Анализ рабочего процесса ступени ОК
Рабочими элементами ОК являются чередующиеся между собой в осевом направлении ряды подвижных (рабочих) и неподвижных (направляющих) лопаток. Каждый ряд рабочих лопаток вместе с несущим их элементом ротора (диском или частью барабана) называется рабочим колесом (РК), Каждый ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом (НА). Рабочее колесо вместе с установленным за ним направляющим аппаратом образуют ступень ОК.
На рис.15 показана схема ступени ОК, а на рис. 16 – решетки профилей лопаток РК и НА, которые получаются, если рассечь ступень цилиндрической поверхностью с радиусом rи развернуть полученное сечение на плоскость. Форма профилей лопаток РК и НА выбирается такой, что они образуют расширяющиеся межлопаточные каналы.
Рис. 15. Схема ступени осевого компрессора
Рис. 16. Решетки профилей лопаток РК и НА
Скорость воздуха относительно корпуса ОК называют абсолютной и обозначают вектором С. Ее направление на входе в ступень С1 определяется направляющим аппаратом предыдущей ступени. Обычно эта скорость отклонена от осевого направления в сторону вращения РК. Лопатки РК перемещаются с окружной скоростью U, которая для воздуха является переносной скоростью. Скорость воздуха относительно лопаток РК W1 определяется как разность абсолютной и переносной скоростей: W1 = C1 – U1. Совокупность векторов С1, W1 и U образует треугольник скоростей на входе в РК.
В расширяющемся межлопаточном канале РК воздушный поток поворачивается, тормозится и выходит из канала с относительной скоростью W2<W1. Вследствие торможения потока воздуха давление его возрастает от р1 до р2.В рабочем колесе поток воздуха приобретает переносную скорость U, поэтому, несмотря на снижение относительной скорости, абсолютная скорость потока на выходе из РКС2 вышеС1. Векторы С2, W2 и U образуют треугольник скоростей на выходе из РК. Таким образом, в рабочем колесе за счет подвода к воздуху внешней энергии (совершения над ним работы) увеличивается и давление воздуха, и абсолютная скорость его движения.
Воздушный поток воздействует на лопатку РК, заставляющую его изменить направление движения, с аэродинамической силой Р. Осевая составляющая этой силы Ра воспринимается подшипниками ротора компрессора и передается далее на корпус двигателя и на самолет. Окружная составляющая Рu создает момент, направленный против вращения РК. Для его преодоления к ротору ОК прикладывается соответствующий крутящий момент от газовой турбины.
Согласно III закону Ньютона лопатка РК воздействует на воздушный поток с силой Q = Р, но направленной в противоположную сторону. Ее осевая составляющая Qа проталкивает воздух вдоль проточной части двигателя. В результате на входе в ОК при работе двигателя на земле и при малых скоростях полета создается пониженное давление, обеспечивающее поступление к ОК атмосферного воздуха. Окружная составляющая Qu обеспечивает закрутку потока в сторону вращения РК.
Для определения закрутки потока в рабочем колесе ∆Wu = W1u – W2uтреугольники скоростей на входе в РК и на выходе из него совмещают на одном чертеже, который называют планом скоростей ступени ОК (рис. 17).
В соответствии с уравнением Эйлера применительно к окружному движению воздуха можно записать:
Qu = Pu = Gв(W1u – W2u) = Gв(C2u – C1u) = Gв∆Wu = Gв∆Cu,
где Gв – массовый секундный расход воздуха .
Отсюда секундная работа , затрачиваемая при вращении РК ступени (работа ступени ОК):
Lст = UPu/Gв = U∆Wu = U∆Cu. . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.1)
Рис. 17. План скоростей ступени ОК
В расширяющихся межлопаточных каналах НА абсолютная скорость воздуха уменьшается от С2 до С3, примерно равной С1, а давление увеличивается до р2.Таким образом, дополнительная кинетическая энергия, сообщенная воздуху в РК, используется в НА для дальнейшего повышения давления. Отношение полного давления воздуха на выходе из ступени к полному давлению на входе в ступень называется степенью повышения давления в ступени: π* = р3*/р1*.
Адиабатная работа сжатия ступени:
L*ад.ст = kRT1*(π*ст(к-1)/k – 1)/(k – 1) . . . . . . . . . . .(3.2)
В действительном процессе сжатия воздуха определенная работа затрачивается на преодоление сил трения. Эта работа, преобразуясь в тепло, вызывает дополнительный подогрев воздуха. Дополнительные затраты работы на сжатие воздуха из-за подвода к нему тепла трения обозначают ∆Lтр и называют тепловым сопротивлением.
Таким образом, работа, затрачиваемая на вращение РК ступени, расходуется на сжатие воздуха и преодоление сил трения. Уравнение Бернулли применительно к ступени ОК может быть записано в виде:
Lст = L*ад.ст + Lтр + ∆Lтр. . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.3)
Для оценки эффективности процесса сжатия в ступени работу Lстсравнивают с величиной L*ад.ст. Отношение
L*ад.ст/Lст = ξ*ад.ст . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.4)
называют адиабатным КПД ступени. В выполненных конструкциях ОК ξ*ад.ст = 0,83-0,87.