3.9 Многоступенчатые осевые компрессоры

3.9.1 Основные параметры многоступенчатого компрессора

Степень повышения давления в одной ступени осевого компрессора обычно не превышает 1,7; общая степень повышения давления в компрессоре составляет 10..40, что достигается использованием многоступенчатых конструкций. Условимся сечение перед входом в направляющий аппарат компрессора обозначать «в», на входе в ступени – I, II, III, IV и т.д. Если ВНА отсутствует, то сечения «в» и I совпадают. Сечение «к» находится за последней ступенью компрессора. Число ступеней современных авиационных компрессоров составляет от 6 до 17.

Для характеристики компрессоров в целом используют следующие параметры:

Степень повышения давления

или 3.1

Удельная производительность, т.е. расход воздуха через единицу общей габаритной площади на входе в компрессор

3.2

Работа вращения вала компрессора и изоэнтропическая работа, которые определяются из уравнения сохранения энергии

,

или, после преобразований:

3.3

Изоэнтропический КПД компрессора (характеризует термодинамическое совершенство компрессора)

3.4

Мощность, затрачиваемая на вращение компрессора

3.5

Рассмотрим связь некоторых параметров одноступенчатого компрессора и его ступеней.

Работа, затрачиваемая на вращение компрессора, в соответствии с уравнением сохранения энергии равна сумме работ на вращение всех ступеней:

3.6

Степень повышения давления в компрессоре равна произведению степеней повышения давления в отдельных ступенях:

3.7

Связь КПД компрессора и ступеней. Из уравнения 3.4 следует

Аналогичное уравнение можно записать и для любой ступени. Согласно уравнению 3.6 можно записать , откуда

3.8

Если принять, что КПД у всех ступеней одинаков и обозначить его , то последнее уравнение примет вид:

3.9

3.9.2 Изменение размеров проточной части компрессора

Запишем уравнение неразрывности для входного и выходного сечений компрессора . Из него следует, что увеличение плотности воздуха по мере его сжатия должно сопровождаться либо снижением осевой составляющей абсолютной скорости , либо уменьшением площади проточной части (что и делается обычно). Если для всех ступеней компрессора , то высота лопаток последних ступеней окажется очень мала, что приведёт к резкому увеличению концевых потерь и снижению КПД.

Для того, чтобы не уменьшать резко высоту лопаток, надо на последних ступенях уменьшать . Однако интенсивное уменьшение этой скорости может вызвать значительное уменьшение угла , такое, что решётка уже не сможет осуществить бессрывной поворот потока.

Наименьшее значение связано с минимально допустимым значением угла , которое примерно равно 30. Обычно на последних ступенях составляет 110..120 м/с.

Уменьшение высоты лопаток от ступени к ступени можно осуществлять уменьшением наружного диаметра, увеличением диаметра втулки или одновременным изменением периферийного и втулочного диаметров при сохранении постоянным среднего диаметра.

При средний диаметр растёт, поэтому растёт работа, передаваемая воздуху на средних и последних ступенях, что может привести к уменьшению числа ступеней. Однако при прочих равных условиях более интенсивно уменьшается высота лопаток последних ступеней, что снижает КПД компрессора.

При условии уменьшается диаметр , что способствует менее резкому снижению высоты лопаток, но уменьшается работа, передаваемая воздуху на средних и последних ступенях. Число ступеней возрастает.

Именно поэтому в авиационных ГТД часто применяют схему . Она является компромиссом двух предыдущих схем в том смысле, что обладает недостатками последних в меньшей степени, хотя и является технологически более сложной.