3.7 Рабочий процесс центробежного компрессора

3.7.1 Схема ступени центробежного компрессора

Ступенью ЦБК (Рисунок 1) называется совокупность входного устройства (ВУ), вращающегося рабочего колеса (РК), за ним неподвижного безлопаточного (БЛД) и лопаточного диффузора (ЛД) и выходного устройства (ВыхУ). Ступень делится расчётными сечениями 0‑0, 1‑1, 2‑2, 3‑3, 4‑4, 5‑5.

– Схема ступени ЦБК

3.7.2 Преимущества и недостатки цбк

ЦБК имеют преимущества: их производство относительно просто, обладают хорошей безотказностью в эксплуатации, со временем мало снижаются показатели  и  , мало чувствительны к загрязнению при эксплуатации. ЦБК также хорошо воспринимают механическое повреждение, выгода также в том, что может достигать высоких значений.

ЦБК имеют три основных недостатка. Во-первых, очень трудно создать многоступенчатый ЦБК без того, чтобы заметно не возросла его масса и диаметральные размеры. Также КПД многоступенчатого ЦБК намного ниже, чем КПД ступени. Вторым недостатком является максимальный диаметр ЦБК, который возрастает прямо пропорционально расходу воздуха . Поэтому лопаточные машины с ЦБК имеют не высокий расход воздуха (до  ). Третьим недостатком является более низкий КПД по сравнению с КПД ОК имеющий такой же расход воздуха  и степень повышения давления . Поэтому ЦБК используется чаще всего в малоразмерных ГТД, в частности, в турбовальных двигателях (ТВаД) или на месте последней ступени компрессора высокого давления больших ГТД.

3.7.3 Относительные безразмерные параметры

Относительные безразмерные параметры введены для удобства при расчёте и также для того, что бы было возможно сравнивать разные ЦБК. Их встречается три вида: первые отнесены к  , вторые к  и третьи к .

Изоэнтропическую работу в относительной форме называют коэффициентом изоэнтропического напора или гидравлическим КПД:

.

Теоретический напор в относительной форме носит название коэффициент теоретического напора:

.

Полная работа, затраченная на вращение рабочего колеса , называется в относительной форме коэффициентом затраченного напора или нагрузки ( ):

.

Для перечисленных коэффициентов, изоэнтропического и политропического КПД компрессора справедливо неравенство: .

Встречается ли в расчёте любая скорость «с чертой», то это значит, что она отнесена к скорости , то есть, например:

.

Встречается ли в расчёте любой диаметральный размер «с чертой», то это значит, что он отнесён к диаметру , то есть, например:

.

3.7.4 Степень реактивности ступени цбк

В разделе Error: Reference source not found было показано, чему в общем случае равняется степень реактивности. Также было отмечено, что низкая степень реактивности не выгодна. Покажем, от чего зависит степень реактивности ступени ЦБК.

Перепишем формулу Error: Reference source not found с учётом соотношения Error: Reference source not found в следующем виде:

.

Введём некоторые допущения. Прежде всего, будем считать, что отсутствует закрутка потока на входе в ступень, то есть . Далее потом в силу того, что пренебрежём членом . Уравнение (6) принимает вид:

.

Из треугольника скоростей (Error: Reference source not found) видно следующее:

	,
	.

На выходе из рабочего колеса ЦБК принято вместо писать , так как воздух выходит не в осевом (аксиальном) направлении, а в радиальном. С учётом сказанного и уравнений (8) и (9) запишем:

		,
	,
		.

Окружная составляющая относительной скорости равняется:

.

Далее записываем:

		,
			,
	.

Окончательно получаем:

.

По формуле (11) можно определить степень реактивности в зависимости от кинематического угла  и относительной скорости . График (Error: Reference source not found) показывает, как изменяется степень реактивности для разных углов в зависимости от параметра .

– Степень реактивности ЦБК

Рабочие колеса ЦБК можно разделить на две группы. У первой группы , большая часть теоретической работы тратится на разгон воздуха, и только малая доля на повышение давления в самом рабочем колесе. Такие колеса называются активными колесами. У второй группы , тоже большая часть теоретической работы тратится на разгон воздуха, но уже более значительная доля идёт на повышение давления в рабочем колесе. Эти колеса называются реактивными, они выгодны, так как воздух выходящий из них имеет более низкую скорость, что уменьшает потери в диффузоре. Также имеют выше КПД и границу устойчивой работы. Анализируя график (Error: Reference source not found), видим, что для угла нельзя достичь степени реактивности , поэтому все такие колеса будут активными. Чтобы сконструировать реактивное колесо, надо, что бы угол .