Введение
Машина для сжатия газа непрерывного потока.
An axial compressor is a gas compressor that can continuously pressurize gases. It is a rotating, airfoil based compressor in which the gas or working fluid principally flows parallel to the axis of rotation, or axially. This differs from other rotating compressors such as centrifugal compressor, axi centrifugal compressors and mixed flow compressors where the fluid flow will include a "radial component" through the compressor. The energy level of the fluid increases as it flows through the compressor due to the action of the rotor blades which exert a torque on the fluid. The stationary blades slow the fluid, converting the circumferential component of flow into pressure. Compressors are typically driven by an electric motor or a steam or a gas turbine. Axial flow compressors produce a continuous flow of compressed gas, and have the benefits of high efficiency and large mass flow rate, particularly in relation to their size and cross section. They do, however, require several rows of airfoils to achieve a large pressure rise, making them complex and expensive relative to other designs (e. g. centrifugal compressors). Axial compressors are integral to the design of large gas turbines such as jet engines, high speed ship engines, and small scale power stations. They are also used in industrial applications such as large volume air separation plants, blast furnace air, fluid catalytic cracking air, and propane dehydrogenation. Due to high performance, high reliability and flexible operation during the flight envelope, they are also used in aerospace rocket engines, as fuel pumps and in other critical high volume applications. {| class="wikitable"
! Typical application ! ! Type of flow ! ! Pressure ratio per stage ! ! Efficiency per stage The cross sectional area between rotor drum and casing is reduced in the flow direction to maintain an optimum Mach number axial velocity as the fluid is compressed.
Аксиальный компрессор – это газовый компрессор, способный непрерывно повышать давление газа. Это вращающийся компрессор, основанный на применении профилированных лопаток, в котором газ или рабочая жидкость преимущественно течет параллельно оси вращения, то есть по оси. Он отличается от других вращающихся компрессоров, таких как центробежные компрессоры, осецентробежные компрессоры и компрессоры смешанного потока, в которых поток жидкости включает в себя "радиальную составляющую" при прохождении через компрессор. Энергия жидкости увеличивается по мере ее прохождения через компрессор благодаря воздействию лопаток ротора, которые оказывают на жидкость крутящий момент. Неподвижные лопатки замедляют поток, преобразуя окружную составляющую потока в давление. Компрессоры обычно приводятся в действие электродвигателем или паровой или газовой турбиной. Аксиальные компрессоры обеспечивают непрерывный поток сжатого газа и обладают преимуществами высокой эффективности и большой массовой производительности, особенно по отношению к их размерам и поперечному сечению. Однако для достижения значительного повышения давления требуется несколько рядов профилей, что делает их более сложными и дорогими по сравнению с другими конструкциями (например, центробежными компрессорами). Аксиальные компрессоры являются неотъемлемой частью конструкции крупных газовых турбин, таких как авиационные двигатели, высокоскоростные судовые двигатели и малогабаритные электростанции. Они также используются в промышленных приложениях, таких как установки для разделения воздуха большой производительности, подача воздуха в доменные печи, воздух для каталитического крекинга и дегидрирование пропана. Благодаря высокой производительности, высокой надежности и гибкости в работе в различных условиях полета, они также применяются в ракетных двигателях, в качестве топливных насосов и в других критически важных приложениях, требующих высокой пропускной способности.
An axial compressor is a gas compressor that can continuously pressurize gases. It is a rotating, airfoil based compressor in which the gas or working fluid principally flows parallel to the axis of rotation, or axially. This differs from other rotating compressors such as centrifugal compressor, axi centrifugal compressors and mixed flow compressors where the fluid flow will include a "radial component" through the compressor. The energy level of the fluid increases as it flows through the compressor due to the action of the rotor blades which exert a torque on the fluid. The stationary blades slow the fluid, converting the circumferential component of flow into pressure. Compressors are typically driven by an electric motor or a steam or a gas turbine. Axial flow compressors produce a continuous flow of compressed gas, and have the benefits of high efficiency and large mass flow rate, particularly in relation to their size and cross section. They do, however, require several rows of airfoils to achieve a large pressure rise, making them complex and expensive relative to other designs (e. g. centrifugal compressors). Axial compressors are integral to the design of large gas turbines such as jet engines, high speed ship engines, and small scale power stations. They are also used in industrial applications such as large volume air separation plants, blast furnace air, fluid catalytic cracking air, and propane dehydrogenation. Due to high performance, high reliability and flexible operation during the flight envelope, they are also used in aerospace rocket engines, as fuel pumps and in other critical high volume applications. {| class="wikitable"
! Typical application ! ! Type of flow ! ! Pressure ratio per stage ! ! Efficiency per stage The cross sectional area between rotor drum and casing is reduced in the flow direction to maintain an optimum Mach number axial velocity as the fluid is compressed.
Площадь поперечного сечения между барабаном ротора и корпусом уменьшается по направлению потока для поддержания оптимальной осевой скорости, соответствующей числу Маха, при сжатии жидкости.
An axial compressor is a gas compressor that can continuously pressurize gases. It is a rotating, airfoil based compressor in which the gas or working fluid principally flows parallel to the axis of rotation, or axially. This differs from other rotating compressors such as centrifugal compressor, axi centrifugal compressors and mixed flow compressors where the fluid flow will include a "radial component" through the compressor. The energy level of the fluid increases as it flows through the compressor due to the action of the rotor blades which exert a torque on the fluid. The stationary blades slow the fluid, converting the circumferential component of flow into pressure. Compressors are typically driven by an electric motor or a steam or a gas turbine. Axial flow compressors produce a continuous flow of compressed gas, and have the benefits of high efficiency and large mass flow rate, particularly in relation to their size and cross section. They do, however, require several rows of airfoils to achieve a large pressure rise, making them complex and expensive relative to other designs (e. g. centrifugal compressors). Axial compressors are integral to the design of large gas turbines such as jet engines, high speed ship engines, and small scale power stations. They are also used in industrial applications such as large volume air separation plants, blast furnace air, fluid catalytic cracking air, and propane dehydrogenation. Due to high performance, high reliability and flexible operation during the flight envelope, they are also used in aerospace rocket engines, as fuel pumps and in other critical high volume applications. {| class="wikitable"
! Typical application ! ! Type of flow ! ! Pressure ratio per stage ! ! Efficiency per stage The cross sectional area between rotor drum and casing is reduced in the flow direction to maintain an optimum Mach number axial velocity as the fluid is compressed.
Работа
Поскольку жидкость входит и выходит в осевом направлении, центробежная составляющая в уравнении энергии не играет роли. Сжатие здесь полностью основано на диффузионном эффекте каналов. Диффузионный эффект в статоре преобразует абсолютную кинетическую энергию жидкости в увеличение давления. Относительная кинетическая энергия в уравнении энергии существует только из-за вращения ротора. Ротор уменьшает относительную кинетическую энергию жидкости и передает ее абсолютной кинетической энергии жидкости, то есть воздействие ротора на частицы жидкости увеличивает их скорость (абсолютную) и, следовательно, уменьшает относительную скорость между жидкостью и ротором. Иными словами, ротор увеличивает абсолютную скорость жидкости, а статор преобразует ее в увеличение давления. Проектирование канала ротора с диффузионными свойствами может обеспечить дополнительное повышение давления сверх его обычной функции. Это приводит к большему увеличению давления на ступень, состоящую из статора и ротора. Это принцип реактивности в турбомашинах. Если 50% увеличения давления на ступени достигается в сечении ротора, то говорят, что реактивность составляет 50%.
Дизайн
Увеличение давления, создаваемое одной ступенью, ограничено относительной скоростью между ротором и рабочей средой, а также возможностями отклонения потока и диффузии лопаток. Типичная ступень в коммерческом компрессоре обеспечивает увеличение давления в диапазоне от 15% до 60% (отношения давлений от 1,15 до 1,6) при расчетных условиях, с политропным КПД в пределах 90–95%. Для достижения различных отношений давлений осевые компрессоры проектируются с разным количеством ступеней и скоростями вращения. В качестве общего правила можно предположить, что каждая ступень в данном компрессоре имеет одинаковый прирост температуры (Delta T). Следовательно, температура (Tstage) на входе в каждую ступень должна последовательно возрастать по мере прохождения через компрессор, а отношение (Delta T) к температуре на входе (Tstage) должно уменьшаться, что подразумевает постепенное снижение отношения давлений ступени по всей установке. Таким образом, последняя ступень развивает значительно более низкое отношение давлений, чем первая ступень. Более высокие отношения давлений ступени также возможны, если относительная скорость между рабочей средой и роторами сверхзвуковая, но это достигается за счет снижения эффективности и стабильности работы. Такие компрессоры с отношением давлений более 2 используются только там, где критически важна минимизация размера, веса или сложности компрессора, например, в военных авиационных двигателях. Профили лопаток оптимизированы и подобраны для конкретных скоростей и углов отклонения потока. Хотя компрессоры могут работать и в других режимах с различными расходами, скоростями или отношениями давлений, это может привести к снижению эффективности или даже к частичному или полному срыву потока (известному как срыв компрессора и скачок давления соответственно). Таким образом, практическое ограничение на количество ступеней и общее отношение давлений обусловлено взаимодействием различных ступеней при работе в условиях, отклоняющихся от расчетных. Эти “нештатные” условия можно в определенной степени смягчить, обеспечив компрессору некоторую гибкость. Обычно это достигается за счет использования регулируемых статоров или клапанов, которые могут отводить рабочую среду из основного потока между ступенями (межступенчатый сброс). Современные авиационные двигатели используют серию компрессоров, работающих на разных скоростях, для подачи воздуха с отношением давления около 40:1 для сгорания, обеспечивая достаточную гибкость для всех режимов полета.
Нестабильности
Грейцер использовал модель компрессионной системы, основанную на резонаторе Гельмгольца, для прогнозирования переходного процесса в системе компрессии после небольшого возмущения, наложенного на установившийся режим работы. Он выявил безразмерный параметр, который позволял предсказать, какой режим нестабильности компрессора – вращающийся срыв потока или помпаж – возникнет. Этот параметр учитывал скорость вращения ротора, частоту резонатора Гельмгольца системы и "эффективную длину" воздуховода компрессора. Он имел критическое значение, определяющее, наступит ли вращающийся срыв потока или помпаж, в точке, где наклон характеристики зависимости коэффициента давления от расхода изменяется с отрицательного на положительный.
Напряжение
На графике зависимости расхода от давления линия, разделяющая область графика на стабильную и нестабильную, называется линией скачков. Эта линия строится путем соединения точек скачков при различных оборотах в минуту. Неустойчивый поток в осевых компрессорах, вызванный полным нарушением установившегося течения, называется помпажом. Это ситуация отрыва потока воздуха от лопаток компрессора. Данное явление, в зависимости от профиля лопатки, приводит к снижению степени сжатия и падению мощности двигателя. Положительный срыв потока – отрыв потока происходит на всасывающей стороне лопатки. Отрицательный срыв потока – отрыв потока происходит на напорной стороне лопатки. Отрицательный срыв незначителен по сравнению с положительным, поскольку отрыв потока менее вероятен на напорной стороне лопатки. В многоступенчатом компрессоре на ступенях высокого давления осевая скорость очень мала. Значение срыва уменьшается даже при небольшом отклонении от расчетной точки, вызывая срыв вблизи корневой и концевой зон, размер которых увеличивается с уменьшением расхода. Они становятся больше при очень низком расходе и влияют на всю высоту лопатки. Давление на выходе значительно падает при сильном срыве, что может привести к реверсу потока. Эффективность ступени снижается из-за увеличения потерь.
Ротационная задержка
Неравномерность воздушного потока в лопатках ротора может нарушить локальный поток воздуха в компрессоре, не вызывая при этом срыва его работы. Компрессор продолжает работать нормально, но с пониженным давлением наддува. Таким образом, вращающаяся волна срыва снижает эффективность компрессора. Рассмотрим ротор с лопатками, вращающимися, например, вправо. Если некоторые лопатки получают поток под большим углом атаки, эти лопатки будут резко тормозиться. Это создает препятствие в проходе между этой лопаткой и расположенной слева от нее. В результате, левая лопатка получит поток под большим углом атаки, а правая – под меньшим. Левая лопатка будет испытывать более сильный срыв, в то время как правая – менее выраженный. В направлении вращения срыв будет уменьшаться, а против – увеличиваться. Движение вращающейся волны срыва можно наблюдать в зависимости от выбранной системы отсчета.
Разработка
С точки зрения обмена энергией, осевые компрессоры являются обратными турбинами. Например, конструктор паровой турбины Чарльз Алджернон Парсонс заметил, что турбина, производящая работу за счет статического давления жидкости (то есть реактивная турбина), может быть использована в обратном режиме как воздушный компрессор, который он назвал турбокомпрессором или насосом. Ротор и статорные лопатки, описанные в одном из его патентов, имели малый или отсутствующий профиль, хотя в некоторых случаях конструкция лопаток основывалась на теории винта. Эти машины, приводимые в действие паровыми турбинами, использовались в промышленности, например, для подачи воздуха в доменные печи. Парсонс поставил первый коммерческий осевой компрессор для использования на свинцовом плавильном заводе в 1901 году. Машины Парсонса имели низкую эффективность, что позже было связано с отрывом потока от лопаток, и вскоре были заменены более эффективными центробежными компрессорами. Brown Boveri & Cie производили компрессоры, представляющие собой «обратные турбины», приводимые в действие газовыми турбинами, с лопатками, разработанными на основе аэродинамических исследований, которые были более эффективными, чем центробежные компрессоры при перекачке больших расходов – 40 000 кубических футов в минуту при давлении до 45 п.с.и. Все компрессоры имеют оптимальную рабочую точку, зависящую от скорости вращения и давления, при этом для достижения более высокой степени сжатия требуется более высокая скорость вращения. Ранние двигатели проектировались с акцентом на простоту и использовали один большой компрессор, вращающийся с постоянной скоростью. В более поздних конструкциях была добавлена вторая турбина, и компрессор был разделен на секции низкого и высокого давления, причем последняя вращалась быстрее. Эта двухкатушечная схема, впервые реализованная на Bristol Olympus, позволила повысить эффективность. Дальнейшее повышение эффективности можно достичь путем добавления третьей катушки, но на практике усложнение конструкции приводит к увеличению затрат на техническое обслуживание, что нивелирует любую экономическую выгоду. Тем не менее, существует несколько трехкатушечных двигателей, наиболее известным из которых является Rolls Royce RB211, используемый на широком спектре коммерческих самолетов.
Выпуск воздуха, переменные статоры
Когда самолет изменяет скорость или высоту, давление воздуха на входе в компрессор будет меняться. Чтобы "настроить" компрессор на эти изменяющиеся условия, конструкции, начиная с 1950-х годов, использовали "отбор" воздуха из средней части компрессора, чтобы избежать попыток сжать слишком большой объем воздуха на последних ступенях. Это также применялось для облегчения запуска двигателя, позволяя ему раскручиваться без значительного сжатия воздуха за счет максимального отбора воздуха. Системы отбора воздуха уже широко использовались для обеспечения потока воздуха в ступень турбины, где он служил для охлаждения лопаток турбины, а также для подачи сжатого воздуха в системы кондиционирования воздуха внутри самолета. Более совершенная конструкция – переменный статор – использует лопатки, которые можно индивидуально вращать вокруг своей оси, в отличие от оси вращения двигателя. Для запуска они поворачиваются в "закрытое" положение, уменьшая степень сжатия, а затем возвращаются в поток воздуха по мере необходимости, в зависимости от внешних условий. General Electric J79 стал первым крупным образцом конструкции с переменным статором, и сегодня это распространенная особенность большинства военных двигателей. Постепенное закрытие переменных статоров при снижении скорости компрессора уменьшает крутизну линии помпажа (или срыва) на рабочей характеристике (или карте), улучшая запас по помпажу установленной турбины. Включив переменные статоры в первые пять ступеней, General Electric Aircraft Engines разработала десятиступенчатый осевой компрессор, способный работать при расчетном коэффициенте сжатия 23:1.
Обмен энергией между ротором и жидкостью
Относительное движение лопаток по отношению к рабочей среде придает ей скорость, давление или и то, и другое по мере прохождения через ротор. Скорость рабочей среды увеличивается при прохождении через ротор, а статор преобразует кинетическую энергию в энергию давления. В большинстве практических конструкций некоторая диффузия также происходит в роторе. Увеличение скорости рабочей среды происходит преимущественно в тангенциальном направлении (завихрение), а статор отводит этот угловой момент. Повышение давления приводит к повышению температуры торможения. При заданной геометрии повышение температуры зависит от квадрата тангенциального числа Маха роторного ряда. Современные турбовентиляторные двигатели оснащаются вентиляторами, работающими на скорости 1,7 Маха и выше, что требует существенных конструкций для удержания обломков и снижения шума.
Карты компрессоров
Карта показывает характеристики компрессора и позволяет определить оптимальные режимы работы. На горизонтальной оси откладывается массовый расход, обычно в процентах от расчетного массового расхода или в абсолютных единицах. Повышение давления отображается на вертикальной оси как отношение статического давления на входе к статическому давлению на выходе. Линия помпажа или срыва потока определяет границу, слева от которой характеристики компрессора резко ухудшаются, и указывает на максимальное отношение давлений, которое может быть достигнуто при заданном массовом расходе. Также на карту нанесены линии равной эффективности и характеристики работы при определенных частотах вращения.
Стабильность сжатия
Операционная эффективность максимальна вблизи линии срыва потока. Если давление за компрессором превышает максимально возможное, компрессор срывается и становится неустойчивым. Обычно неустойчивость возникает на частоте Гельмгольца системы, с учетом объема за компрессором.