3.12. Схема и особенности работы центробежной ступени компрессора

Рис. 3.19. Схема центробежной

компрессорной ступени

Течение воздуха в рабочем колесе. Рабочее колесо обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки сложной формы (рис. 3.20).

Рассечем колесо цилиндрической поверхностью А-А (рис. 3.21,а), расположенной, например, на среднем радиусе входного сечения. Развертка этого сечения на плоскость будет иметь вид, показанный на рис. 3.21,б.

Векторы абсолютной с₁, переноснойu₁и относительнойw₁скоростей воздуха образуют треугольник скоростей на входе в РК.

Направление передних кромок лопаток РК на расчетном режиме работы компрессора во избежание срыва потока должно быть близким к направлению вектора w₁, которое характеризуется угломβ₁.

Сразу после входа в межлопаточный канал колеса воздушный поток, следуя изгибу его стенок, поворачивается так, что вектор относительной скорости wоказывается направленным почти параллельно оси ступени (рис. 3.21б). На этом участке рабочего колеса течение воздуха аналогично течению в колесе осевого компрессоравследствие увеличения поперечного сечения межлопаточного канала относительная скорость воздуха уменьшается, а давление растет.

Затем поток воздуха, двигаясь по межлопаточным каналам колеса, поворачивается из осевого направления в радиальное, при этом значение отно­сительной скорости потока почти не изменяется.

После этих двух поворотов воздушный поток движется в радиальном направлении, вовлекаясь одновременно лопатками рабочего колеса во вращательное движение с окружной скоростью, возрастающей по мере удаления от оси вращения.

Среднее значение относительной скорости потока воздуха w_срздесь обычно почти не изменяется, так как по мере удаления от оси увеличение ширины канала (расстояния между соседними лопатками) сопровождается уменьшением его высоты (т. е. осевого размера). Однако, несмотря на постоянствоw_ср, давление воздуха растет по радиусу, так как движение его частиц происходит здесь в поле действия центробежных сил. Одновременно возрастает и абсолютная скорость воздуха, т.к. возрастает окружная скорость.

На выходе из колеса средняя относительная скорость воздуха w₂вследствие инерционности потока направлена не точно вдоль лопаток (по радиусу), а с некоторым отклонением в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Сложив векторw₂с вектором окружной скорости колеса в этом сеченииu₂,можно определить абсолютную скоростьc₂, как показано на рис. 3.22.

Течение воздуха в диффузоре. Воздух, вышедший из колеса со скоростьюc₂, поступает далее в диффузор.

В отличие от осевой ступени, параметры воздушного потока в зазоре между рабочим колесом и лопатками диффузора не остаются неизменными. Пренебрежем трением о стенки диффузора. Тогда при свободном течении воздуха в этом зазоре момент количества движения каждой его частицы относительно оси ступени должен оставаться неизменным. Поэтому, если Δm масса частицы,c_u окружная составляющая её абсолютной скорости иr текущий радиус, то Δmc_ur =constилиc_ur =const, т.е.c_u =const/r.Следовательно, окружная составляющая, а вместе с ней и абсолютное значение скорости воздуха в рассматриваемом зазоре уменьшаютсяпо мере увеличения радиуса. Это сопровождается соответствующим увеличением давления.

Таким образом, даже при отсутствии за колесом спрямляющих поток лопаток, можно организовать торможение воздушного потока, выходящего с большой скоростью из колеса, направив его в пространство между двумя кольцевыми поверхностями (стенками). Поэтому участок между сечениями 2-2и2'-2'(см. рис. 3.19) получил название «безлопаточный диффузор».

Однако в безлопаточном диффузоре уменьшение скорости происходит сравнительно медленно (примерно обратно пропорционально радиусу), что приводит к необходимости выполнять его с увеличенными диаметральными размерами и сопровождается большими потерями на трение воздуха о стенки. Для более эффективного торможения потока, выходящего из колеса, в центробежных ступенях (компрессорах) авиационных ГТД обычно применяют лопаточные диффузоры, работающие аналогично направляющим аппаратам осевых ступеней. Примерный вид межлопаточных каналов лопаточного диффузора при рассечении его плоскостью, нормальной к оси вращения колеса ступени, показан на рис. 3.23. Как видно, канал между двумя соседними лопатками, выполняется расширяющимся, что ведет к значительному уменьшению скорости воздуха и увеличению его давления.

При течении воздуха в выходном канале или выходных патрубках ступени (за диффузором) его давление уже практически не изменяется.

Рис. 3.24. Схема диагональной ступени компрессора

Указанные недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в так называемой диагональной ступени, схема проточной части которой показана на рис. 3.24. По принципу работы она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении частиц воздуха в колесе от центра к периферии (по коническим поверхностям тока). Но доля этой работы в общей работе сжатия воздуха в колесе здесь меньше, чем в центробежной ступени. Это снижает возможные значения степени повышения давления воздуха в такой ступени. Но зато меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени и получить более высокие значения ее КПД.