижного трубчатого корпуса. Между барабаном и кожухом расположены ряды аэродинамических поверхностей, каждый ряд которых попеременно соединен либо с барабаном, либо с кожухом. Пара из одного ряда вращающихся профилей и следующего ряда неподвижных профилей называется ступенью. Вращающиеся аэродинамические поверхности, также известные как лопасти или роторы, ускоряют жидкость как в осевом, так и в окружном направлении. Стационарные аэродинамические поверхности, также известные как лопатки или статоры, преобразуют увеличенную кинетическую энергию в статическое давление за счет распространение и перенаправить 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 оптимального число Маха осевая скорость при сжатии жидкости.

За работой

Поскольку жидкость входит и выходит в осевом направлении, центробежная составляющая в уравнении энергии не играет роли. Здесь сжатие полностью основано на рассеивающем действии каналов. Рассеивающее действие в статоре преобразует абсолютный кинетический напор жидкости в повышение давления. Относительный кинетический напор в уравнении энергии - это член, 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 ее в повышение давления. Проектирование канала ротора с диффузионной способностью может привести к повышению давления в дополнение к его нормальному функционированию. Это приводит к большему увеличению давления на каждой ступени, которая вместе составляет статор и ротор. Это принцип реакции в турбомашины. Если 50% подъема давления на ступени достигается в секции ротора, считается, что реакция происходит на 50%.^{[нужна цитата ]}

дизайн

Повышение давления, создаваемое одной ступенью, ограничивается относительной скоростью между ротором и жидкостью, а также способностью к вращению и диффузии аэродинамических поверхностей. Типичная ступень промышленного компрессора будет производить повышение давления от 15% до 60% (соотношение давлений 1,15–1,6) в расчетных условиях с политропный КПД в районе 90–95%. Для достижения различных соотношений давлений осевые компрессоры имеют разное количество ступеней и скорость вращения. На основе практического опыта мы можем предположить, что каждая ступень данного компрессора имеет одинаковое повышение температуры (Delta T). Следовательно, на входе температура (Tstage) каждой ступени должна постепенно увеличиваться через компрессор, а входное отношение (Delta T) / (Tstage) должно уменьшаться, что подразумевает постепенное уменьшение степени сжатия ступени через установку. Следовательно, задняя ступень развивает значительно более низкий коэффициент давления, чем первая ступень. Более высокие отношения давления ступени также возможны, если относительная скорость между жидкостью и роторами является сверхзвуковой, но это достигается за счет эффективности и удобства работы. Такие компрессоры со степенью сжатия ступеней более 2 используются только там, где минимизация размера, веса или сложности компрессора имеет решающее значение, например, в военных реактивных самолетах.

Профили аэродинамического профиля оптимизированы и согласованы для определенных скоростей и поворота. Хотя компрессоры могут работать в других условиях с другими потоками, скоростями или отношениями давления, это может привести к снижению эффективности или даже частичному или полному нарушению потока (известному как остановка компрессора и скачок давления соответственно). Таким образом, практический предел количества ступеней и общего перепада давлений возникает из-за взаимодействия различных ступеней, когда требуется работа вне проектных условий. Эти «нерасчетные» условия могут быть в определенной степени смягчены путем обеспечения некоторой гибкости компрессора. Обычно это достигается за счет использования регулируемых статоров или клапанов, которые могут стравливать жидкость из основного потока между ступенями (межступенчатый выпуск). В современных реактивных двигателях используется ряд компрессоров, работающих с разными скоростями; 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 и выходящей из лопасти ротора

Закон момент импульса утверждает, что сумма моментов внешних сил, действующих на жидкость, временно занимающую контрольный объем равно чистому изменению потока углового момента через контрольный объем.

Закручивающаяся жидкость поступает в контрольный объем на радиусе ${\displaystyle r_{1}\,}$, с тангенциальной скоростью, ${\displaystyle V_{w1}\,}$, и уходит в радиусе, ${\displaystyle r_{2}\,}$, с тангенциальной скоростью, ${\displaystyle V_{w2}\,}$.

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

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

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

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

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

${\displaystyle \alpha }$ угол направляющей лопатки и ${\displaystyle \beta }$ угол лезвия.

Скорость изменения количества движения 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 идеальным движущимся ножом, 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:

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

Следовательно,

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

что означает,

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

Изэнтропическое сжатие в лопатке ротора,

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

Следовательно,

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

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 из лопасти ротора называется реакцией. давление. Изменение энергии давления рассчитывается через степень реакции.

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

Следовательно,

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

Тактико-технические характеристики

Причины, указывающие на разницу в идеальной и фактической кривой производительности осевого компрессора

Нестабильность

Greitzer^[4] использовали модель системы сжатия типа резонатора Гельмгольца для прогнозирования переходной характеристики системы сжатия после небольшого возмущения, наложенного на установившееся рабочее состояние. Он нашел безразмерный параметр, который предсказал, какой режим нестабильности компрессора, вращающийся срыв или помпаж, приведет к этому. Параметр использовал частоту вращения ротора, частоту резонатора Гельмгольца системы и «эффективную длину» канала компрессора. Он имел критическое значение, которое предсказывало вращающийся срыв или помпаж, при котором крутизна отношения давлений к потоку изменялась с отрицательного на положительный.

Стабильная производительность

Производительность осевого компрессора указана на карта компрессора, также известная как характеристика, путем построения графика отношения давлений и эффективности в зависимости от скорректированного массового расхода при различных значениях скорректированной скорости компрессора.

Осевые компрессоры, особенно близкие к их расчетной точке, 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, то есть нестандартный, компрессора от холостого хода до максимальной скорректированной частоты вращения ротора, которая для гражданского двигателя может иметь место на вершине набора высоты или, для боевого двигателя военного назначения, при взлет в холодный день.^[5] Не показан диапазон рабочих характеристик на холостом ходу, необходимый для анализа нормального поведения на земле и при запуске ветряной мельницы в полете.

Производительность одной ступени компрессора может быть показана путем построения графика сценическая загрузка коэффициент (${\displaystyle \psi \,}$) как функция коэффициента расхода (${\displaystyle \phi \,}$)

Отношение давления ступени к расходу ниже, чем для ступени без потерь, как показано. Потери из-за трения лезвия, разделение потока, неустойчивый поток и расстояние между лопатками.

Внепроектная эксплуатация

Отклонение от расчетной характеристики осевого компрессора. Коэффициент загрузки ступени (${\displaystyle \psi \,}$) как функция коэффициента расхода (${\displaystyle \phi \,}$)

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

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

(1)

${\displaystyle \tan \alpha _{2}={\frac {1}{\phi }}-\tan \beta _{2}\,}$

(2)

из уравнений (1) и (2)

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

Значение ${\displaystyle (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,}$ не меняется для широкого диапазона рабочих точек до остановки. Также ${\displaystyle \alpha _{1}=\alpha _{3}\,}$ из-за незначительного изменения угла наклона ротора и статора, где ${\displaystyle \alpha _{3}\,}$ угол наклона лопастей диффузора.

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

Представление проектных значений с помощью (')

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

(3)

для внепроектных работ (от экв. 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.

Пульсирующий

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

На графике зависимости давления от расхода линия, разделяющая график между двумя областями - нестабильной и стабильной, известна как линия помпажа. Эта линия образуется путем соединения точек помпажа на разных оборотах. Неустойчивый поток в осевых компрессорах из-за полного нарушения установившегося сквозного потока называется помпажем.^[1] Это явление влияет на производительность компрессора и нежелательно.

Цикл помпажа

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

Пусть начальная рабочая точка D (${\displaystyle {\dot {m}},P_{D}\,}$) при некоторых оборотах N. При уменьшении расхода на тех же оборотах в минуту вдоль характеристической кривой путем частичного закрытия клапана давление в трубопроводе увеличивается, о чем будет заботиться увеличение входного давления в компрессоре. При дальнейшем увеличении давления до точки P (точка помпажа) давление компрессора будет увеличиваться. При дальнейшем движении влево при постоянных оборотах давление в трубе будет увеличиваться, но давление компрессора будет уменьшаться, что приведет к обратному потоку воздуха в сторону компрессора. Из-за этого обратного потока давление в трубе будет уменьшаться, потому что это неравномерное давление не может сохраняться в течение длительного периода времени. Хотя положение клапана установлено для более низкого расхода, например, в точке G, но компрессор будет работать в соответствии с нормальной стабильной рабочей точкой, например, E, поэтому будет следовать путь E-F-P-G-E, что приведет к нарушению потока, следовательно, давление в компрессоре упадет дальше до точки H (${\displaystyle P_{H}\,}$). Это увеличение и уменьшение давления в трубе будет повторяться в трубе и компрессоре после цикла E-F-P-G-H-E, также известного как цикл помпажа.

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

Остановка

Остановка двигателя - важное явление, влияющее на производительность компрессора. Анализируется вращающийся срыв в компрессорах многих ступеней с целью определения условий, при которых может возникать искажение потока, которое является устойчивым в движущейся системе отсчета, даже если общее статическое давление на входе и выходе остается постоянным. В компрессоре предполагается гистерезис повышения давления.^[6] Это ситуация отрыва воздушного потока на аэрофольговых лопатках компрессора. Это явление в зависимости от профиля лопасти приводит к снижению сжатия и падению мощности двигателя.

Положительное торможение

Отрыв потока происходит на всасывание сторона лезвия.

Отрицательное срывание

Разделение потока происходит на нагнетательной стороне лопасти.

Отрицательный срыв пренебрежимо мал по сравнению с положительным срывом, потому что разделение потока меньше всего происходит на стороне нагнетания лопасти.

В многоступенчатом компрессоре на ступенях высокого давления осевая скорость очень мала. Значение срыва уменьшается с небольшим отклонением от расчетной точки, вызывая срыв около втулки и областей наконечника, размер которых увеличивается с уменьшением расхода. Они увеличиваются в размерах при очень низкой скорости потока и влияют на всю высоту лопасти. Давление нагнетания значительно падает из-за большого срыва, что может привести к реверсированию потока. Эффективность ступени падает с увеличением потерь.

Вращающийся срыв

Смотрите также: Остановка компрессора

Неравномерность воздушного потока в лопастях 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 движущимися лопастями, скажем, вправо. Если некоторые лопасти будут получать поток при более высоком падении, эта лопасть остановится положительно. Он создает препятствие в проходе между лезвием слева и им самим. Таким образом, левая лопасть будет получать поток при большем падении, а лопасть справа от нее - при уменьшении. Левое лезвие будет испытывать более сильное срывание, тогда как правое лезвие будет испытывать меньшее срывание. По направлению вправо срывание уменьшается, в то время как влево увеличивается. Движение вращающегося стойла можно наблюдать в зависимости от выбранной системы отсчета.

Эффекты

• Это снижает эффективность компрессора.
• Принудительно вибрации в лопастях за счет прохода через стойло.
• Эти вынужденные колебания могут совпадать с собственной частотой лопастей, вызывая резонанс и, следовательно, выход из строя лопасти.

Развитие

С точки зрения энергообмена осевые компрессоры представляют собой реверсивные турбины. Конструктор паровых турбин Чарльз Алджернон Парсонс, например, признали, что турбина, которая производит работу за счет статического давления текучей среды (то есть реакционная турбина), может иметь обратное действие, чтобы действовать как воздушный компрессор, называя это турбокомпрессором или насосом. Его лопасти ротора и статора описаны в одном из его патентов.^[7] имели небольшой прогиб или не имели его вообще, хотя в некоторых случаях конструкция лопастей была основана на теории пропеллера.^[8] Машины, приводимые в движение паровыми турбинами, использовались в промышленных целях, например, для подачи воздуха в доменные печи. В 1901 году компания Parsons поставила первый коммерческий компрессор с осевым потоком для использования на свинцовом заводе.^[9] Машины Парсонса имели низкий КПД, что позже было связано с остановкой лопастей, и вскоре были заменены более эффективными центробежными компрессорами.Браун Бовери и Си произвела компрессоры с «реверсивной турбиной», приводимые в действие газовыми турбинами, с лопастями, полученными в результате аэродинамических исследований, которые были более эффективны, чем центробежные типы, при перекачивании 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 работ в начале 1920-х годов утверждалось, что практический реактивный двигатель невозможно построить. Все изменилось после А. А. Гриффит опубликовал основополагающую статью в 1926 году, отметив, что причиной низкой производительности было то, что в существующих компрессорах использовались плоские лопасти и они, по сути, «летели» остановился ". Он показал, что использование профили вместо плоских лопастей повысит эффективность до такой степени, что практический реактивный двигатель станет реальной возможностью. В заключение он привел принципиальную схему такого двигателя, которая включала в себя вторую турбину, которая использовалась для привода гребного винта.

Хотя Гриффит был хорошо известен благодаря своей более ранней работе над усталость металла и стресс измерения, похоже, что небольшая работа была начата как прямой результат его статьи. Единственным очевидным усилием был компрессор на испытательном стенде, построенный Хейн Констан, Коллега Гриффита по Royal Aircraft Establishment. Другие ранние попытки реактивных двигателей, в частности, Фрэнк Уиттл и Ганс фон Охайн, были основаны на более надежных и понятных центробежный компрессор который широко использовался в нагнетатели. Гриффит видел работу Уиттла в 1929 году и отклонил ее, отметив математическую ошибку, и продолжил утверждать, что фронтальный размер двигателя сделает его бесполезным на высокоскоростном самолете.

Настоящая работа над двигателями с осевым потоком началась в конце 1930-х годов, и все они были начаты примерно в одно время. В Англии Хейн Констант достиг соглашения с паротурбинной компанией. Метрополитен-Виккерс (Метровик) в 1937 году, начав свой турбовинтовой В 1938 году они были основаны на конструкции Гриффита. В 1940 году, после успешной реализации конструкции Уиттла с центробежным потоком, их усилие было преобразовано в чистую струю. Метровик Ф.2. В Германии фон Охайн произвел несколько работающих центробежных двигателей, некоторые из которых летали, включая первый в мире реактивный самолет (Он 178 ), но усилия по разработке перешли на Юнкерс (Jumo 004 ) и БМВ (BMW 003 ), которая использовала осевую конструкцию в первом в мире реактивном истребителе (Messerschmitt Me 262 ) и реактивный бомбардировщик (Арадо Ар 234 ). В США оба Локхид и General Electric в 1941 г. получили контракты на разработку осевых двигателей, бывших чистая струя, последний турбовинтовой. Northrop также начали свой собственный проект по разработке турбовинтового двигателя, который ВМС США в конечном итоге в 1943 г. Westinghouse также участвовали в гонке в 1942 году, их проект оказался единственным успешным проектом США, позже ставший J30.

Как первоначально заметил Гриффит в 1929 году, большой фронтальный размер центробежного компрессора заставил его иметь более высокое сопротивление, чем у более узкого типа с осевым потоком. Кроме того, конструкция с осевым потоком может улучшить его коэффициент сжатия просто добавив дополнительных ступеней и сделав двигатель немного длиннее. В конструкции с центробежным потоком сам компрессор должен был быть большего диаметра, что было намного сложнее правильно «установить» на самолет. С другой стороны, конструкции с центробежным потоком оставались гораздо менее сложными (основная причина, по которой они «выиграли» в гонке за летающими примерами) и, следовательно, играли роль в местах, где размер и рационализация не так уж и важны. По этой причине они остаются основным решением для вертолетных двигателей, где компрессор лежит ровно и может быть изготовлен любого необходимого размера без существенного нарушения обтекаемости.

Осевые реактивные двигатели

Схема осевого компрессора низкого давления Олимп BOl.1 турбореактивный.

При применении реактивного двигателя компрессор может работать в самых разных условиях.На земле при взлете давление на входе высокое, скорость на входе равна нулю, и компрессор вращается с разными скоростями при подаче 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.

Для такого широкого диапазона условий эксплуатации просто не существует «идеального» компрессора. Компрессоры с фиксированной геометрией, подобные тем, которые использовались в ранних реактивных двигателях, ограничены расчетным перепадом давления около 4 или 5: 1. Как и любой Тепловой двигатель, эффективность топлива тесно связан с коэффициент сжатия, поэтому существует очень сильная финансовая потребность в улучшении ступеней компрессора сверх таких передаточных чисел.

Дополнительно компрессор может стойло если условия впуска резко меняются, это обычная проблема ранних двигателей. В некоторых случаях, если остановка происходит около передней части двигателя, все ступени с этого момента прекращают сжимать воздух. В этой ситуации энергия, необходимая для работы компрессора, внезапно падает, а оставшийся горячий воздух в задней части двигателя позволяет турбине ускоряться.^{[нужна цитата ]} в целом двигатель резко. Это состояние, известное как помпаж, было серьезной проблемой для ранних двигателей и часто приводило к поломке турбины или компрессора и выпадению лопаток.

По всем этим причинам осевые компрессоры на современных реактивных двигателях значительно сложнее, чем на более ранних.

Катушки

Все компрессоры имеют оптимальную точку соотношения скорости вращения и давления, при этом более высокое сжатие требует 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 и высокого давления, причем последняя вращалась быстрее. Эта двухшпулька дизайн, впервые появившийся на Бристоль Олимп, что привело к повышению эффективности. Дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто за счет добавления третьей катушки, но на практике добавленная сложность увеличивает затраты на обслуживание до такой степени, что сводит на нет любые экономические преимущества. Тем не менее, используется несколько двигателей с тремя золотниками, возможно, самый известный из них - Роллс-Ройс RB211, используется на самых разных коммерческих самолетах.

Отвод воздуха, регулируемые статоры

Смотрите также: Стравить воздух

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

Более продвинутый дизайн, переменный статор, используются лопасти, которые могут индивидуально вращаться вокруг своей оси, в отличие от силовой оси двигателя. Для запуска они поворачиваются в положение «закрыто», уменьшая сжатие, а затем возвращаются обратно в воздушный поток, как того требуют внешние условия. В General Electric J79 был первым крупным примером конструкции регулируемого статора, и сегодня это обычная особенность большинства военных двигателей.

Постепенное закрытие регулируемых статоров по мере падения скорости компрессора уменьшает наклон линии помпажа (или остановки) на рабочей характеристике (или карте), улучшая запас по помпажу установленного агрегата. За счет включения переменных статоров на первых пяти этапах, Авиационные двигатели General Electric разработала десятиступенчатый осевой компрессор, способный работать с расчетным перепадом давления 23: 1.

Примечания к дизайну

Обмен энергией между ротором и жидкостью

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

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

Повышение давления приводит к температура застоя подъем. Для данной геометрии повышение температуры зависит от квадрата тангенциального число Маха роторного ряда. ток турбовентилятор Двигатели имеют вентиляторы, которые работают с частотой вращения 1,7 Маха или более, и требуют значительных ограждающих конструкций и шумоподавляющих конструкций для уменьшения повреждений лопастей и шума.

Карты компрессора

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. Рост давления показан на вертикальной оси как соотношение между давлением торможения на входе и выходе.

Линия помпажа или срыва определяет границу, слева от которой производительность компрессора быстро ухудшается, и определяет максимальный перепад давлений, который может быть достигнут для данного массового расхода. Очерчены контуры эффективности, а также характеристики работы на определенных скоростях вращения.

Стабильность при сжатии

Операционная эффективность наиболее высока вблизи линии стойла. Если давление на выходе превышает максимально возможное, компрессор остановится и станет нестабильным.

Обычно нестабильность будет на уровне Частота Гельмгольца системы с учетом нагнетательной камеры ниже по потоку.

Смотрите также

• Центробежный компрессор
• Конструкция осевого вентилятора

использованная литература

1. Яхья, С. (2011). Турбины, компрессоры и вентиляторы. Tata McGraw Hill Education Private Limited. 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, Э. М. (1 апреля 1976 г.). "Помпаж и вращающийся срыв в компрессорах с осевым потоком - Часть I: Теоретическая модель системы сжатия". Журнал инженерии 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 разработке цикла двигателя, Филпотт, стр. 2-8, 2-17.
6. Макдугалл, Нью-Мексико; Cumpsty, NA; Хайнс, Т.П. (2012). «Возникновение срыва в осевых компрессорах». Журнал турбомашиностроения. 112 (1): 116–123. Дои:10.1115/1.2927406.
7. https://patentimages.storage.googleapis.com/fb/91/1c/c561b6b80570db/US710884.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 «Инженер» от 27 мая 1938 г. Дополнение «Разработка воздуходувок и компрессоров», стр. Xxxiii.

Список используемой литературы

• Трегер, Ирвин Э. «Технология авиационных газотурбинных двигателей», 3-е изд., McGraw-Hill Book Company, 1995 г., 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. «Turbo-Machinery Dynamics: Design and Operation», Нью-Йорк: McGraw-Hill: 2005. ISBN  0-07-145369-5.
• Уилсон, Дэвид Гордон и Феодосиос Коракианитис. «Дизайн высокоэффективных турбомашин и турбин», 2-е изд., Прентис Холл, 1998. ISBN  0-13-312000-7.