Теория паровых и газовых турбин (стр. 1 )

ТЕОРИЯ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Часть 2

Лекция № 1

Ступени компрессора газотурбинного двигателя (ГТД)

Схема и принцип действия ступени осевого компрессора

Осевой компрессор содержит ротор и статор с закреплёнными на них в несколько рядов лопатками. Один ряд лопаток, закреплённый на роторе, называется рабочим венцом, а ряд лопаток, закреплённых на статор, - направляющим или спрямляющим аппаратом. Оба термина, по существу, являются синонимами, т. к. лопатки статора выполняют функцию спрямление потока, закрученного лопатками рабочего венца, и организуют направление потока рабочего тела под необходимым углом на лопатки следующего рабочего венца, расположенного за этим аппаратом.

Сочетание одного рабочего венца и расположенного за ним направляющего аппарата называется ступенью осевого компрессора.

Обычно осевой компрессор ГТД содержит от 5 до 25 ступеней. Перед первой ступенью может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА). Рабочий венец, установленный на диске ротора называется рабочим колесом.

Рис 1

На рис. 1 схематически показана ступень осевого компрессора, содержащая рабочее колесо А и направляющий аппарат Б. Эту ступень можно условно разбить на 3 поперечных сечения:

1 – 1 – перед рабочим колесом;

2 – 2 – за рабочим колесом;

3 – 3 – за направляющим аппаратом.

Параметры рабочего тела в этих сечениях обозначаются индексами, соответствующими номеру сечения.

В каждом из этих сечений в основании лопаток рабочего колеса диаметр корневого сечения обозначают как диаметр втулки Dвт, а по периферии – этих лопаток Dк – диаметр корпуса.

Пространство, заключённое между поверхностями втулки и корпуса, называется проточной частью ступени.

Если мысленно рассечь лопатки ступени цилиндрической поверхностью, ось которой совпадает с осью ступени компрессора, и затем развернуть её на плоскость, то сечения лопаток рабочего колеса образуют ряд одинаковых и одинаково расположены профилей, образующих решётку профилей рабочего колеса А (рис. 2); а сечения лопаток направляющего аппарата соответственно образуют вторую решётку профилей направляющего аппарата Б (рис.2).

Рис 2

Оба профиля повёрнуты по отношению к рис.1 на 900.

Абсолютная скорость c1 рабочего тела перед рабочими лопатками в общем виде может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени или установки перед рабочим колесом входного направляющего аппарата, показанного на рис. 2 пунктиром. Вращению рабочего колеса соответствует на рис. 2 перемещение решётки А справа налево с окружной скоростью u . Cкорость потока относительно рабочих лопаток w1 можно найти из треугольника скоростей, составленных из векторов c1 , u и w1

.

Лопатки рабочего колеса установлены таким образом, чтобы их передние кромки совпадали с направлением вектора w1 . При этом кривизна профиля лопаток выбирается так, чтобы угол выхода β2 потока из колеса был больше угла входа β1 . В этом случае поворот потока сопровождается увеличением поперечного сечения канала между двумя соседними лопатками . В результате скорость потока в направляющем аппарате подает, а статическое давление растёт. При этом полное давление (р* ) в направляющем аппарате уже не растёт, а несколько падает под влиянием гидравлического сопротивления.

Следует отметить, что увеличение площади поперечного сечения струи рабочего тела, текущего через межлопаточный канал, сопровождается уменьшением скорости этого потока только в случае дозвукового течения.

В некоторых случаях, когда скорость потока, набегающего, например, на лопатки рабочего колеса, окажется больше скорости звука ( w1≥ a1 ) , то течение в расширяющемся межлопаточном канале должно было бы сопровождаться не уменьшением, а увеличением скорости. Но, как показывают исследования таких ступеней, в этом случае перед каждой лопаткой решётки обычно возникает скачёк уплотнения (галовная волна) и, пройдя систему этих скачков уплотнения, поток становиться дозвуковым.

Таким образом, независимо от уровня числа М = w1/ a1 набегающего на лопатки потока, течение потока через ступени может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе и уменьшением абсолютной скорости в направляющем аппарате и увеличением статического давления в обоих случаях.

Показанные на рис.2 треугольники скоростей в сечениях 1 – 1 и 2 – 2 обычно совмещают на одном чертеже, называемом треугольником скоростей ступени, и представленном на рис. 3

Рис. 3

Из рис.3 видно, что окружная составляющая абсолютной скорости потока перед рабочим колесом ( предварительная закрутка ) равна:

Если , то предварительная закрутка направлена в сторону вращения колеса и считается положительной. При, - отрицательной.

Если , то вектор с1 направлен параллельно оси вращения колеса, предварительная закрутка отсутствует и такая ступень называется ступень с осевым входом.

Отрезок Δwu , равный разности окружных составляющих относительных скоростей потока перед и за колесом, называется закруткой потока в колесе.

Лекция № 2

Схемы и особенности работы центробежной и диагональной ступеней компрессора

На рис. 4 показана схема центробежной компрессорной ступени , а на рис.5 - изменение параметров потока по тракту ступени.

Рис. 4 Рис. 5

Основными элементами ступени являются рабочее колесо А и диффузор В , а характерными сечениями тракта потока – сечение 1 – 1 перед рабочим колесом, сечение 2 – 2 за ним и сечение 3 – 3 на выходе из диффузора.

Рабочее колесо представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки. Иногда для уменьшения габаритных размеров ступени при заданном расходе рабочего тела организуют двухсторонний подвод рабочего тела к рабочему колесу, и тогда лопатки располагаются симметрично по обе стороны диска.

Вектор абсолютной скорости на входе в рабочее колесо в сечении 1 – 1 обычно имеет осевое направление. Рассечём колесо цилиндрической поверхностью А – А , расположенной, например, на среднем радиусе входного сечения (рис. 6). Развёртка этого сечения показана на рас. 6, а.

Рис.6

На рис.6, б показано сечение лопаток и треугольник скоростей на выходе из колеса с радиальными лопатками;

на рис. 6, в – на выходе из колеса с лопатками, изогнутыми против вращения колеса;

на рис. 6 г – на выходе из колеса с лопатками, изогнутыми по вращению.

На входном участка А – А течение рабочего тела аналогично течению в колесе осевого компрессора – вследствие увеличения поперечного сечения межлопаточного канала относительная скорость потока уменьшается, а давление растёт. Затем поток в межлопаточном канале поворачивается в радиальном направлении и, вовлекаясь лопатками рабочего колеса во вращательное движение с окружной скоростью возрастающей по мере удаления от оси вращения.

Наиболее распространённая форма межлопаточных каналов показана на рис. 6, б и соответствует радиальному расположению лопаток. Среднее значение относительной скорости потока рабочего тела wср практически постоянно, т. к. увеличение ширины канала (расстояния между соседними лопатками) с увеличением высоты лопаток сопровождается уменьшением его высоты (осевого размера лопаток) по мере удаления от оси колеса. С другой стороны давление рабочего тела по радиусу растёт под действием центробежных сил. Одновременно возрастает и абсолютная скорость с рабочего тела.

При этом стоить отметить неравномерное распределение местных значений относительной скорости w по поперечному сечению межлопаточного канала. Здесь рабочее тело участвует одновременно как бы в двух движениях (рис. 7). С одной стороны рабочее тело равномерно растекается от центра к периферии колеса (рис.7 а).

Рис. 7. Эпюры относительной скорости рабочего тела в межлопаточном канале рабочего колеса

С другой стороны, масса рабочего тела, вошедшая в межлопаточный канал и не имевшая до этого момента количества движения относительно своего центра массы, будет по инерции стремиться сохранить этот нулевой момент (в абсолютном движении рабочего тела) и в последующем.

Вследствие этого в относительном движении в межлопаточном канале должно возникнуть циркуляционное течение со скоростью wц в направлении обратном направлению вращения колеса, как показано на рис. 7, б.

В результате сложения этих двух движений действительное распределение относительных скоростей рабочего тела в канале должно иметь характер, близкий к показанному на рис. 7,в.