4.1. Основные параметры многоступенчатого компрессора (каскада) и их связь с параметрами ступеней

Многоступенчатый осевой компрессор состоит из ротора, представляющего собой несколько рабочих колес, получающих вращение от одного вала, и статора, состоящего, в свою очередь, из нескольких венцов лопаток направляющих аппаратов, закрепленных в общем корпусе. Пример одного из возможных вариантов конструктивного выполнения ротора и статора осевого компрессора показан на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Ротор и статор осевого компрессора

На рис. 4.2 приведена схема (разрез) многоступенчатого осевого компрес­сора с указанием обозначений характерных сечений проточной части, которые будут использованы в дальнейшем.

Здесь в  сечение на входе в компрессор; к  сечение на выходе из компрессора; I, II, III, … ,i, …, z  сечения на входе в первую, вторую, третью, i-тую и последнюю ступени. Сечение в располагается перед входным направляющим аппаратом (ВНА) или перед рабочим колесом первой ступени, если ВНА отсутствует. Сечение к располагается на выходе из последней ступени. В этом сечении воздушный поток обычно не имеет значительной окружной составляющей скорости, так как это могло бы привести к увеличению потерь в установленных за компрессором элементах воздушного тракта двигателя (вследствие потери кинетической энергии этой составляющей из-за её затухания под действием сил вязкости). В некоторых компрессорах для уменьшения этих потерь при спрямлении потока на выходе дополнительно устанавливается еще один направляющий ("спрямляющий") аппарат. Тогда сечение к располагается за этим аппаратом.

Рис. 4.2. Схема многоступенчатого

осевого компрессора

Основными параметрами многоступенчатого компрессора (большинство которых аналогично параметрам ступени) являются следующие:

а) степень повышения давления

; (4.1)

б) адиабатная работа сжатия(повышения давления)

; (4.2)

в) работа, затрачиваемая на вращение ротора компрессора

; (4.3)

г) КПД компрессора

, (4.4)

который с учетом формул (4.2) и (4.3) может быть записан как

, (4.5)

где и.

Как и в ступени компрессора, этот КПД учитывает снижение по сравнению с работой, затраченной на вращение компрессора, из-за наличия гидравлических потерь.

д) Средний коэффициент нагрузки ступеней компрессора ,равный

; (4.6)

е) Расход воздуха через компрессор G_в;

ж) Удельная производительность G_F, равная отношению расхода воздуха к лобовой площади входа в компрессор, т.е.

(4.7)

Рассмотрим далее взаимосвязь между основными параметрами компрессора (каскада) и параметрами входящих в него ступеней при условии, что расход воздуха через все ступени одинаков.

а) Степень повышения давления воздуха в компрессоре, очевидно, равна произведению степеней повышения давления во всех его ступенях

. (4.8)

б). Работа, затрачиваемая на вращение вала компрессора, равна сумме работ вращения его ступеней

. (4.9)

в). КПД компрессора связан с КПД его ступеней следующим образом:

так как и, то, в соответствии с (4.9),

,

откуда

. (4.10)

Если КПД всех ступеней принять одинаковым и равным некоторому среднему их значению , то в соответствии с (4.10)

. (4.11)

Рис. 4.3.Процесс сжатия воздуха

в трехступенчатом компрессоре

Для доказательства этого утверждения рассмотрим процесс сжатия воздуха в трехступенчатом компрессоре (рис. 4.3). Точки I,II,IIIизображают здесь состояние воздуха на входе в первую, вторую и третью ступени. ЛинияI-к_адизображает процесс адиабатного сжатия воздуха во всем компрессоре. ЛинияI-кдействительный процесс сжатия. В то же время процессы адиабатного сжатия для второй и третьей ступеней при тех значениях давления и плотности воздуха, которые в действительности имеют место на входе в эти ступени, изобразятся линиямиII—IIIиIII—к'.Как видно из рисунка, сумма адиабатных работ сжатия воздуха во всех трех ступенях оказывается больше адиабатной работы компрессора на величину, эквивалентную заштрихованной на рис. 4.3 площади. Аналогичный вывод получается и при сравнении адиабатных работ компрессора и суммы адиабатных работ его ступеней в параметрах заторможенного потока и, соответственно, как следует из формулы (4.11),оказывается меньше.

Этот результат является следствием теплового сопротивленияв многоступенчатом компрессоре и связан с тем, что температура воздуха на входе в каждую последующую ступень оказывается выше, чем она была бы при отсутствии гидравлических потерь в предыдущей ступени. А это приводит к увеличению потребной работы сжатия воздуха в последующей ступени.

Приближенно связь между КПД компрессора и средним значением КПД его ступенейможет быть определена с помощью формулы (вывод которой здесь не приводится)

. (4.12)

В однокаскадных компрессорах современных авиационных ГТД или в их отдельных каскадах при расчетной частоте вращения степень повышения дав­ления колеблется в широких пределах: в вентиляторах ТРДДот 1,7 до 4, а в многоступенчатых компрессорах до 10-ти и более. Средний коэффициент на­грузки ступенейв осевых компрессорах ГТД равен 0,25... 0,35. КПД компрессоров с дозвуковыми ступенями обычно достигает 0,86 … 0,88, а с трансзвуковыми0,82 … 0,84.