Осевой, как и центробежный компрессор, относится к классу динамических машин или турбокомпрессоров.
Видео:Лекция 3 Основы рабочего процесса ВРД. Часть 1 Работа ступени осевого компрессораСкачать
Устройство и принцип работы осевого компрессора
Степень сжатия газа на одном осевом рабочем колесе, не превышает 1,3, поэтому центробежные турбокомпрессоры, как правило, изготавливаются многоступенчатыми. Число ступеней в осевых машинах может достигать 20.
Под ступенью осевого компрессора понимают совокупность ряда рабочих лопаток и последующий направляющий аппарат, если он имеется.
Схема осевого турбокомпрессора показана на рисунке.
Воздух или другой газ поступает в компрессор через всасывающий патрубок. Через входной направляющий аппарат он поступает на лопатки первой ступени. В результате воздействия лопаток на частицы газа, скорость потока увеличивается, через направляющий аппарат он поступает на вход последующей ступени, и так далее. После прохождения всех ступеней сжатый воздух, или другой газ поступает в напорную магистраль.
Рабочие лопатки
Рабочие лопатки воздействуют на поток газа, передавая ему энергию, они являются важнейшим элементом турбокомпрессора. Создание направляющих и рабочих лопаток оптимального профиля позволяет обеспечить высокий КПД осевого турбокомпрессора.
Рабочие лопатки могут изготавливаться совместно с промежуточным телом, или отдельно от него. Во втором случае следует обеспечить надежное крепление лопаток на вращающемся теле, т.к лопатки будут подвержены значительным нагрузкам, а наличие зазоров в соединении может привести к появлению вибрации.
Направляющие лопатки
Направляющие лопатки крепятся на неподвижной части осевого компрессора, они не подвержены воздействию центробежных сил. Направляющий аппарат позволяет достичь оптимальных характеристик потока на входе последующей ступени сжатия.
Входной направляющий аппарат
На входе осевого компрессора может быть установлен направляющий аппарат, который представляет из себя набор лопаток, закручивающих поток, в сторону вращения рабочего колеса, или в противоположную сторону в зависимости от конструктивных особенностей компрессора.
Видео:Многоступенчатый центробежный компрессорСкачать
Комбинированный центробежно-осевой компрессор
Комбинированным называют многоступенчатый лопастной компрессор, у которого первые ступени сжатия являются осевыми, а последняя — центробежной. Комбинированный компрессор, позволяет обеспечить большую, чем при использовании осевой машины, степнь сжатия, сохраняя высокий КПД.
Схема комбинированного центробежно-осевого компрессора показана на рисунке.
Газ подводится к всасывающему патрубку и поступает на осевые лопатки первой ступени, после которых установлен направляющий аппарат, затем газ поступает на следующую осевую ступень, где степень сжатия газа увеличивается. После прохождения всех осевых лопаток газ поступает в центральную часть центробежного колеса. В результате взаимодействия с лопатками центробежного рабочего колеса, газ под действием центробежной силы поступает в отводящее устройство и направляется в напорную магистраль.
Видео:Центробежный компрессорСкачать
Применение осевых компрессоров
Осевые компрессоры используют в доменном производстве на металлургических предприятиях, в газотурбинных установках, авиационных реактивных двигателях, для обеспечения наддува двигателей внутреннего сгорания.
Видео:Как работаетй осевой компрессор или вентиляторСкачать
Тема 3 Осевые компрессоры
Осевой компрессор – это лопаточная машина, предназначенная для сжатия атмосферного воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Осевой компрессор приводится во вращение газовой турбиной.
На рисунке 6 показана принципиальная схема многоступенчатого осевого компрессора. Обозначениями на схеме показаны: 1 – входной патрубок, 2 – концевые уплотнение, 3 – опоры ротора, 4 входной направляющий аппарат, 5 – рабочие лопатки, 6 – направляющие лопатки, 7 – корпус, 8 – спрямляющий аппарат, 9 – диффузор, 10 – выходной патрубок, 11 – ротор.
Рисунок 6 – Принципиальная схема многоступенчатого ОК
Осевой компрессор состоит из следующих основных узлов:
Статор ОК, который так же является его корпусом. В проточной части статора установлены направляющие лопатки, которые служат для изменения величины и направления скорости потока воздуха. Так же в статорной части устанавливаются опоры ротора.
Ротор с закрепленными на нем рабочими лопатками, которые лопатки служат для сообщения энергии потоку воздуха. Ротор ОК соединен с ротором турбины. Совокупность одного ряда рабочих лопаток и одного направляющих лопаток аппарата называется ступенью осевого компрессора, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7 – Ступень осевого компрессора.
При прохождении воздушного потока через рабочее колесо ОК возрастает давление, температура и абсолютная скорость, так как рабочее колесо вращается, и межлопаточный канал имеет диффузорную форму. При прохождении через сопловой аппарат давление и температура продолжают расти, но абсолютная скорость падает, так как сопловой аппарат статичен и тоже имеет диффузорную форму. На рисунке 8 показаны графики изменения давления, температуры и абсолютной скорости потока воздуха при прохождении через ступень ОК.
Читайте также: Вкл выкл компрессора кондиционера
Рисунок 8 – Графики изменения давления, температуры и абсолютной скорости воздушного потока
Пространство между соседними лопатками называется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал, как между рабочими лопатками, так и между направляющими является диффузорным, то есть расширяющимся.
Для исключения перетекания воздуха из проточной части ОК в подшипниковые полости, а так же исключения проникновения масляных паров из подшипников в проточную часть, устанавливаются концевые уплотнения. В основном в газотурбинных двигателях на осевых компрессорах применяют лабиринтные уплотнения.
В качестве опор ротора ОК применяются подшипники качения или подшипники скольжения. Подшипники скольжения применяются для тяжелых роторов ГТУ, применяемых в стационарных ГПА. Подшипники качения применяются для более легких роторов авиационных и судовых двигателей.
Довольно высокая степень газодинамической инертности осевых компрессоров является причиной того, что компрессор относительно медленно набирает обороты, обладает низкой приемистостью. Так как осевые компрессоры приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, смена режимов работы таких турбокомпрессоров занимает довольно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады: компрессор низкого давления со своей отдельной турбиной устанавливается на валу, пропущенном через полый вал следующего за ним компрессора высокого давления и его турбины. Возможно так же разделение на три каскада: компрессор низкого давления, компрессор среднего давления, компрессор высокого давления.
Данное решение улучшило работу компрессоров на переходных режимах, а также повысило их газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости ОК стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя
На рисунке 9 и представлен однокаскадный газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2 применяемый в ГПА-16 «Урал».
На рисунке обозначены: 1 – входное устройство; 2 – входной корпус компрессора с центральным приводом; 3 – компрессор газогенератора; 4– камера сгорания; 5 – турбина газогенератора; 6 – турбина свободная (силовая); 7 – задняя опора; 8 – вал отбора мощности; 9 – коробка приводов; 10 – стартер.
Рисунок 9 – Газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2
На рисунке 10 представлен двухкаскадный газотурбинный двигатель ДГ90Л2.1 применяемый в ГПА-Ц1-16С, ГПА-Ц1-16РС, ГПА-16 «Волга», ГПА-16ДГ «Урал»
Рисунок 10 – Газотурбинный двигатель ДГ90Л2.1
На рисунке обозначены: 1 – входной направляющий аппарат; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания; 5 – турбина высокого давления; 6 – турбина высокого давления; 7 – свободная (силовая) турбина; 8 – рама; 9 – выносная коробка приводов; 10 – нижняя коробка приводов
На рисунке 11 показан трехкаскадный газотурбинный двигатель НК-36СТ применяемый в ГПА-Ц-25БД, ГПА-Ц-25НК, ГПА «Нева-25НК-Р».
Рисунок 11 – Газотурбинный двигатель НК-36СТ
Межлопаточные каналы (профиль и угол установки лопаток) всех ступеней компрессора профилируются исходя из расчетного режима (номинального режима).
При пуске на низких частотах вращения малый расход воздуха приводит к уменьшению осевой скорости и разрыву потока, что и вызывает появление срывов на первых ступенях компрессора. При этом последние ступени могут работать в турбинном режиме или в режиме запирания. Такое явление называется помпажем осевого компрессора.
Помпаж характеризуется нерасчетными знакопеременными нагрузками на все узлы и детали компрессора вплоть до их разрушения.
Внешние проявления помпажа: нехарактерный гул; повышенная вибрация; хлопки удары; обратный выброс воздуха на вход.
Для предотвращения явления помпажа осевого компрессора существует противопомпажная механизация, которая в себя включает установку на корпусе ОК клапанов перепуска воздуха и управляемых лопаток ВНА и НА первых ступеней. Сброс воздуха через открытые КПВ, установленные в средней части компрессора, позволяет одновременно увеличить расход воздуха через первые ступени и уменьшить через последние, приблизив режимы их работы к расчетным. Места установки, количество и проходные сечения КПВ рассчитываются для каждого двигателя индивидуально.
Читайте также: Подшипник для компрессора кондиционера лада калина
На рисунке 12 показана газодинамическая схема газотурбинного двигателя НК-14СТ с перепуском воздуха из средней части корпуса ОК через КПВ.
Рисунок 12 – Газотурбинный двигатель НК-14СТ
На рисунке обозначены: 1 – перепуск воздуха из компрессора; 2 – отбор воздуха на нужды ГПА; 3 – отбор воздуха на эжектор для охлаждения; 4 – подвод воздуха от эжектора.
Так же для борьбы с помпажем применяется рассмотренный выше способ разделения осевого компрессора на два или более каскада, вращающихся независимо друг от друга с различными скоростями вращения.
Видео:Как работает торцевое уплотнение? / Центробежный насосСкачать
Осевой компрессор
Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рис. 2.1. Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рис. 2.5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.
Рис. 2.1 Схема многоступенчатого осевого компрессора:
1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор
Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу.
Лопатки компрессора 1 (рис. 2.2) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.
Рис. 2.2 Схема ступени осевого компрессора
Выбор числа каскадов компрессора
Разработка одновального осевого компрессора на степени повышения давления (πк) более семи связана с преодолением двух основных проблем:
— чрезмерно высокой быстроходности первых и низкой – последних ступеней из-за многократно уменьшающегося удельного объема вдоль проточной части при единой частоте вращения ротора; возникают неоптимальные условия для обеспечения высоких адиабатических КПД первых и последних ступеней;
— сильного рассогласования первых ступеней при запуске и частичных нагрузках, срывного обтекания с высокими динамическими напряжениями в лопаточном аппарате.
В авиадвигателестроении задача повышения πк была решена путем разработки многокаскадных компрессоров, когда механически соединены роторы компрессоров и турбин соответствующих давлений: ТНД вращает КНД, а ТВД — КВД. Эти группы турбомашин и называют каскадами. Для сохранения прямоточности и компактности двигателя вал, соединяющий КНД с ТНД, расположен концентрично внутри ротора КВД — ТВД. Компрессор на большую общую πк и турбина с высокой πт образованы турбо-машинами с малыми или умеренными (2,5 — 4,5) степенями повышения (понижения) давления, при этом каждый каскад имеет оптимальные быстроходности. Газодинамическая и прочностная проблемы здесь заменены сложным конструктивно-технологическим исполнением. Для транспортного двигателя с плотной компоновкой узлов при большой серийности производства дополнительное усложнение оправдано, тем более что другие способы повышения КПД (путем усложнения цикла) повлекли бы за собой рост удельной массы ГТД и его габаритов. При оптимальном конструировании такое исполнение обеспечивает и меньшую удельную массу ГТД.
Читайте также: Не работает компрессор мерседес 203
В стационарном газотурбостроении ГТУ с многокаскадным компрессором нашли ограниченное применение. Для машин большего ресурса их главным недостатком является усложнение ремонта на месте эксплуатации при большой стоимости транспортировки тяжелых узлов на завод или в ремонтный центр.
Достижение высоких πк в простом цикле стационарных ГТУ задержалось.
Сначала была решена задача управления однокаскадным компрессором при частичных режимах и на запуске — введением одного (РВНА), а затем и нескольких рядов регулируемых направляющих аппаратов (ПНА). Затем удалось оптимизировать проточную часть осевых компрессоров совмещением последних низконапорных ступеней с первыми, выполняя их трансзвуковыми. В начале 70-х годов в России и США были разработаны компрессоры с трансзвуковыми ступенями для энергетических ГТУ с постоянной частотой вращения (ЛМЗ, г. Ленинград, Дженерал Электрик). К концу 70-х годов созданы отечественные приводные ГТУ с трансзвуковыми компрессорами ( ГТН-16 ТМЗ). С середины 80-х годов этот подход нашел применение в приводных ГТУ зарубежных фирм (ГТУ Тип 10, АББ-Зульцер; «Марс» Солар — США; ПЖТ -10, Нуово Пиньоне, Италия).
Консерватизм стационарного газотурбостроения в части применения трансзвуковых компрессоров имел основания. В 60-х годах были разработаны (за рубежом и в России) изолированные дозвуковые ступени и малоступенчатые компрессоры, у которых адиабатический КПД при испытаниях достиг величины 95 — 94%. Трансзвуковые ступени обеспечивали тогда 83 — 85% при крутой газодинамической характеристике. Отрыв пограничного слоя в области скачков уплотнений был главным препятствием в достижении высокого КПД. Однако экспериментальные исследования последних 15 лет позволили повысить КПД трансзвуковых ступеней до 88 и даже 91%. Однокаскадный осевой компрессор стал конкурентоспособным с многокаскадным, а при умеренных (12 — 14) общих πк обеспечил более высокий интегральный КПД в связи с отсутствием промежуточных патрубков. Конструктивно-технологический облик ГТУ с однокаскадным компрессором обеспечивает существенно большую простоту изготовления, эксплуатации и, особенно, ремонта. При однокаскадном исполнении упрощается конструкция турбины, приводящей компрессор. Последнее относится к подшипникам, уплотнениям, системе охлаждения ротора. В однокаскадных компрессорах с большой степенью повышения давления (πк) из-за общей высокой быстроходности ротор нередко получается «гибким», т.е. его рабочая частота вращения находится выше или между критическими частотами системы (ротор — масляный слой подшипников -статор). Современные методы расчета, дополненные экспериментами на прототипах, позволяют качественно решать задачу на этапе конструирования машины без проблем для ее будущей эксплуатации.
В многовальном газогенераторе отдельные роторы турбомашин могут быть «жесткими». Но валопровод, образуемый при соединении роторов компрессоров и турбин соответствующих каскадов длинными промежуточными валами, может иметь несколько собственных частот в рабочем диапазоне режимов. Обеспечение малого уровня вибрации и стабильности во времени такой системы является достаточно сложной расчетно-экспериментальной задачей.
На каждом этапе научно-технического развития многовальный газогенератор позволяет создать ГТУ (ГТД) с существенно большей степенью повышения давления в цикле (πк), и только при такой постановке задачи имеет смысл его разработка. К концу 90-х годов при πк в однокаскадных компрессорах 12-18 многокаскадные обеспечивают ее значения 25-36 и более. Разработка стационарных ГТУ с многовальным газогенератором не исключена, но требует изысканий оригинальных технических решений. Прямое копирование конструкций транспортных ГТД для машин с на порядок большей массой узлов, малой серийностью приводит к отрицательному результату — к суммированию недостатков ГТУ двух разных назначений. Большинство газотурбостроительных фирм продолжает создание стационарных ГТУ как приводных, так тем более энергетических исключительно с одновальными газогенераторами. (Фирма АББ, Швейцария, разработала энергетическую ГТ-26 мощностью 240 МВт с πк=30 в однокаскадном компрессоре.)
На каком-то этапе выполнение нескольких рядов направляющих лопаток поворотными представлялось специалистам значительным усложнением компрессора. Однако разработка рациональной конструкции, оснащение производства перевели эту проблему в ряд обычных инженерных задач.
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
🔍 Видео
Рабочий процесс в осевой ступени турбиныСкачать
Пятиступенчатые центробежные компрессоры Dresser RandСкачать
Как работает центробежный газовый компрессорСкачать
Схема электропривода компрессора.Скачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 3.1.1. Принцип действия ступени компрессораСкачать
Как работает центробежный насос? Основные типы конструкций центробежных насосовСкачать
Рабочий процесс в осевой ступени турбиныСкачать
Устройство и принцип работы винтового компрессораСкачать
Все о компрессорахСкачать
Поршневой компрессорСкачать
Схема работы компрессора Atlas CopcoСкачать
Курс ""Турбомашины" Глава 3.2 Рабочий процесс центробежного компрессора. ч. 1 (лектор Батурин О.В.)Скачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 7.8 Зачем и как регулировать многоступенчатые компрессоры (Батурин О.В.)Скачать
Расчет ступени осевого компрессора в Ansys Импорт геометрии ч1Скачать
Действующая модель осевого компрессора | РЭП Холдинг | Газовый форумСкачать
