Схема многоступенчатого осевого компрессора

Осевой компрессор

Осевой, как и центробежный компрессор, относится к классу динамических машин или турбокомпрессоров.

Устройство и принцип работы осевого компрессора

Степень сжатия газа на одном осевом рабочем колесе, не превышает 1,3, поэтому центробежные турбокомпрессоры, как правило, изготавливаются многоступенчатыми. Число ступеней в осевых машинах может достигать 20.

Под ступенью осевого компрессора понимают совокупность ряда рабочих лопаток и последующий направляющий аппарат, если он имеется.

Схема осевого турбокомпрессора показана на рисунке.

Воздух или другой газ поступает в компрессор через всасывающий патрубок. Через входной направляющий аппарат он поступает на лопатки первой ступени. В результате воздействия лопаток на частицы газа, скорость потока увеличивается, через направляющий аппарат он поступает на вход последующей ступени, и так далее. После прохождения всех ступеней сжатый воздух, или другой газ поступает в напорную магистраль.

Рабочие лопатки

Рабочие лопатки воздействуют на поток газа, передавая ему энергию, они являются важнейшим элементом турбокомпрессора. Создание направляющих и рабочих лопаток оптимального профиля позволяет обеспечить высокий КПД осевого турбокомпрессора.

Рабочие лопатки могут изготавливаться совместно с промежуточным телом, или отдельно от него. Во втором случае следует обеспечить надежное крепление лопаток на вращающемся теле, т.к лопатки будут подвержены значительным нагрузкам, а наличие зазоров в соединении может привести к появлению вибрации.

Направляющие лопатки

Направляющие лопатки крепятся на неподвижной части осевого компрессора, они не подвержены воздействию центробежных сил. Направляющий аппарат позволяет достичь оптимальных характеристик потока на входе последующей ступени сжатия.

Входной направляющий аппарат

На входе осевого компрессора может быть установлен направляющий аппарат, который представляет из себя набор лопаток, закручивающих поток, в сторону вращения рабочего колеса, или в противоположную сторону в зависимости от конструктивных особенностей компрессора.

Комбинированный центробежно-осевой компрессор

Комбинированным называют многоступенчатый лопастной компрессор, у которого первые ступени сжатия являются осевыми, а последняя — центробежной. Комбинированный компрессор, позволяет обеспечить большую, чем при использовании осевой машины, степнь сжатия, сохраняя высокий КПД.

Схема комбинированного центробежно-осевого компрессора показана на рисунке.

Газ подводится к всасывающему патрубку и поступает на осевые лопатки первой ступени, после которых установлен направляющий аппарат, затем газ поступает на следующую осевую ступень, где степень сжатия газа увеличивается. После прохождения всех осевых лопаток газ поступает в центральную часть центробежного колеса. В результате взаимодействия с лопатками центробежного рабочего колеса, газ под действием центробежной силы поступает в отводящее устройство и направляется в напорную магистраль.

Применение осевых компрессоров

Осевые компрессоры используют в доменном производстве на металлургических предприятиях, в газотурбинных установках, авиационных реактивных двигателях, для обеспечения наддува двигателей внутреннего сгорания.

Источник

Осевой компрессор

Компрессор. Схема мно­гоступенчатого осевого комп­рессора изображена на рис. 2.1. Его основными составны­ми частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (ци­линдр), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращаю­щихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними непод­вижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рис. 2.5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу сту­пеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патру­бок 10.

Рис. 2.1 Схема многоступенчатого осевого компрессора:

1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воз­духа из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопа­ток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продол­жается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепуск­ному трубопроводу.

Лопатки компрессора 1 (рис. 2.2) образуют ряд рас­ширяющихся каналов (диффузо­ров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим ка­налам его давление повышает­ся в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, обра­зованных не-подвижными направляющими лопатками 2, про­исходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рис. 2.2 Схема ступени осевого компрессора

Выбор числа каскадов компрессора

Разработка одновального осевого компрессора на степени повыше­ния давления (π_к) более семи связана с преодолением двух основных про­блем:

— чрезмерно высокой быстроходности первых и низкой – последних ступеней из-за многократно уменьшающегося удельного объема вдоль проточной части при единой частоте вращения ротора; возникают неоптимальные условия для обеспечения высоких адиабатических КПД первых и последних ступеней;

— сильного рассогласования первых ступеней при запуске и частичных нагрузках, срывного обтекания с высокими динамическими напряжениями в лопаточном аппарате.

В авиадвигателестроении задача повышения π_к была решена путем разработки многокаскадных компрессоров, когда механически соединены роторы компрессоров и турбин соответствующих давлений: ТНД вращает КНД, а ТВД — КВД. Эти группы турбомашин и называют каскадами. Для сохранения прямоточности и компактности двигателя вал, соединяющий КНД с ТНД, расположен концентрично внутри ротора КВД — ТВД. Ком­прессор на большую общую π_к и турбина с высокой π_т образованы турбо-машинами с малыми или умеренными (2,5 — 4,5) степенями повышения (понижения) давления, при этом каждый каскад имеет оптимальные быст­роходности. Газодинамическая и прочностная проблемы здесь заменены сложным конструктивно-технологическим исполнением. Для транспортно­го двигателя с плотной компоновкой узлов при большой серийности про­изводства дополнительное усложнение оправдано, тем более что другие способы повышения КПД (путем усложнения цикла) повлекли бы за собой рост удельной массы ГТД и его габаритов. При оптимальном конструиро­вании такое исполнение обеспечивает и меньшую удельную массу ГТД.

В стационарном газотурбостроении ГТУ с многокаскадным ком­прессором нашли ограниченное применение. Для машин большего ресур­са их главным недостатком является усложнение ремонта на месте экс­плуатации при большой стоимости транспортировки тяжелых узлов на за­вод или в ремонтный центр.

Достижение высоких π_к в простом цикле стационарных ГТУ задер­жалось.

Сначала была решена задача управления однокаскадным компрессо­ром при частичных режимах и на запуске — введением одного (РВНА), а затем и нескольких рядов регулируемых направляющих аппаратов (ПНА). Затем удалось оптимизировать проточную часть осевых компрессоров со­вмещением последних низконапорных ступеней с первыми, выполняя их трансзвуковыми. В начале 70-х годов в России и США были разработаны компрессоры с трансзвуковыми ступенями для энергетических ГТУ с по­стоянной частотой вращения (ЛМЗ, г. Ленинград, Дженерал Электрик). К концу 70-х годов созданы отечественные приводные ГТУ с трансзвуковы­ми компрессорами ( ГТН-16 ТМЗ). С середины 80-х годов этот подход на­шел применение в приводных ГТУ зарубежных фирм (ГТУ Тип 10, АББ-Зульцер; «Марс» Солар — США; ПЖТ -10, Нуово Пиньоне, Италия).

Консерватизм стационарного газотурбостроения в части применения трансзвуковых компрессоров имел основания. В 60-х годах были разрабо­таны (за рубежом и в России) изолированные дозвуковые ступени и мало­ступенчатые компрессоры, у которых адиабатический КПД при испытани­ях достиг величины 95 — 94%. Трансзвуковые ступени обеспечивали тогда 83 — 85% при крутой газодинамической характеристике. Отрыв погранич­ного слоя в области скачков уплотнений был главным препятствием в дос­тижении высокого КПД. Однако экспериментальные исследования последних 15 лет позволили повысить КПД трансзвуковых ступеней до 88 и даже 91%. Однокаскадный осевой компрессор стал конкурентоспособ­ным с многокаскадным, а при умеренных (12 — 14) общих π_к обеспечил бо­лее высокий интегральный КПД в связи с отсутствием промежуточных патрубков. Конструктивно-технологический облик ГТУ с однокаскадным компрессором обеспечивает существенно большую простоту изготовле­ния, эксплуатации и, особенно, ремонта. При однокаскадном исполнении упрощается конструкция турбины, приводящей компрессор. Последнее относится к подшипникам, уплотнениям, системе охлаждения ротора. В однокаскадных компрессорах с большой степенью повышения давления (π_к) из-за общей высокой быстроходности ротор нередко получается «гибким», т.е. его рабочая частота вращения находится выше или между критическими частотами системы (ротор — масляный слой подшипников -статор). Современные методы расчета, дополненные экспериментами на прототипах, позволяют качественно решать задачу на этапе конструирова­ния машины без проблем для ее будущей эксплуатации.

В многовальном газогенераторе отдельные роторы турбомашин мо­гут быть «жесткими». Но валопровод, образуемый при соединении роторов компрессоров и турбин соответствующих каскадов длинными промежу­точными валами, может иметь несколько собственных частот в рабочем диапазоне режимов. Обеспечение малого уровня вибрации и стабильности во времени такой системы является достаточно сложной расчетно-экспериментальной задачей.

На каждом этапе научно-технического развития многовальный га­зогенератор позволяет создать ГТУ (ГТД) с существенно большей сте­пенью повышения давления в цикле (π_к), и только при такой поста­новке задачи имеет смысл его разработка. К концу 90-х годов при π_к в однокаскадных компрессорах 12-18 многокаскадные обеспечивают ее зна­чения 25-36 и более. Разработка стационарных ГТУ с многовальным газо­генератором не исключена, но требует изысканий оригинальных техниче­ских решений. Прямое копирование конструкций транспортных ГТД для машин с на порядок большей массой узлов, малой серийностью приводит к отрицательному результату — к суммированию недостатков ГТУ двух разных назначений. Большинство газотурбостроительных фирм продолжа­ет создание стационарных ГТУ как приводных, так тем более энергетиче­ских исключительно с одновальными газогенераторами. (Фирма АББ, Швейцария, разработала энергетическую ГТ-26 мощностью 240 МВт с π_к=30 в однокаскадном компрессоре.)

На каком-то этапе выполнение нескольких рядов направляющих ло­паток поворотными представлялось специалистам значительным усложне­нием компрессора. Однако разработка рациональной конструкции, осна­щение производства перевели эту проблему в ряд обычных инженерных задач.

Источник

Схемы многоступенчатых осевых компрессоров

Конструктивное исполнение ступени осевого компрессора отличается меньшей сложностью, чем центробежного (рис. 5.11).

Лопасти рабочего колеса могут крепиться на втулке неподвижно либо их можно разворачивать на определенный угол при остановленном компрессоре. Лопатки направляющего аппарата также могут быть неподвижными или поворотными. Поворот лопаток может осуществляться как при остановленном, так и работающем компрессоре. Выбор контрольных сечений в осевой ступени осуществляется аналогично с центробежной ступенью. Направляющий аппарат» его выходные элементы частично выполняют роль обратного направляющего аппарата для последующей ступени.

На рис. 5.12, а показана схема стационарного многоступенчатого осевого компрессора. Основные элементы компрессора: вращающийся ротор 1, представляющий собой полый барабан с закрепленными на нем пространственными лопастями, и неподвижный корпус 3 с пространственными лопатками направляющих аппаратов. Комплект лопастей ротора (рабочее колесо) и комплект лопаток корпуса (направляющий аппарат), лежащих в плоскостях, перпендикулярный оси вращения, составляют ступень компрессора.

Газ поступает во входной патрубок 7, затем в конфузорный участок 5, где газовый поток ускоряется и получает осевое направление с равномерным распределением скорости перед входным направляющим аппаратом. При необходимости предварительной закрутки газового потока перед поступлением в рабочее колесо первой ступени устанавливается входной направляющий аппарат 5 иногда с поворотными лопатками. Передаваемая через вал ротора 1 энергия привода в межлопастных каналах рабочих колес 2 преобразуется в потенциальную. и кинетическую энергию газового потока.

В направляющих аппаратах 4, 6 кинетическая энергия газа частично преобразуется в потенциальную.

Напор (давление) газового потока последовательно растет от ступени к ступени компрессора. Перед поступлением газа в выходной патрубок 10 газ попадает в безлопа-точный диффузорный участок 9, обеспечивающий минимально необходимую выходную скорость газового потока. Осевая скорость газового потока от ступени к ступени обычно изменяется незначительно, что приводит к уменьшению площади поперечного сечения проточной части, так как плотность газа растет с повышением давления. В осевых компрессорах используются схемы проточной части (рис. 5.12,6).

Схема 1 характерна постоянным наружным диаметром рабочих колес DK — const и увеличивающимся диаметром ротора (барабана) от первой к последней ступени, следовательно, увеличением среднего диаметра рабочих колес.

Достоинством такой схемы является простота конструкции компрессора. Напор от ступени к ступени растет, так как увеличивается средняя переносная скорость.

Недостатком схемы является усложнение конструкции ротора и сравнительно небольшая высота лопаток последних ступеней, что ведет к снижению КПД. Схема применяется при DB == 800 ч- 1000 мм, так как при больших диаметрах затруднено изготовление ротора компрессора.

Схема 2 характерна постоянным диаметром барабана ротора DB = const и уменьшением наружного диаметра рабочих колес DK, следовательно, уменьшающимся средним диаметром Dcр. Преимуществом схемы является простота конструкции барабана ротора, а также то обстоятельство, что лопатки последних ступеней относительно более длинны, чем в конструкции 1 компрессора по схеме L

В связи с уменьшением среднего диаметра Dcp и соответственно средней переносной скорости иср для получения одинакового напора по ступеням компрессора необходимо увеличение коэффициента напора от ступени к ступени. Недостатком рассмотренной схемы является усложнение конструкции корпуса компрессора. Схема предпочтительна при больших диаметрах ротора, например при в > 800—1000 мм.

Схема 3 характерна уменьшающимся наружным диаметром рабочих колес DK и увеличивающимся диаметром барабана ротора DB при постоянном среднем диаметре Dcp. Рассмотренная схема употребляется редко, так как усложняется конструкция ротора и корпуса компрессора.

Схема 4 характерна увеличением диаметра DK рабочих колес и диаметра DB барабана ротора. Соответственно увеличивается и средний диаметр Dcp проточной части компрессора. Увеличение среднего диаметра ступеней создает условия для повышения напорности последующих ступеней, однако сложность изготовления ротора и корпуса компрессора, а также малые размеры лопаток последних ступеней ограничивают применение рассмотренной схемы.

От выбора схемы осевого компрессора зависят размеры и КПД, форма напорной характеристики машины.

Источник