Кіріспе

Үздіксіз ағынды газды сығыстыру машинасы

Аксиалды компрессор – газды үздіксіз қысыммен сығымдайтын газ компрессор. Бұл айналмалы, аэродинамикалық қағидаттағы компрессор, онда газ немесе жұмыс сұйықтығы негізінен айналу осіне параллель немесе осьтік бағытта ағып өтеді. Бұл басқа айналмалы компрессорлардан, мысалы, центробектік компрессордан, осьтік-центробектік компрессордан және аралас ағынды компрессордан ерекшеленеді, онда сұйықтық ағыны компрессор арқылы "радиальды компонентті" қамтиды. Сұйықтың энергия деңгейі компрессор арқылы ағып жатқанда, ротор қанаттарының сұйыққа түсіретін айналу моментінің әсерінен артады. Тұрақты қанаттар сұйықтықты баяулатып, ағынның шеңберлік компонентін қысымға айналдырады. Компрессорлар әдетте электрмотормен немесе бумен немесе газ турбинасымен қозғалады. Аксиалды ағынды компрессорлар сығылған газдың үздіксіз ағынын қамтамасыз етеді және жоғары тиімділікке және үлкен массалық ағымға ие, әсіресе олардың өлшемі мен көлденең қимасына қатысты. Дегенмен, олар үлкен қысымды арттыру үшін бірнеше қатар аэродинамикалық қанаттарды қажет етеді, бұл оларды басқа конструкцияларға (мысалы, центробектік компрессорларға) қарағанда күрделі және қымбат етеді. Аксиалды компрессорлар реактивті қозғалтқыштар, жоғары жылдамдықты кемелердің қозғалтқыштары және кішкентай электр станциялары сияқты ірі газ турбиналарының құрауында маңызды бөлік болып табылады. Олар сондай-ақ өнеркәсіптік қолдануларда, мысалы, үлкен көлемді ауа ажырату қондырғыларында, домендік пештердегі ауада, сұйық катализдік крекингтегі ауада және пропанды дегидрлеуде қолданылады. Жоғары өнімділік, жоғары сенімділік және ұшу режимінде икемді жұмыс істеуіне байланысты, олар сондай-ақ ғарыш зымырандарының қозғалтқыштарында, отын сорғылары ретінде және басқа да маңызды үлкен көлемді қолдануларда қолданылады. Ротор барабаны мен корпусы арасындағы көлденең қима ауданы ағыс бағытында азайтылады, бұл сұйық сығылғанда оптималды Мах санының осьтік жылдамдығын сақтау үшін жасалады.

Жұмыс

Сұйықтық осьтік бағытта кіргенде және шыққанда, энергия теңдеуіндегі центробегтік компонент ескерілмейді. Мұндағы сығылу толыққанды түрде арналардың диффузиялық әрекетіне негізделген. Статордағы диффузиялық әрекет сұйықтың абсолютті кинетикалық энергиясын қысымның өсуіне айналдырады. Энергия теңдеуіндегі салыстырмалы кинетикалық энергия ротордың айналуының нәтижесінде ғана пайда болады. Ротор сұйықтың салыстырмалы кинетикалық энергиясын азайтады және оны сұйықтың абсолютті кинетикалық энергиясына қосады, яғни ротордың сұйық бөлшектеріне тигізетін әсері олардың жылдамдығын (абсолютті) арттырып, сұйық пен ротор арасындағы салыстырмалы жылдамдықты төмендетеді. Қысқасы, ротор сұйықтың абсолютті жылдамдығын арттырады, ал статор оны қысымның өсуіне айналдырады. Ротор арнасын диффузиялық қабілетімен жобалау, оның қалыпты жұмысына қосымша қысымды көтеруге мүмкіндік береді. Бұл статор мен ротордан тұратын бір сатыдағы қысымның артуын қамтамасыз етеді. Бұл турбомашиналардағы реакция принципі. Егер бір сатыдағы қысымның 50% ротор бөлімінде алынса, онда бұл 50% реакция деп есептеледі.

Дизайн

Бір сатыдағы қысымның өсуі ротор мен сұйықтық арасындағы салыстырмалы жылдамдықпен, сондай-ақ қанаттық профильдердің бұрылу және тарату қабілеттерімен шектеледі. Әдеттегі коммерциялық компрессор сатысы жобалық жағдайларда 90-95% политропиялық тиімділікпен 15%-дан 60%-ға дейін қысымды арттырады (қысым коэффициенттері 1,15–1,6). Әртүрлі қысым коэффициенттерін алу үшін осьтік компрессорлар әртүрлі сатылар санымен және айналу жылдамдықтарымен құрастырылады. Ереже бойынша, берілген компрессордың әрбір сатысында температураның өсуі (Delta T) бірдей болады деп есептеуге болады. Сондықтан, әр сатыға кіретін температура (Tсатысы) компрессор бойымен біртіндеп артуы керек, ал (Delta T)/(Tсатысы) кіретін қатынасы төмендеуі керек, бұл құрылғы арқылы сатылық қысым коэффициентінің біртіндеп төмендеуін білдіреді. Осылайша, соңғы саты бірінші сатыға қарағанда едәуір төмен қысым коэффициентін дамытады. Сұйықтық пен ротор арасындағы салыстырмалы жылдамдық дыбыс жылдамдығынан жоғары болса, жоғары сатылық қысым коэффициенттері де мүмкін, бірақ бұл тиімділік пен жұмысқа қабілеттіліктің төмендеуіне әкеледі. Мұндай компрессорлар, 2-ден жоғары сатылық қысым коэффициенттерімен, компрессордың өлшемдерін, салмағын немесе күрделілігін азайту маңызды жағдайларда ғана қолданылады, мысалы, әскери ұшақтарда. Қанаттық профильдер нақты жылдамдықтар мен бұрылу үшін оңтайландырылып, сәйкестендіріледі. Компрессорлар басқа ағындармен, жылдамдықтармен немесе қысым коэффициенттерімен басқа жағдайларда жұмыс істесе де, бұл тиімділіктің төмендеуіне немесе ағынның ішінара немесе толық бұзылуына (компрессор тоқтауы және қысымның секіруі деп белгілі) әкелуі мүмкін. Осылайша, сатылар саны мен жалпы қысым коэффициентінің практикалық шегі жобалық жағдайлардан ауытқу қажет болған кезде әртүрлі сатылардың өзара әрекеттесуінен туындайды. Бұл «жобадан тыс» жағдайларды компрессордың икемділігін арттыру арқылы белгілі бір деңгейде жеңілдетуге болады. Бұл әдетте реттелетін статорларды пайдалану арқылы немесе сатылар арасындағы негізгі ағыннан сұйықтықты шығарып алатын клапандармен (сатылар аралық шығару) жүзеге асырылады. Қазіргі заманғы реактивтік қозғалтқыштарда әртүрлі жылдамдықтармен жұмыс істейтін компрессорлар сериясы қолданылады; жану үшін шамамен 40:1 қысым коэффициентімен ауа беру үшін, барлық ұшу жағдайларына жеткілікті икемділікпен.

Тұрақсыздық

Грейцер қысылу жүйесінің тұрақты жұмыс жағдайына шағын бұзылудың әсерін болжау үшін Гельмгольц резонаторы түріндегі қысылу жүйесінің моделін пайдаланды. Ол компрессордың айналмалы тоқтау немесе толқу қандай тұрақсыздық режиміне түсетінін болжайтын өлшемсіз параметрді анықтады. Бұл параметр ротордың айналу жылдамдығын, жүйенің Гельмгольц резонаторының жиілігін және компрессор арнасының "тиімді ұзындығын" қолданды. Параметрдің сыни мәні болды, ол ағымға қатысты қысым қатынасының теріс мәннен оң мәнге өзгеруін болжады, яғни айналмалы тоқтау немесе толқудың пайда болуын көрсетті.

Үдемелі өсу

Қысым ағыны графигінде екі тұрақсыз және тұрақты аймақты бөліп тұратын сызық – толқын сызығы деп аталады. Бұл сызық әртүрлі айналымдардағы толқын нүктелерін қосу арқылы құралады. Аксиалды компрессорлардағы тұрақты ағымның толық бұзылуы салдарынан туындайтын тұрақсыз ағым – шабу деп аталады. Бұл компрессордың аэродинамикалық қанаттарындағы ауа ағынының бөліну жағдайы. Бұл құбылыс, қанаттың пішініне байланысты, қысымның төмендеуіне және қозғалтқыштың қуатының азаюына әкеледі. Оң тоқталу – ағынның қанаттың сору жағында бөлінуі. Кері тоқталу – ағынның қанаттың қысым жағында бөлінуі. Кері тоқталу оң тоқталуға қарағанда мардымсыз, себебі ағынның қысым жағында бөлінуі аз ғана мүмкіндікке ие. Көп сатылы компрессорда жоғары қысым сатыларындағы осьтік жылдамдық өте төмен болады. Тоқталу мәні жобалық нүктеден шағын ауытқумен төмендейді, бұл орталық және шеттік аймақтарда тоқталуға алып келеді, олардың мөлшері ағынның азаюымен артады. Олар өте төмен ағын жағдайында үлкейіп, бүкіл қанаттың биіктігіне әсер етеді. Үлкен тоқталу кезінде жеткізу қысымы айтарлықтай төмендейді, бұл ағынның кері бұрылуына әкелуі мүмкін. Сатының тиімділігі жоғары шығындарға байланысты төмендейді.

Айналатын тоқтату

Ротордың қанаттарындағы ауа ағынының біркелкі болмауы компрессордағы жергілікті ауа ағынын бұзбай-ақ өзгерте алады. Компрессор қалыпты жұмыс істеуін жалғастырады, бірақ қысым төмендейді. Осылайша, айналмалы тұрақсыздық компрессордың тиімділігін азайтады. Мысалы, оңға қарай қозғалатын роторда, кейбір қанаттар жоғары бұрышпен ағын алса, ол қанат тоқтап қалады. Бұл, сол қанаттың арасындағы және өзінің арасындағы өткелге кедерілгі келтіреді. Осылайша, сол қанат жоғары бұрышпен, ал оң қанат төмен бұрышпен ағын алады. Сол қанаттағы тұрақсыздық көбірек, ал оң қанаттағы тұрақсыздық азырақ болады. Оңға қарай тұрақсыздық азаяды, ал солға қарай артады. Айналмалы тұрақсыздықтың қозғалысын таңдалған координат жүйесіне байланысты байқауға болады.

Даму

Энергия алмасу тұрғысынан алғанда, осьтік компрессорлар кері турбиналар болып табылады. Бу турбинасының конструкторы Чарльз Алгернон Парсонс, мысалы, сұйықтықтың статикалық қысымы арқасында жұмыс істейтін турбинаның (яғни, реакциялық турбина) әрекетін ауа компрессоры ретінде кері бұруға болатынын мойындады, оны турбокомпрессор немесе сорғы деп атады. Оның патенттерінің бірінде сипатталған ротор және статор қанаттарының қисықтығы аз немесе мүлдем болмаған, бірақ кейбір жағдайларда қанаттардың дизайны винт теориясына негізделген. Бу турбиналарымен қоздырылатын машиналар өнеркәсіптік мақсаттарда, мысалы, домна пештеріне ауа беру үшін қолданылды. Парсонс 1901 жылы қорғасын қорыту зауытында қолдануға арналған алғашқы коммерциялық осьтік ағынды компрессорды ұсынды. Парсонс машиналарының тиімділігі төмен болды, кейіннен бұл қанаттардың тоқтауына байланысты екені анықталды және олар көп ұзамай тиімді орталықтан тепкіш компрессорлармен ауыстырылды. Brown Boveri & Cie газ турбиналарымен жұмыс істейтін "кері турбиналы" компрессорларды өндірді, олардың қанаттары аэродинамикалық зерттеулер нәтижесінде алынған және 40 000 куб. фут/мин жылдамдықпен және 45 п.с. дейінгі қысымда орталықтан тепкіш типтерге қарағанда тиімдірек болды.]] Барлық компрессорлардың айналу жылдамдығы мен қысымға қатысты оңтайлы нүктесі болады, жоғары компрессия үшін жоғары жылдамдық қажет. Алғашқы қозғалтқыштар қарапайымдылықты ескере отырып жасалған және бір жылдамдықпен айналатын бір үлкен компрессорды қолданған. Кейінірек жасалған конструкцияларда екінші турбина қосылып, компрессор төмен және жоғары қысымды бөліктерге бөлінді, соңғысы жылдам айналды. Бұл екі шпулді конструкция, Bristol Olympus-та алғаш рет қолданылды, нәтижесінде тиімділік артты. Үшінші шпул қосу арқылы тиімділікті одан әрі арттыруға болады, бірақ практикада күрделіліктің артуы қызмет көрсету шығындарын арттырады, бұл экономикалық пайданы жояды. Дегенмен, қолданыста үш шпулді қозғалтқыштардың бірнеше түрі бар, ең танымалдарының бірі Rolls Royce RB211, ол көптеген коммерциялық ұшақтарда қолданылады.

Ауаны шығару, өзгермелі статорлар

Ұшақтың жылдамдығы немесе биіктігі өзгеретін кезде, компрессордың кіреберісіндегі ауа қысымы да өзгереді. Компрессорды осы өзгермелі жағдайларға "реттеу" үшін 1950-ші жылдардан бастап жасалған конструкциялар, соңғы сатыларда тым көп ауаны сығудан сақтау мақсатында компрессордың ортасынан ауаны "шығарып тастайды". Бұл, сондай-ақ, қозғалтқышты іске қосуға көмектеседі, мүмкіндігінше көп ауаны шығарып, аз ауа сығылған күйде айналдыруға мүмкіндік береді. Ауа шығару жүйелері бұрыннан-ақ кеңінен қолданылып келді, турбина сатысына ауа ағынын жеткізу үшін, ол турбина қанатшаларын салқындатуға, сондай-ақ ұшақтағы кондиционер жүйелеріне қысымды ауа беруге пайдаланылды. Көбірек жетілдірілген конструкция – өзгермелі статор, ол қозғалтқыштың қуат осінен гөрі өз осі бойынша жеке-жеке бұрылатын қанаттарды пайдаланады. Іске қосу кезінде олар "жабық" күйге бұрылады, сығылуды азайтады, содан кейін сыртқы жағдайларға байланысты ауа ағынына қайта бұрылады. General Electric J79 – өзгермелі статор конструкциясының алғашқы маңызды мысалы, және бүгінде ол көптеген әскери қозғалтқыштардың қалыпты ерекшелігі болып табылады. Компрессордың айналу жылдамдығы төмендеген кезде өзгермелі статорларды біртіндеп жабу, жұмыс сипаттамасындағы (немесе картадағы) тербеліс (немесе тоқтау) сызығының еңістігін азайтады, орнатылған құрылғының тербеліс резервін жақсартады. Алғашқы бес сатыға өзгермелі статорларды енгізу арқылы General Electric Aircraft Engines 23:1 конструкциялық қысым коэффициентімен жұмыс істей алатын он сатылы осьтік компрессорды жасады.

Ротор мен сұйықтық арасындағы энергия алмасу

Беттердің сұйықтыққа қатысты қозғалысы ротордан өтетін сұйықтыққа жылдамдық, қысым немесе олардың екеуін де қосады. Сұйықтың жылдамдығы ротор арқылы артады, ал статор кинетикалық энергияны қысым энергиясына түрлендіреді. Көптеген практикалық конструкцияларда роторда да диффузия процесі жүреді. Сұйықтың жылдамдығының артуы негізінен тангенциалдық бағытта (айналу) болады, ал статор осы бұрыштық импульсті азайтады. Қысымның артуы температураның көтерілуіне алып келеді. Белгілі бір геометрия үшін температураның көтерілуі ротор қатарының тангенциалдық Мах санының квадратына тәуелді. Қазіргі турбовентиляторлық қозғалтқыштардың желдеткіштері 1.7 Мах немесе одан да жоғары жылдамдықпен жұмыс істейді және қанаттардың зақымдануын азайту және шуды басу үшін күшті тығыздау және шуды төмендету құрылымдарын қажет етеді.

Компрессор карталары

Карта компрессордың жұмысын көрсетеді және оңтайлы жұмыс жағдайларын анықтауға мүмкіндік береді. Ол көлденең ось бойында массалық ағынды, әдетте, жобалық массалық ағымның пайызы ретінде немесе нақты бірліктерде көрсетеді. Қысымның өсуі тік осьте кіретін және шығатын тұрақтандырылған қысымдардың қатынасы ретінде көрсетіледі. Үдемелі немесе тоқтау сызығы компрессор жұмысының тез нашарлай бастайтын шекарасын көрсетеді және берілген массалық ағым үшін қол жетімді ең жоғары қысым қатынасын анықтайды. Тиімділік контурлары, сондай-ақ белгілі бір айналу жылдамдықтарында жұмыс істеуге арналған жұмыс сызықтары салынған.

Сығу тұрақтылығы

Жұмыс тиімділігі соққы шегіне жақын ең жоғары болады. Егер төменгі ағыстағы қысым максималды мүмкін деңгейден асып кетсе, компрессор тоқтап, тұрақсыздыққа ұшырайды. Әдетте, тұрақсыздық жүйенің Гельмгольц жиілігінде пайда болады, осы кезде төменгі ағыстағы толықтырғыш кеңістік ескеріледі.