При рассмотрении рабочего процесса в центробежном компрессоре мы применяли рассечение рабочей ступени цилиндрической поверхностью диаметром D1 (ось цилиндрической поверхности совпадает с осью рабочего колеса – см. рисунок 2).
Рисунок 2. Сечение рабочего колеса центробежного компрессора цилиндрической поверхностью А-А.
Развернув эту поверхность на плоскость, мы получили плоскостное сечение рабочего колеса (рисунок 3).
Рисунок 3. Плоскостное сечение рабочего колеса центробежного компрессора.
Движение потока газа характеризуется следующими параметрами:
§ абсолютной скоростью С1 , с которой газ поступает на вход в рабочее колесо из входного устройства;
§ окружной (переносной) скоростью U1, с которой струйки газа вращаются вместе с рабочим колесом;
§ относительной скоростью W1, с которой поток газа движется относительно межлопаточного канала.
(Скорость W1 равна геометрической разности абсолютной C1 и окружной U1 скоростей W1= C1 – U1 . По правилу сложения векторов строится треугольник скоростей на входе в рабочее колесо (см. рисунок 3)).
§ Угол между вектором окружной скорости U1 и вектором относительной скорости W1 обозначается β1.
§ Конструкторский угол установки рабочих лопаток на диске на входе в рабочее колесо обозначается β1л .
Разница между углами β1 и β1л называется углом атаки α = β1 — β1л
Рабочая ступень центробежного компрессора профилируются исходя из определенного (расчетного) режима работы, который характеризуется расчетной частотой вращения ротора, степенью повышения давления в ступени и соответствующим расходом газа через ступень. На расчетном режиме обеспечивается устойчивая работа компрессора с максимальными значениями коэффициента полезного действия и степени повышения давления.
Поток на ходе в ступень имеет осесимметричное течение (вектор абсолютной скоростью С1 совпадает с осью рабочего колеса), при этом газ входит в межлопаточные каналы рабочего колеса безударно, так как вектор относительной скорости W1 совпадает с направлением передних кромок лопаток рабочего колеса ( ). Угол атаки потока во всех сечениях соответствует расчетному значению (α ≈ 0).
Вывод: проточная часть центробежного компрессора проектируется для наиболее эффективного (расчетного) режима работы, которому соответствуют вполне определенные скорости потока газа (относительная скорость W1, окружная скорость U1, абсолютная скорость C1, расчетный треугольник скоростей).
В процессе эксплуатации центробежный компрессор (нагнетатель газа) может работать на различных режимах и при различных условиях, которые не всегда соответствуют расчетным. При работе центробежного компрессора на нерасчетных режимах параметры потока (скорости, давление, температура) в сечениях проточной части по сравнению с расчетными изменяются. Проходные сечения, подобранные для расчетного режима, в этом случае не будут соответствовать новым значениям параметров потока и в проточной части центробежного компрессора (нагнетателя) возникает срыв потока с образованием зоны завихрения. В результате эффективность работы центробежного компрессора резко снижается. Такой режим работы называется неустойчивым.
Рассмотрим течение газа в проточной части центробежного компрессора на режимах работы, отличающихся от расчетного (см. рисунок 4).
Расход газа через ступень центробежного компрессора прямо пропорционален осевой составляющей абсолютной скорости потока С1. Поэтому уменьшение или увеличение расхода газа Gв рассматривается как уменьшение или увеличение абсолютной скорости C1.
Видео:Как работаетй осевой компрессор или вентиляторСкачать
При уменьшении расхода газа от расчетного (Gв Gврасч) угол атаки α уменьшается (см. рисунок 4в). Возникают удары со стороны спинки лопатки, а со стороны корытца — срывы потока. Вихревая зона из-за повышенного давления на корытце прижимается к профилю лопатки и вглубь канала не распространяется. Гидравлические удары в лопатку и появление вихревой зоны увеличивает потери энергии, расходуемой на сжатие, что ведет к уменьшению степени повышения давления πк. Однако неустойчивой работы компрессора не наблюдается.
а) – расчетный режим; б) – расход газа меньше расчетного; в) – расход газа больше расчетного.
Рисунок 4. Характер обтекания лопаток РК ступени центробежного компрессора при изменении расхода газа.
Вывод: к неустойчивой работе центробежного компрессора приводит снижение расхода газа относительно расчетного значения и возникающие при этом срывы потока со спинки лопатки.
Неустойчивая работа центробежного компрессора (как и осевого компрессора) может проявляться в двух формах: помпаж или вращающийся срыв.
Вращающийся срыв возникает при обтекании потоком рабочих лопаток с положительными углами атаки, что как мы выяснили, связано с уменьшением расхода газа через центробежный компрессор. При достижении углом атаки критического значения происходит отрыв потока со спинок лопаток. При этом происходит снижение эффективной площади проходного сечения межлопаточных каналов, из-за чего происходит торможение потока и дальнейшее снижение расхода по проточной части компрессора.
Читайте также: Влагоотделитель для компрессора камоцци
При двух- или трехступенчатой схеме центробежного компрессора углы атаки возрастают во всех ступенях и срыв потока происходит на лопатках рабочих колес всех ступеней.
Лопатки, попавшие в зону срыва, сжимают газ неэффективно, давление за ними понижается, и через зону срыва происходит выброс ранее сжатого газа навстречу потоку. При этом зона срыва будет распространяться по направлению движения потока по проточной части, так как часть газа успевает выйти из нагнетательной улитки в трубопроводную обвязку.
В ограниченном пространстве кольцевой проточной части центробежного компрессора появление срывного режима течения на отдельных лопатках приводит к образованию дискретных срывных зон, которые вращаются в том же направлении, что и рабочее колесо, но с меньшей угловой скоростью. Поэтому данная форма неустойчивой работы и получила название вращающийся срыв. Возникновение вращающегося срыва приводит к падению напора ступеней центробежного компрессора, пульсациям давления и расхода газа высокой частоты и малой амплитуды, вследствие чего возникают значительные вибрационные напряжения.
При определенном сочетании объемов проточной части центробежного компрессора и присоединенных к нему активных элементов (нагнетательной улитки, трубопроводной обвязки) может наблюдаться другая форма неустойчивой работы, которую называют помпажом.
Помпаж — продольные автоколебания потока, возникающие в результате потери динамической устойчивости течения потока в автоколебательной системой с активными элементами, от которых при колебаниях к потоку может подводиться или отводиться энергия. Помпаж может происходить с различными частотами, соответствующими разным формам колебаний. В отличие от вращающегося срыва при помпаже возникают колебания давления и расхода воздуха низкой частоты и большой амплитуды (частота составляет 0,5 – 2,0 Гц в зависимости от аккумулирующих характеристик присоединенных активных элементов; обычно частота колебаний близка к собственной частоте колебаний массы газа, заключенной в проточной части центробежного компрессора и присоединенных к нему активных элементов). Вследствие инерционных свойств газа возникающие автоколебания могут периодически изменять режим работы центробежного компрессора с нормального на неустойчивый и обратно.
Возникновение помпажа сопровождается шумовым эффектом (в виде хлопков или гула низкого тона) и сильной вибрацией всех элементов конструкции, что приводит к возникновению больших динамических нагрузок во всех элементах конструкции двигателя, а также быстрым ростом температуры газа.
Вывод: помпажные явления в центробежном нагнетателе газа сопровождаются несколькими явлениями, делающими работу нагнетателя неэффективной и опасной:
§Возникновение обратных потоков газа из выходного трубопровода в нагнетатель и через него во входной трубопровод (отрицательный расход газа);
§Резкая разгрузка приводного двигателя вследствие резкого падения расхода газа. На газотурбинных газоперекачивающих агрегатах это приводит к быстрому росту частоты вращения силовой турбины, что может вызвать серьезную аварию.
§ Резкие колебания расхода и давления вызывают значительную вибрацию нагнетателя, что приводит к возникновению значительных нагрузок на опорах, а также в узлах уплотнений вплоть до возможности их разрушения;
§ Нерасчётный режим обтекания лопаток приводит к переходу большого количества подводимой энергии в тепло и перегреву транспортируемого газа.
3. Помпаж компрессора и способы его устранения
В процессе эксплуатации двигателя компрессор работает в различных режимах и атмосферных условиях, не соответствующих расчетным. Проходное сечение, подобранное для расчетного режима, в этом случае не соответствует новым значениям параметров воздушного потока, что обуславливает возникновение срывов и завихрений.
Помпажом называется неустойчивая работа компрессора и всего двигателя, возникающая при периодическом срыве воздушного потока с рабочих лопаток и спрямляющего аппарата. Помпаж является одной из наиболее распространенных причин, приводящих к отказу двигателя. Основными причинами возникновения помпажа являются:
Видео:Рабочий процесс в осевой ступени турбиныСкачать
1) Резкое увеличение подачи топлива в камеру сгорания (рост
температуры газа перед турбиной Tr * , уменьшение абсолютной скорости воздуха по ступеням компрессора и секундного расхода воздуха через него Gв).
2) Боковой ветер со скоростью выше допустимой (снижение GB).
3) Неисправности в системе управления перепуском воздуха в компрессоре или поворотом лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) и спрямляющего аппарата (СА).
4) Попадание в газовоздушный тракт посторонних предметов (облом лопаток, заклинивание ротора, резкое снижение Gв).
5) Работа двигателя на нерасчетных режимах.
6) Повышенный износ лопаток (нарушение аэродинамики обтекания).
Читайте также: Компрессор danfoss sc15g характеристики
7) Повышенный уровень турбулентности потока на входе в двигатель.
При наступлении помпажа происходят следующие явления:
— возникают колебания давления, скорости и расхода воздуха в газовоздушном тракте;
— возникают колебания температуры газа перед турбиной вследствие импульсного поступления воздуха в КС;
— уменьшается частота вращения ротора, что приводит к уменьшению GB и степени повышения давления в компрессоре ПК * .
— самовыключение двигателя из-за нарушения устойчивости горения.
_Последствия возникновения помпажа ..
1) Обгорание или разрушение лопаток турбины из-за повышения Tr * и возникновения пульсаций воздушного потока.
2) Разрушение лопаток компрессора из-за колебаний параметров воздушного потока с большой амплитудой.
3) Разрушение элементов конструкции двигателя из-за повышенных вибраций.
1) Плавное изменение числа оборотов ротора турбокомпрессорной группы.
2) Перепуск части воздуха из первых ступеней компрессора в атмосферу или в последующие ступени.
3) Запуск двигателя с наветренной стороны.
Видео:Курс ""Турбомашины". Раздел 7.7 Вращающийся срыв (лектор Батурин О.В.)Скачать
4) Установка систем непрерывного автоматизированного контроля за изменением Tr * и частоты вращения турбокомпрессора.
5) Изменение углов установки лопаток ВНА и СА первых ступеней.
6) Перфорация корпуса компрессора над рабочими лопатками первых ступеней.
7) Установка на двигатель мощного стартера с автономным переключение питания с 24V на 48V (при запуске).
Известно, что помпаж двигателя определяется, в первую очередь, внезапным падением давления Р, возникающим за компрессором и увеличением температуры газов перед турбиной. Это позволяет выполнить датчик помпажа по следующей схеме, рис.1.
4. Параметры и качественные признаки технического состояния компрессора, используемые при его диагностировании
Смотри таблицу 1 приложения.
5. Характерные дефекты дисков компрессоров и турбин
Основными причинами разрушения дисков являются:
— низкое качество поковки и механической обработки;
— наличие посторонних включений в материалы;
— неправильная сборка и несовершенство контроля изготовления;
По данным бюро безопасности национального транспорта США (NTSB USA), 15% разрушений приходится на вентилятор, 47% — на компрессор и 38% — на турбину, причем, 58% — на набор высоты, 25%
— на взлет и посадку, 15% — на крейсерский режим. Разрушение дисков вызывает на самолете пожар (30%), повреждение топливной системы (15%), крыльев (40%) и кабины (15%). Из этого видно, что разрушение дисков является одним из наиболее опасных отказов двигателя. Сложный профиль дисков, отверстия в полотне и металлургические дефекты, создающие зоны концентрации напряжений, являются очагами усталостного разрушения. Способствующими факторами являются также риски от механической обработки и поверхностные остаточные растягивающие напряжения. Разрушение дисков может быть вызвано перегревом полотна диска в целом, местным перегревом отдельных его элементов или кратковременной статической перегрузкой, в следствии самопроизвольного возрастания оборотов ротора. Перегрев центральной, наиболее напряженной части диска, приводит к повышенной вытяжке. Этому способствуют высокий уровень статического напряжения от действия центробежных сил и пониженный уровень механических свойств материала.
Определение истинных причин разрушения диска сводится к решению следующих задач:
1) Определение числа оборотов в момент разрушения.
2) Определение поля температур, вызвавших пластическую деформацию диска.
(рис.1)
3) Определение типа напряженного состояния поверхностного слоя после изготовления (наклеп, растягивающие остаточные напряжения и так далее).
4) Определение величины пластической деформации.
Видео:Турбовентиляторный двигатель. Просто о сложномСкачать
5) Проверочный расчет на прочность по фактическим размерам и механическим свойствам материала.
От действующего термического напряжения при многократных повторах цикла «запуск-остановка» на ободной части диска могут возникать термические трещины, этому способствует наклеп от механической обработки и газовая коррозия по границам зерен.
В замковом соединении лопасти и диска турбины возможно появление усталостных трещин при неравномерном распределении усилий по зубьям «елочного» соединения. В замках также возможно появление фреттинг-коррозии, которая способствует возникновению усталостных трещин.
6. Параметры и качественные признаки технического состояния дисков компрессора и турбины, используемые при их диагностировании
Смотри таблицу 2 приложения.
7. Особенности работы камеры сгорания
В процессе работы ГТД на детали камеры сгорания (КС) действуют газовые и инерционные силы, а также усилия, возникающие вследствие неравномерного нагрева и вибраций. В наиболее тяжелых условиях работает жаровая труба КС температура стенок которой распределена неравномерно как по длине, так и по окружности проточной части, причем на отдельных участках указанная неравномерность достигает 1100 — 1300К. Наиболее сильно нагревается средняя часть жаровой трубы (ЖТ), там, где заканчивается область горения и начинается область смешения газового и вторичного потоков, рис.2.
Читайте также: Как крепится компрессор в холодильнике атлант
Для снижения температуры материала ЖТ часть вторичного потока воздуха поступает в её внутреннюю полость через отверстия, выполненные в стенке. Расположение и количество отверстий для подвода вторичного воздуха, определяется при экспериментальной доводке КС. Вторичный поток воздуха, проходя вдоль стенок ЖТ, создает воздушную пленку с пониженной температурой, не давая возможности горячим
газам соприкасаться со стенками ЖТ. Для защиты материала ЖТ от газовой коррозии и создания теплоизоляции внутренняя её поверхность покрывается специальной жаростойкой эмалью.
Колебания давления газов (помпажные явления), импульсная подача топлива, вибрационное горение вызывают вибрацию отдельных частей КС и могут привести к
усталостным разрушениям. Для снижения температурных напряжений и повышения вибропрочности крепление ЖТ должно обеспечивать возможность её свободного расширения.
Вследствие особенностей протекания рабочего процесса, значительных механических и тепловых нагрузок в процессе эксплуатации ГТД возможно появление следующих дефектов и нарушений работы КС:
1) Срыв пламени и прекращение горения топливо-воздушной смеси. (Помпаж компрессора, снижение массового секундного расхода расхода воздуха, снижение перепада давления в топливной магистрали).
2) Коробление ЖТ и ей прогар. (Помпаж компрессора, снижение массового секундного расхода воздуха, нагар на стенках ЖТ).
3) Образование термических и усталостных трещин на деталях КС.
4) Закоксовывание топливных форсунок.
Термические трещины и деформация вызываются циклическими изменениями температуры и зависят от теплопроводности материала, коэффициента термического расширения, прочности и упругости материала. Возникновению этих повреждений способствует нагарообразование на стенках ЖТ.
Нагарообразование — результат неполного сгорания топлива, вследствие чего частицы углерода осаждаются на деталях газовоздушного тракта. Это приводит к изменению условий охлаждения деталей. Изменение характеристик распыла форсунок при закоксовывании или засорении является причиной значительной неравномерности температурного поля.
Закоксовывание — результат отложения на поверхности форсунок
Видео:Лекция 2.1. Что такое лопатка турбомашины, и зачем она нужнаСкачать
смол и кокса, которые образуются при окислении топлива. Местное повышение температуры может также происходить из-за нарушения процесса смесеобразования и горения топлива в КС, что обусловлено избытком топлива, ухудшением его распыла или уменьшением количества подаваемого вторичного воздуха.
Камера сгорания является источником вторичных разрушений, так как даже небольшие отколовшиеся фрагменты ЖТ вызывают значительные повреждения лопаток и дисков турбины.
Колебания давления топлива в топливной магистрали вызывает колебания давления газа в КС, в результате чего резко возрастают вибрационные напряжения, особенно в том случае, когда частота этих колебаний совпадает с резонансными частотами жаровых труб и корпуса.
9. Параметры и качественные признаки технического состояния КС, используемые при её диагностировании
Смотри таблицу 3 приложения.
10. Особенности работы газовой турбины
Газовая турбина относится к одному из самых нагруженных как в тепловом, так и в механическом отношении узлов ГТД. Условия работы соплового аппарата и корпуса турбины определяются высокими температурами, давлением газов и общей вибрацией конструкции двигателя. На лопатки соплового аппарата действуют следующие силы:
— осевая сила, которая определяется разностью давлений, приложенных к поверхностям лопатки;
— сила, возникающая от разности скоростей потока;
— крутящий момент, вызванный окружной составляющей скорости истечения газов.
На корпус турбины действуют силы и моменты сил, передаваемые от соплового аппарата, а также внутреннее давление газа. Под действием знакопеременных тепловых нагрузок, в материале корпуса возникают значительные температурные напряжения.
Одной из основных причин, осложняющих условия работы лопаток и дисков турбины, является неравномерность полей давлений и температур перед турбиной, уровень которых определяется работой топливных форсунок и возможным помпажом компрессора.
Все это обуславливает возникновение вынужденных колебаний и
Если принять, что колебания лопаток вызываются лишь наличием соплового аппарата, то при частоте вращения ротора n = 20000об/мин и числе сопловых лопаток z = 39, частота вынужденных колебаний рабочих лопаток составит:
При возникновении резонансных явлений величина динамические напряжения резко возрастает.
Одним из мероприятий, обеспечивающих исключение резонансных
колебаний, является бандажирование. Крайнюю опасность представляет собой резкий заброс температуры газов, который наблюдается при запуске двигателя.
В связи с разнотолщинностью стенок лопаток интенсивность их прогрева на различных участках неодинакова, что может привести к возникновению значительных термических напряжений.
Центробежные силы вызывают в материале лопаток, кроме растяжения, скручивание и изгиб действие газового потока также обуславливает изгиб, скручивание, вибрацию, термическое растяжение и газовую эрозию.
- 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
источники:Видео:Как делают лопатки струйного компрессора реактивного двигателяСкачать
📽️ Видео
Ильдар Авто-подбор что такое Помпаж турбиныСкачать
Закон БернуллиСкачать
Центробежный компрессорСкачать
Реактивная Революция. Часть 1/ Техникум Марка СолонинаСкачать
В производстве лопаток центробежного компрессора можно настраивать производство#compressorСкачать
Профилирование лопатокСкачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 3.1.1. Принцип действия ступени компрессораСкачать
Шумоизоляция поршневого компрессора Remeza | Эксперимент | ЗамерыСкачать
Как работает центробежный насос? Основные типы конструкций центробежных насосовСкачать
В Рыбинске открылся крупнейший в стране Центр по изготовлению лопаток турбин для двигателейСкачать
МиГ-25. Генетика перехватчика | обзор от ЭКСПЕРТАСкачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 7.4 Изменение параметров по высоте компрессора (лектор Батурин О.В.)Скачать
Производство лопаток турбинСкачать
Рабочий процесс в осевой ступени турбиныСкачать
