Лопатевої компресор - це різновид компресорів , Призначена для підвищення тиску робочого тіла за рахунок взаємодії останнього з рухомими і нерухомими лопаток гратами компресора . Принцип дії лопаток компресорів - збільшення повного тиску робочого тіла за рахунок перетворення механічної роботи компресора в кінетичну енергію робочого тіла з подальшим перетворенням її у внутрішню енергію .
В осьовому компресорі потік робочого тіла, як правило повітря, рухається умовно уздовж осі обертання ротора компресора.
Осьовий компресор складається з чергуються рухомих лопаток решіток ротора, що складаються з лопаток , Закріплених на валу і іменованих робочими колесами (РК), і нерухомих лопаток решіток статора і іменованих напрямними апаратами (НА). Сукупність, що складається з одного робочого колеса і одного направляючого апарату, іменується ступенем.
Простір між сусідніми лопатками як в робочому колесі, так і в спрямовуючий апараті іменується міжлопатковою каналом. Межлопаточную канал як в робочому колесі, так і в спрямовуючий апараті діффузорний, тобто розширюється. Межлопаточную канал є ширшим, коли діаметр кіл, вписаних в цей канал, збільшується при вписування цих кіл від передньої кромки до задньої.
При проходженні через робоче колесо повітря бере участь в складному русі .
Де абсолютний рух - рух частинок повітря щодо осі двигуна. (На малюнку позначено літерою u).
Відносний рух - рух частинок повітря щодо лопаток робочого колеса. (На малюнку позначено літерою w).
Переносний рух - обертання робочого колеса щодо осі двигуна. (На малюнку позначено літерою U).
Таким чином, коли частинки повітря потрапляють в робоче колесо зі швидкістю, позначеної на малюнку вектором w1, лопатки впливають на частки повітря, надаючи їм переносну швидкість, позначену на малюнку вектором U. За правилом додавання векторів абсолютна швидкість частинок повітря в цей момент позначена вектором u1.
При проходженні через робоче колесо за рахунок діффузорного межлопаточного каналу відбувається зменшення модуля відносної швидкості на виході з робочого колеса w2, за рахунок кривизни межлопаточного каналу відбувається зміна напрямку вектора переносний швидкості на виході з робочого колеса w2. На виході з робочого колеса на частинки повітря продовжують діяти лопатки, надаючи їм переносну швидкість, позначену на малюнку вектором U. За правилом додавання векторів абсолютна швидкість частинок повітря в цей момент позначена вектором u2, який змінює напрямок і збільшується по модулю. Таким чином в робочому колесі відбувається зростання повного тиску повітря.
Після робочого колеса повітря потрапляє в направляючий апарат. За рахунок діффузорного межлопаточного каналу відбувається гальмування потоку, що призводить до зростання статичного тиску . Кривизна межлопаточного каналу призводить до повороту потоку для отримання більш ефективного кута входу потоку повітря в наступне робоче колесо.
Таким чином, щабель за щаблем, відбувається підвищення тиску повітря. Швидкість потоку в робочому колесі росте, в спрямовуючий апараті - падає. Але ступені компресора і весь компресор проектують таким чином, щоб швидкість потоку зменшувалася. При проходженні повітря через компресор росте і його температура, що є не завданням компресора, а негативним побічним ефектом. Перед входом в перше робоче колесо може бути встановлено вхідний направляючий апарат (ВНА) який виробляє попередній поворот потоку повітря на вході в компресор.
Досить високий ступінь газодинамічної інертності лопатевих компресорів є причиною того, що компресор досить повільно набирає обертів, має низьку Пріємістий. Лопатеві компресори, як правило, наводяться в рух турбінами, які, в свою чергу досить довго знижують свої обороти, таким чином, зміна режимів роботи таких турбокомпресорів займає досить тривалий проміжок часу. Рішенням даної проблеми стало поділ компресорів на каскади: компресор низького тиску зі своїм окремим турбіною встановлюється на валу, пропущеному через порожнистий вал наступного за ним компресора високого тиску і його турбіни, - такі двигуни називають двохвальним. Дане рішення поліпшило роботу компресорів на перехідних режимах, а також підвищило їх газодинамічну стійкість. Іншим засобом підвищення газодинамічної стійкості осьових компресорів стало застосування повертаються напрямних апаратів для зміни кута входу потоку в робоче колесо в залежності від режиму роботи двигуна.
Надзвукові компресори. Частота обертання роторів сучасних компресорів досягає десятків тисяч обертів на хвилину. Переносна швидкість частинки повітря в РК (U) залежить від радіуса обертання цієї частинки відносно поздовжньої осі двигуна. При досить довгому пере лопатки переносна швидкість виростає настільки, що абсолютна швидкість руху частинки повітря стає надзвуковий. У даній ситуації компресор називають надзвуковим, або ж ступінь компресора називають надзвуковий, якщо така ситуація виникає в певному щаблі компресора.
Принцип дії відцентрового компресора в загальному можна порівняти з принципом дії осьового компресора, але з одним істотним розходженням: в відцентровому компресорі потік повітря входить в робоче колесо вздовж осі двигуна, а в робочому колесі відбувається поворот потоку в радіальному напрямку. Таким чином, в робочому колесі за рахунок відцентрової сили створюється додатковий ріст повного тиску. Тобто частки робочого тіла отримують додаткову кінетичну енергію.
Робоче колесо відцентрового компресора являє собою диск або ж складне тіло обертання, на якому встановлені лопатки, що розходяться від центру до країв диска. Межлопаточную канал в відцентровому робочому колесі, так само, як і в осьовому - діффузорний. За типом використовуваних лопаток робочі колеса кваліфікуються на радіальні (профіль лопатки рівний) і реактивні (профіль лопатки вигнутий). Реактивні робочі колеса мають більш високими ККД і ступенем стиснення, але складніше у виготовленні, і, як наслідок - дорожче. Потік газу потрапляє в робоче колесо відцентрового компресора, де часткам газу передається кінетична енергія обертового колеса, діффузорний межлопаточную канал виробляє гальмування руху частинок газу щодо обертового колеса, відцентрова сила надає додаткову кінетичну енергію частинок робочого тіла і направляє їх в радіальному напрямку. Після виходу з робочого колеса частки робочого тіла потрапляють в дифузор , Де відбувається їх подальше гальмування, з перетворенням їх кінетичної енергії у внутрішню.
Для відцентрових компресорів справедливо наступне рівняння [1]
W s = u 2 C θ 2 - u 2 C θ 1 {\ displaystyle W_ {s} = u_ {2} C _ {\ theta 2} -u_ {2} C _ {\ theta 1} \,}
де
- Ws - вхідна потужність на валу,
- u - швидкість кінця лопатей,
- Cθ - дотичні складові швидкостей рідини, що відривається від лопатей, в положеннях 1 і 2, вхідний і вихідний, відповідно.
Коротке порівняння осьових і відцентрових компресорів [ правити | правити код ]
1. За ступенем стиснення (підвищення тиску) в ступені. Велику ступінь підвищення тиску забезпечують ступені відцентрових компресорів.
2. По реалізації многоступенчатости. Багаторазовий поворот повітряного потоку в відцентровому компресорі призводить до складності реалізації многоступенчатости в ньому.
3. За габаритами. Відцентрові компресори, як правило, мають досить великим діаметром робочого колеса. Багатоступінчасті осьові компресори - володіють меншим діаметром, але довше в осьовому напрямку.
Осьові компресори, в основному, використовуються в літакових і вертолітних повітряно-реактивних двигунах ( ВРД ). Відцентрові в наземних газотурбінних двигунах ( ВМД ) І силових установках, а також в різних газоперекачувальних системах, системах вентиляції, всіляких нагнітачах газу або повітря.
- ↑ Frank Kreith. The CRC handbook of thermal engineering . - CRC Press, 2000. - P. 4-229. - ISBN 9780849395819 .
- Воронецький А.В. Сучасні компресорні станції (Концепції, проекти, обладнання). - М.: ТОВ «Преміум Інжиніринг», 2008. - 614 с. - ISBN 978-5-903363-09-4 .