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.