4.4. Формы меридионального сечения проточной части

В многоступенчатых осевых компрессорах применяется три основных формы проточной части: =const, =const и =const, которые схематически показаны на рисунке. Рассмотрим три гипотетических компрессора, имеющих одинаковые , n и одинаковые геометрические параметры на входе в компрессор.

Р ис. 4.11 Формы проточной части осевых компрессоров.

Компрессор с =const будет иметь повышающийся от ступени к ступени средний диаметр, поэтому коэффициент теоретического напора

= / в средних и особенно в последних ступенях будет уменьшаться, что позволит либо расширить зону устойчивой работы компрессора за счёт разгрузки последних ступеней, либо, перераспределив работу сжатия, сократить количество ступеней по сравнению с другими формами проточной части. Цилиндрическое очертание периферии проточной части позволяет обеспечить минимальные радиальные зазоры между рабочими лопатками и корпусом на всех режимах работы компрессора, и в производстве цилиндрический корпус технологичнее конического. Но вследствие условия неразрывности , высота лопаток на выходе из компрессора будет минимальной, по сравнению с другими вариантами, так как , а будет максимальным при =const. Поэтому при повышенном относительном радиальном зазоре можно сильно потерять в КПД последних ступеней.

Компрессор с =const имеет наиболее высокие лопатки на выходе и, следовательно, менее чувствителен к изменению , но сам радиальный зазор при изменении режимов работы компрессора будет изменяться в большей степени, чем при = const, так как его величину будет влиять помимо радиального и осевое взаимное перемещение ротора и статора, например при подогреве компрессора. Вследствие снижения по тракту , будет снижаться работа сжатия в последних ступенях, поэтому увеличится потребное число ступеней для обеспечения заданного . С точки зрения технологичности конструкции, достоинством этой схемы является одинаковая размерность дисков рабочих колёс компрессора.

Компрессор с =const является компромиссным по сравнению с двумя другими схемами проточной части. Имея ряд достоинств с точки зрения аэродинамики ступеней, он вызывает нарекания с точки зрения технологичности, как корпуса, так и ротора. Поэтому на практике часто используют комбинированную форму проточной части, например, выполняя группу первых ступеней по =const, или =const, а группу последних ступеней по =const или =const.

4.5. Основные этапы газодинамического расчёта многоступенчатого

компрессора

Газодинамическое проектирование многоступенчатого компрессора ГТД принято условно разделять на следующие этапы:

1) предварительный расчёт, в ходе которого определяются основные геометрические размеры проточной части компрессора, выбирается форма проточной части, тип и число ступеней в компрессоре. Эти характеристики выбираются на основании согласования параметров компрессора и турбины на расчётном режиме. После этого производится распределение по ступеням осевой составляющей скорости , реактивности , коэффициентов полезного действия и напоров . Затем выполняется термодинамический расчёт компрессора с целью определения давления и температуры за ступенями. По найденным значениям и между ступенями для каждого i-го сечения определяются аксиальные площади проходных сечений на входе в каждую i-ую ступень

(4.17)

Заканчивается предварительный расчёт построением проточной части в первом приближении. С этой целью вначале осуществляется распределение удлинений лопаток по ступеням. Рекомендуется принимать =3,5…4,5 для первых дозвуковых ступеней, =2…3 для околозвуковых и сверхзвуковых ступеней, =1,5…2,5 для последних ступеней. Удлинения средних лопаток находят либо по линейной зависимости, либо по произвольной, но монотонной зависимости = . Осевая длина ступени определяется как =( / ) 0,96; =0,85 ; =0,15 ; = + + , где высота лопатки определяется по соответствующему значению аксиальной площади

= / . Если в средних ступенях расчётные высоты лопаток будут существенно отличаться от полученных путём распределения = , то либо следует изменить распределение удлинений, либо перераспределить работу между ступенями.

2) кинематический расчёт ступеней компрессора на среднем диаметре проводится с целью определения величины и направления скоростей потока ( , , ) в ступенях, соответствующих выбранному закону распределения и по проточной части. В процессе расчёта уточняются проходные сечения ступеней по определённым в расчёте углам входа потока в ступень и осевым скоростям

(4.18)

где – коэффициент расхода, учитывающий радиальную неравномерность поля осевых скоростей: =0,93…0,95 в случаях применения в первых ступенях лопаток с =const, =0,97…0,98 в случае применения в первых ступенях лопаток с ( )=const. В процессе расчёта также проверяется попадание основных кинематических параметров: и в рекомендуемые интервалы значений, а также по целому ряду причин технологического, конструктивного и эксплуатационного характера величины углов и должны быть больше . С учётом оптимальных углов отставания потока во всех ступенях определяются лопаточные углы входа и выхода и для рабочего колеса, и для направляющего аппарата. По значениям этих углов определяются углы установки лопаток в венце рабочего колеса и в венце направляющего аппарата . После этого окончательно определяется осевая длина ступени

(4.19)

и осевая длина компрессора

(4.20)

Если хотя бы один из параметров любой ступени выходит за рекомендуемые пределы, то следует изменить ранее назначенные (выбранные) параметры: степень реактивности ступени , распределение осевых скоростей или работ по ступеням, форму проточной части или окружную скорость. Естественно, при этом придётся провести повторный расчёт всех кинематических параметров на среднем диаметре.

3) расчёт кинематических параметров ступени по высоте проточной части проводится на трёх (в учебных целях) или на семи - одиннадцати (на практике) различных радиусах. При этом выбирается закон распределения закрутки потока по высоте лопатки, определяются скорости и направления потока, обеспечивающие получение заданных для рассчитываемой ступени и при выбранном законе распределения закрутки по высоте лопатки. Исходными данными для этого этапа проектирования компрессора являются результаты расчёта ступеней по среднему диаметру. При расчёте кинематики потока по высоте лопатки должны выдерживаться аэродинамические ограничения по , в целях получения высокого , на всех расчётных радиусах.

4) профилирование и расчёт на прочность пера лопатки проводится с целью построения лопаточных венцов компрессора. Лопатка формируется набором профилей элементарных ступеней, расположенных на расчётных радиусах и обеспечивающих заданный на третьем этапе расчёта поворот потока , с минимально возможными потерями энергии. Для каждого расчётного радиуса определяются , b, t, , и так далее, после чего строятся профиля лопаток и определяются координаты их поверхностей. После завершения профилирования лопаток, проводится проверочный расчёт на прочность. Подробнее эти вопросы мы рассмотрим в следующей главе.

13