Рабочий процесс в ступени компрессора

Ступень компрессора (рис. 88) состоит из рабочих лопаток /, расположенных на роторе 4 и неподвижных направляющих лопа- ■ ток 3, укрепленных в корпусе 2. Кольцевое сечение¹ ступени.

прессора на среднем диаметре и треугольники скоростей показаны на рис. 89, а, б.

На входе в каналы между рабочими лопатками поток облада­ет кинетической энергией, так, как он движется с некоторой скоростью С\. Так как ротор компрессора вращается и рабочие ло­патки движутся с окружной скоростью и, то относительная ско­рость о»! на входе в рабочие каналы будет направлена под 'углом Pi к плоскости вращения. В рабочих каналах однов­ременно совершаются два про­цесса: часть кинетической энергии потока преобразуются в потенциальную энергию и ме­ханическая работа, совершае­мая рабочими лопатками, пре­образуется в энергию потока. Каналы между рабочими ло­патками выполняются, как правило, расширяющимися, и поток в относительном движе­нии тормозится. В результате скорость ш₂ на выходе из рабочих каналов в относительном дви­жении меньше скорости w_it а давление потока в рабочей решетке заметно увеличивается (pz> pi). Вследствие подвода механической энергии увеличивается не только потенциальная, но и кинетичес­кая энергия потока.

В абсолютном движении поток за рабочими лопатками имеет скорость сг, которая обычно больше" скорости с\. С этой скоростью Сг поток под углом а₂ входит в каналы между направляющими лопатками, которые также выполняются расширяющимися. В ре-

Рис. 88. Ступень компрессора:

1, 3 — рабочая и направляющая лопатки, 2 —

корпус, 4 — ротор

Рис. 89. Кольцевое сечение ступени компрессора на сред­нем диаметре (а) и треугольники скоростей (б): / _ рабочая решетка, 2 — направляющая решетка

зультате часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию. Скорость с₃ за направляющей решеткой становится меньше скорости сг, а давление несколько возрастает (Рз> Рг)-

Тепловой процесс ступени компрессора можно изобразить в i. s-диаграмме (рис. 90). Если бы в ступени компрессора не было потерь, на сжатие 1 кг воздуха необходимо было бы затратить удельную работу

*-/.'■

Вследствие потерь в ступени реально затраченная на сжатие I кг воздуха работа оказывается больше. На i, s-диаграмме она изображается отрезком

•J — г*

Из треугольников скоростей (см. рис. 89, б) можно также по­лучить

l₀ = U (С_г COS a_a — Су COS а_х) = U (W_t COS Р_х — W₂ COS Р₂).

Отношение изоэнтропийной работы А к реально затраченной яа сжатие Ао называют изоэнтро-пийным кпд ступени компрессо­ра:

Так же как и в ступени тур­бины, в компрессоре часть рабо­ты ступени преобразуется в энер­гию потока в направляющей ре­шетке, а часть — в рабочей. От­ношение теплоперепада Ар, соот­ветствующего работе сжатия в рабочей решетке, к работе сту­пени h₀ — полному теплоперепаду на ступень — называют степенью реактивности ступени компрес­сора

Рис. 90. Тепловой процесс ступени компрессора в i, s-диаграмме

р=А₀=(с₂² —с₃²)/2. Обычно степень реактивности ступени компрессора на среднем диаметре 0, 5—1, 0. Так как поток в зазоре между направляющими и рабочими решетками вращается, давление в этом зазоре увели­чивается от корня к вершине рабочих лопаток. В результате пере­распределяются теплоперепады между направляющими и рабочими лопатками, а также изменяется степень реактивности. Распре­деление степени реактивности по высоте можно приближенно определить по формуле

Р = 1 - О - Рк)

где q_k, — степень реактивности у корня рабочей лопатки; d — диаметр сечения рабочей лопатки, на котором необходимо рассчитать степень реактивности.

Усилия, действующие на рабочие лопатки компрессора, опре­деляются так же, как усилия, действующие на рабочие лопатки турбины.

~ § 20. Определение числа ступеней и основных размеров компрессора

В современных газотурбинных установках оптимальная степень сжатия зависит от их схемы, а также начальной температуры газа Т_с и изменяется в широких пределах (от 6 до 26). Расходы воз­духа при этом, как правило, велики. В этих условиях оказывается

выгодным использовать для сжатия воз­духа многоступенчатые осевые компрес­соры.

При оптимальной степени сжатия В—13 число ступеней получается равным 12—14. Ротор с таким числом ступеней можно разместить в одном корпусе. При еще больших степенях сжатия число ступеней увеличивается настолько, что в одном корпусе разместить их не удается и компрессоры выполняют двух- или ' трехкорпусными.

Тепловой процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре в i, s-диаграмме показан на рис. 91. Перед пер­вой ступенью компрессора устанавлива­ют входные лопатки, в каналах между которыми поток ускоряется и приобрета­ет нужное направление. Иногда эти ло­патки изготавливают поворотными, что позволяет при работе ГТУ изменять нап­равление потока перед первой ступенью и повышает устойчивость, а также кпд компрессора на режимах частичных нагрузок.

За последней ступенью компрессора устанавливают спрямляю­щие лопатки, каналы между которыми выполняют расширяющи­ми, что дает возможность преобразовывать часть кинетической энергии потока за последней ступенью компрессора с*& /2 в по­тенциальную (увеличить давление воздуха). За спрямляющими

Рис. 91. Тепловой процесс сжатия воздуха в многосту­пенчатом компрессоре в t, 5-диаграмме

лопатками, скорость потока уменьшается и он движется в направ­лении оси вращения ротора.

Чтобы за счет кинетической энергии потока.еще в большей степени повысить его давление, за спрямляющими лопатками ус­танавливают кольцевой расширяющийся канал-диффузор. В диф­фузоре скорость потока вновь уменьшается и растет его давление. После диффузора воздух направляется через выхлопной патрубок в камеру сгорания либо в регенератор или непосредственно по­ступает в камеру сгорания.

Так как число ступеней г определяется как отношение общего теплоперепада Я_к на компрессор к среднему теплоперепаду Л_Ср на его Ступень (г=#_к/Л_Ср), то предварительно необходимо рассчитать эти величины по формулам:

где h_t и h_z — теплоперепады на первой и последней ступенях ком­прессора.

Для определения диаметров первой и последней ступеней и вы­соты лопаток прежде все-го следует рассчитать окружную скорость периферии рабочих лопаток первой ступени

')'

где «— частота вращения ротора; Vi=G/q₁ — объемный расход воздуха; q₄ — плотность воздуха в первой ступени компрессора; vi = diu/din — относительный диаметр втулки первой ступени; < pi=^ = c_ls/uin — коэффициент расхода (c_is==c_i sin ai — меридиональная составляющая скорости потока).

Частоту вращения (с^-1) ротора можно приближенно рассчитать по формуле

n ~ (300-=~1200)/J/V7.

Значение vi выбирают в пределах 0, 5—0, 8, а ф1 —0, 3—0, 5.

Рассчитав окружную скорость u_in, можно определить диамет­ры периферии и корня лопаток первой ступени:

Высоту рабочих лопаток первой ступени компрессора опреде­ляют по формуле

p

Теплоперепад на первую ступень ориентировочно можно рас­считать по формуле

fti = 0, 8u_lKc_ls.

Для определения размеров последней ступени необходимо прежде всего выбрать закон изменения одного из ее диаметров вдоль проточной части. Так, при постоянном диаметре периферии рабочих лопаток (е(щ=const) получают наименьшее число ступе­ней- и диаметр корня рабочих лопаток последней ступени опреде­ляют по формуле.

d-гк =

V™> _z

где V_z—G/qz — объемный расход воздуха через последнюю сту­пень {q_z — плотность воздуха за последней ступенью). Высота рабочих лопаток последней ступени

Зная йгк, определяют

а затем теплоперепад на последнюю ступень.

•в*

Pff'1

причем Czs выбираются равной ci_s или меньше нее. Число ступеней округляют до ближайшего целого.