Книга может оказаться полезной при изучении принципа работы, конструкции и эксплуатации газотурбинных авиационных двигателей.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Теория газотурбинных двигателей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Теория ступени компрессора ГТД
Компрессор газотурбинного двигателя служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.
Применение компрессора в ГТД позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя.
Компрессор ГТД должен удовлетворять следующим требованиям:
а) сжатие воздуха должно происходить при возможно большем КПД;
б) обеспечивается устойчивая работа двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов;
в) подвод воздуха в камеру сгорания производится без пульсаций давления, расхода и скорости потока;
г) обеспечение наименьшего веса и габаритов двигателя;
д) обеспечивается высокую надежность авиадвигателя.
Видео:Курс ""Турбомашины". Раздел 5.1.1. Характеристика компрессора лекция №1 (лектор Батурин О.В.)Скачать
Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые [1] или осецентробежные компрессоры.
Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия воздуха в отдельных его ступенях.
В современных газотурбинных двигателях наиболее часто используются осевые компрессоры, как наиболее полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах авиадвигателя по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления воздуха и большие расходы воздуха при высоких КПД и сравнительно малых габаритных размерах и массе.
Осевой компрессор ГТД имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.
Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом.
Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток (направляющих аппаратов), закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:
а) направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на рабочие лопатки расположенного за ними рабочего колеса;
б) спрямление потока, закрученного лопатками впереди находящегося рабочего колеса, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу по повышению давления воздуха.
Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.
Перед первым рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.
При вращении рабочего колеса за счет внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе рабочего колеса создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся (диффузорным) каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение его скорости.
Преобразование кинетической энергии воздушного потока, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления воздуха, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени компрессора.
Разрез лопаток ступени компрессора цилиндрической поверхностью образует решетку профилей рабочего колеса.
На входе в рабочее колесо скорость воздуха может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени компрессора или установки перед рабочим колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки с окружной скоростью «u». Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток «w» применим правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна относительной и переносной. Переносной скоростью будет окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.
Видео:Как настроить регулятор давления воздуха на гаражном компрессоре QUATTRO ELEMENTI KM 50-380Скачать
Треугольник, составленный из векторов «c», «u» и «w», является треугольником скоростей на входе в рабочее колесо.
Лопатки рабочего колеса должны быть установлены таким образом, чтобы передние кромки их были направлены по направлению вектора «w» или под небольшим углом к нему. Кривизна профилей лопаток выбирается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса был больше угла входа потока.
Направление потока за решеткой при безотрывном ее обтекании определяется в углом установки задней кромки лопатки.
Разворот потока воздуха в рабочем колесе компрессора приводит к возникновению на каждой лопатке аэродинамической силы «P» направленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля. Можно разложить силу «P» на две составляющие. Составляющую, направленную параллельно вектору окружной скорости, назовем окружной, а составляющую, направленную параллельно оси компрессора — осевой составляющей. Окружная составляющая направлена против движения лопаток колеса и противодействует их вращению. Для поддержания частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен крутящий момент. Работа, затрачиваемая на вращение колеса идет на увеличение энергии потока, прошедшего через колесо. Это проявляется в том, что обычно скорость потока за колесом оказывается больше скорости потока перед колесом, несмотря на одновременное увеличение давления.
Читайте также: Оквэд 2 компрессор для холодильника
Абсолютная скорость «с» на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника скоростей. Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.
Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток в обратную сторону. Форма лопаток подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости за ступенью соответствовало направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо. При этом, увеличивается поперечное сечение струи, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость потока в направляющем аппарате падает, а давление увеличивается.
Независимо от скорости набегающего на лопатки воздуха и формы проточной части, течение потока через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости потока в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.
Основными элементами центробежной компрессорной ступени являются рабочее колесо и диффузор, а характерными сечениями воздушного тракта — сечение перед рабочим колесом, сечение за рабочим колесом и сечение на выходе из диффузора. За диффузором могут быть установлены выходной канал или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону.
Рабочее колесо центробежного компрессора обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки.
В центробежной ступени можно получить значительно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступени, благодаря центробежным силам направленным по движению воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного превышает диаметр рабочего колеса осевого компрессора.
Недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в диагональной ступени. По своим параметрам она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью компрессора. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении воздушного потока в колесе от центра к периферии. Меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени.
Степенью повышения давления ступени компрессора называется отношение давления за ступенью к давлению на входе в рабочее колесо.
В осевых ступенях степень повышения давления обычно невелика и равняется 1,2…1,35. В центробежных ступенях степень повышения давления может достигать 4—6 и более.
Видео:Курс ""Турбомашины". Раздел 7.5 Многоступенчатые компрессоры (лектор Батурин О.В.)Скачать
С целью увеличения общей степени повышения давления применяют многоступенчатые компрессоры, в каждой ступени которых осуществляется повышение давления воздуха.
Адиабатический КПД ступени компрессора представляет собой отношение адиабатической работы повышения давления воздуха в ступени к затраченной работе Адиабатический КПД ступени осевого компрессора обычно равен 0,83—0,87, что свидетельствует об их высоком аэродинамическом совершенстве. Центробежные ступени имеют несколько меньшее значение адиабатического КПД — 0,75—0,80.
Расход воздуха через компрессор пропорционален плотности воздуха, скорости потока и площади проходного сечения.
Окружная скорость воздушного потока является важнейшим конструктивным параметром ступени компрессора двигателя, она ограничивается прочностью лопаток и диска рабочего колеса и газодинамическими соображениями.
По уровню скорости набегающего на лопатки воздуха осевые ступени разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и трансзвуковые (околозвуковые), в которых окружная или осевая скорости изменяются по радиусу изменяются по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой.
В реальных ступенях компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью статора всегда имеется конструктивный зазор [3]. При этом зазор на работающем двигателе отличается от монтажного зазора вследствие деформаций деталей ротора и статора под действием газовых сил и теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочие зазоры оказываются меньше монтажных.
Перетекание (утечка) воздуха через радиальные зазоры приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению давления на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени.
На работу ступени оказывают влияние и осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. Осевые зазоры между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата составляют примерно 15—20% хорды лопаток и также снижают эффективность работы ступени.
Основные параметры многоступенчатого компрессора
В теории газотурбинных двигателей обычно используются следующие параметры многоступенчатого компрессора:
а) степень повышения давления (отношение полного давления воздуха за компрессором к полному давлению перед компрессором);
Читайте также: Из чего сделан корпус компрессора холодильника
б) секундный расход воздуха через компрессор;
в) частота вращения pотоpа компрессора;
Видео:Многоступенчатый центробежный компрессорСкачать
г) адиабатический КПД компрессора.
Степень повышения давления в компрессоре ГТД равна произведению степеней повышения давления его отдельных ступеней.
В компрессорах современных авиадвигателей степень повышения давления компрессора доходит до 30 и более. Такие высокие степени повышения давления применяют для улучшения экономичности двигателя.
Дело в том, что в газотурбинных двигателях 70% тепла, введенного с топливом в двигатель, теряется с уходящими газами. Эти потери обусловлены вторым законом термодинамики (в двигатель засасывается холодный воздух, а выходит горячий).
При увеличении степени повышения давления в компрессоре соответственно увеличивается и степень понижения давления на тракте расширения газа в двигателе (во сколько раз воздух сжимается — во столько же раз газы расширяются). А чем больше степень понижения давления, тем ниже (при заданной температуре газа перед турбиной) температура уходящих газов и, следовательно, тем меньше потери тепла с уходящими газами.
Иначе говоря, с увеличением степени повышения давления воздуха степень полезного использования введенного в двигатель тепла увеличивается.
Ступени компрессора работают в разных условиях: они имеют разные окружные и осевые скорости, их лопатки обтекаются потоком с разными скоростями и т. д. Поэтому адиабатические работы сжатия воздуха в различных ступенях одного и того же компрессора могут существенно отличаться друг от друга.
В первых и в меньшей степени в последних ступенях работа заметно снижена по сравнению с работой приходящейся на каждую из средних ступеней.
Разбираемся в параметрах компрессора
На главную KIRK / / Инфо / Разбираемся в параметрах компрессора
Основными параметрами любого объёмного компрессора являются: степень повышения давления (не путать с давлением на выходе) и объёмный расход. Вторичными: мощность приводного двигателя (прямо пропорциональна двум основным), объём ресивера (непосредственно к компрессору не относится, но входит в состав некоторых компрессорных установок), давление на выходе.
Степень повышения давления
По сути этот параметр равен величине давления нагнетания делённой на величину давления всасывания. Надо чётко понимать, что в компрессорах далеко не всегда на входе давление равно атмосферному (компрессор дожимающий или включен в технологический цикл). Или, например, во второй ступени какого-нибудь двухступенчатого компрессора давление на входе во вторую ступень равно (точнее чуть меньше) давлению на выходе первой ступени и давление на выходе из второй ступени будет равно давлению всасывания второй ступени умноженному на величину степени повышения давления второй ступени. Т.е. степень повышения давления характерна и для компрессора в общем и для каждой ступени в частности. Именно под степень повышения давления проектируются все компрессоры.
Видео:Как настроить КОМПРЕССОР правильноСкачать
Пример: положим у компрессора степень повышения давления 4, давление на входе 0,101 МПа (1 норм. атмосфера.). Тогда конечное давление которое сможет выдать такой компрессор — 4″1=4 атмосфер. Если тот же компрессор поднять высоко в горы, то давление нагнетания будет уменьшаться по мере увеличения высоты установки.
Как правило степень повышения давления в каталогах не указывается. Величина безразмерная.
Объёмный расход (производительность)
Это количество сжатого газа в единицу времени, которое компрессор нагнетает в сеть. В случае с поршневым компрессором эта величина в основном напрямую зависит от величины объёма цилиндра при нахождении цилиндра в нижней мертвой точке (принимаем мёртвое пространство равным нулю) и частоты вращения приводного вала (за каждое полное вращение приводного вала поршень делает один рабочий цикл). Важно понимать тот факт, что сеть по сути представляет собой большой сосуд, работающий под давлением. С одной стороны в этот сосуд заполняется газом компрессором, с другой опустошается работающим от этой сети оборудованием.
И ещё один момент: расход ВСЕГДА указывается по параметрам газа НА ВСАСЫВАНИИ компрессора. Параметры типа «реальная производтельность», «реальная потребность в воздухе» не имеют НИКАКОГО физического либо технического смысла. К сожалению, такие термины зачастую приходится слышать от людей занимающихся компрессорным оборудованием (причём, объяснить этот термин сами они не могут), что обусловлено банальной технической безграмотностью. Как правило величины указанных лжепараметров сильно меньше величины производительности компрессора по параметрам всасывания и подбор компрессора основываясь на таких параметрах может привести к серъёзной ошибке. Если продавец начинает рассказывать вам про «реальную производительность» компрессора, Вы можете, проявив техническую грамотность, спросить его, при каких таких параметрах газа измерена эта «реальная производительность», в каком месте компрессора, и главное КАК, он сможет её измерить экспериментально. Готов спорить, что в 99% случаев Вы не получите никакого внятного ответа (что-нибудь типа «ну поставщики нам там что то когда то на тренингах говорили»), а если получите, то скорее всего это будет типичная «пропара клиента».
Читайте также: Как правильно подключить автомобильный компрессор
Итак производительность компрессора указывается при параметрах газа на всасывании (как правило это давление 1 атмосфера и температура 20 градусов), это обуловлено тем, что давление в сети в процессе работы постоянно меняется (причём серъёзно, зачастую в разы) и едва ли кто то будет пересчитывать производительность компрессора по сжатому газу, давление которого постоянно скачет.
Пример: внеся ряд упрощений в работу поршневого компрессора положим объём рабочей камеры при нахождении поршня в нижней мёртвой точке поршня — 200 см.куб. (0,2 литра), частота вращения вала компрессора 1500 об/мин, давление всасывания 1 атмосфера, степень повышения давления 4. Производительность компрессора будет равна: 0,2″1500=300 л/мин газа при давлении 1 атм. Поскольку мы сжали газ в 4 раза, объёмный расход газа при давлении 4 амосферы будет равняться 300/4=75 л/мин. Поскольку 4 это максимальная степень повышения давления, то реально давлениие газа будет постоянно меняться от 1 атм до 4 атм (в зависимости от потребеления сети), что ставит задачу постоянного пересчёта параметров компрессора. Именно поэтому, в компрессорах применяется объёмная производительность по параметрам всасывания, т.к. на неё никак не влияют постоянно меняющиеся параметры сети. Если для Вашего оборудования указано потребление воздуха, то скорее всего указано оно при давлении 1 атм. Иначе технологи, проектирующие пневмосети имели бы множество проблем с «подгонкой» в схему сети оборудования для одного из которого потребление указано при давлении А, для другого при давлении Б, для третьего вообще непойми при каком давлении.
Мощность приводного двигателя
Этот параметр наиболее интересен потребителю сжатого воздуха, т.к. киловаты потребляемые компрессором имеют линейную связь с теми деньгами, которые потребитель сжатого воздуха платит РАО ЕЭС за электричество, либо за топливо для дизель-компрессоров. Комментарии здесь излишни. Добавлю лишь то, что «не все йогурты одинаково полезны» — от того, насколько грамотно спроектированы компрессоры зависит, то сколько киловатт они будут потреблять при одинаковой производительности и степени повышения давления. Потребляемая мощность компрессоров различных производителей может серъёзно отличаться при прочих одинаковых параметрах. Это как японские автомобили, которые при объёмах двигателя в среднем 2-2,5 литра выдают такие характеристики, которые «американцы» выдают при объёмах двигателей 3-5 литров.
Объём ресивера
Ресивер это сосуд большой ёмкости, который устанавливается в пневмосетях с целью увеличения инерционности системы. Что это значит? По сути у ресивера две основные функции: создание запаса сжатого газа в сети и погашение пульсаций в потоке газа, возникающие в результате частотного характера работы любой объёмной машины.
Запас сжатого газа необходим в случаях, когда используется компрессор, который в силу своих конструктивных особенностей не может работать без регулярных отключений с целью отдыха (большинство малорасходных поршневых компрессоров). Т.е. вы накачали ресивер до необходимого давления, в компрессоре срабатывает реле давления и он выключается. Сеть при этом начинает работать от ресивера, а компрессор «отдыхает». Когда давление в ресивере падает до какой то заданной величины, реле давления запускает компрессор, и тот опять начинает накачивать сеть, частью которой является ресивер. При этом имеет смысл брать компрессор с производительностью большей, чем потребление сети — только при этом условии ресивер будет накапливать сжатый газ.
Также ресивер гасит колебания в потоке сжатого газа, возникающие в связи с цикличностью работы объёмных машин, за счёт собственного большого объёма, что также положительно сказывается на работе сети (снижаются лишние низкочастотные вибрации) и оборудования подключенного к ней.
Видео:9. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕРМОДИНАМИКА КОМПРЕССОРОВ. Работа компрессора. Вредный объём.Скачать
Максимальное давление на выходе (на нагнетании)
Тоже неоднозначная характеристика. Конечное давление, задаётся не компрессором, а сетью, на которую он работает, точнее сопротивлением сети. Откройте выходной присоединительный патрубок компрессора на атмосферу и поверьте мне, компрессор не будет создавать вообще никакого давления. Начните прикрывать кран нагнетательного патрубка и давление в камере нагнетания компрессора начнёт увеличиваться. При этом объёмный расход по параметрам всасывания будет постоянным (если быть совсем точным — чуть снизиться, но это тема другого раздела). Максимальное давление на выходе, которое может создать компрессор определяется геометрией камеры сжатия (в т.ч. величиной мёртвого пространства) прочностными характеристиками, термодинамическими параметрами сжатого газа, мощностью приводного двигателя.
- 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
Курс ""Турбомашины". Раздел 5.1.2. Характеристика компрессора лекция №2 (лектор Батурин О.В.)Скачать
ТурбовоздуходувкаСкачать
Расчет ступени осевого компрессора в Ansys CFX Post ч5Скачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 3.1.2. Изменение параметров рабочего процесса в ступени компрессораСкачать
Регулируем прессостат. Максимальное и минимальное давление включения и выключения компрессораСкачать
CFD Расчет характеристики компрессора (Общие рассуждения)Скачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 3.1.1. Принцип действия ступени компрессораСкачать
Производство карбамида. Кинетика синтеза. Лекция. Повышение степени конверсии и производительности?Скачать
как настроить давление воздуха на компрессореСкачать
Как отрегулировать давление в компрессоре. Автоматика компрессораСкачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 2.4 Уравнение энергии в мех. форме в отн.движении (лектор Батурин О.В.)Скачать
Роторно-винтовой двигатель. Пояснения для экспертов. Обзор конструкции.Скачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 5.1.3. Характеристика компрессора лекция №3 (лектор Батурин О.В.)Скачать
Регулировка давления компрессора. Настройка автоматики компрессора. Регулировка прессостатаСкачать
