Осевой компрессор – это лопаточная машина, предназначенная для сжатия атмосферного воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Осевой компрессор приводится во вращение газовой турбиной.
На рисунке 6 показана принципиальная схема многоступенчатого осевого компрессора. Обозначениями на схеме показаны: 1 – входной патрубок, 2 – концевые уплотнение, 3 – опоры ротора, 4 входной направляющий аппарат, 5 – рабочие лопатки, 6 – направляющие лопатки, 7 – корпус, 8 – спрямляющий аппарат, 9 – диффузор, 10 – выходной патрубок, 11 – ротор.
Рисунок 6 – Принципиальная схема многоступенчатого ОК
Осевой компрессор состоит из следующих основных узлов:
Статор ОК, который так же является его корпусом. В проточной части статора установлены направляющие лопатки, которые служат для изменения величины и направления скорости потока воздуха. Так же в статорной части устанавливаются опоры ротора.
Ротор с закрепленными на нем рабочими лопатками, которые лопатки служат для сообщения энергии потоку воздуха. Ротор ОК соединен с ротором турбины. Совокупность одного ряда рабочих лопаток и одного направляющих лопаток аппарата называется ступенью осевого компрессора, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7 – Ступень осевого компрессора.
При прохождении воздушного потока через рабочее колесо ОК возрастает давление, температура и абсолютная скорость, так как рабочее колесо вращается, и межлопаточный канал имеет диффузорную форму. При прохождении через сопловой аппарат давление и температура продолжают расти, но абсолютная скорость падает, так как сопловой аппарат статичен и тоже имеет диффузорную форму. На рисунке 8 показаны графики изменения давления, температуры и абсолютной скорости потока воздуха при прохождении через ступень ОК.
|
|
Рисунок 8 – Графики изменения давления, температуры и абсолютной скорости воздушного потока
Пространство между соседними лопатками называется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал, как между рабочими лопатками, так и между направляющими является диффузорным, то есть расширяющимся.
Для исключения перетекания воздуха из проточной части ОК в подшипниковые полости, а так же исключения проникновения масляных паров из подшипников в проточную часть, устанавливаются концевые уплотнения. В основном в газотурбинных двигателях на осевых компрессорах применяют лабиринтные уплотнения.
В качестве опор ротора ОК применяются подшипники качения или подшипники скольжения. Подшипники скольжения применяются для тяжелых роторов ГТУ, применяемых в стационарных ГПА. Подшипники качения применяются для более легких роторов авиационных и судовых двигателей.
Довольно высокая степень газодинамической инертности осевых компрессоров является причиной того, что компрессор относительно медленно набирает обороты, обладает низкой приемистостью. Так как осевые компрессоры приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, смена режимов работы таких турбокомпрессоров занимает довольно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады: компрессор низкого давления со своей отдельной турбиной устанавливается на валу, пропущенном через полый вал следующего за ним компрессора высокого давления и его турбины. Возможно так же разделение на три каскада: компрессор низкого давления, компрессор среднего давления, компрессор высокого давления.
|
|
Данное решение улучшило работу компрессоров на переходных режимах, а также повысило их газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости ОК стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя
На рисунке 9 и представлен однокаскадный газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2 применяемый в ГПА-16 «Урал».
На рисунке обозначены: 1 – входное устройство; 2 – входной корпус компрессора с центральным приводом; 3 – компрессор газогенератора; 4– камера сгорания; 5 – турбина газогенератора; 6 – турбина свободная (силовая); 7 – задняя опора; 8 – вал отбора мощности; 9 – коробка приводов; 10 – стартер.
Рисунок 9 – Газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2
На рисунке 10 представлен двухкаскадный газотурбинный двигатель ДГ90Л2.1 применяемый в ГПА-Ц1-16С, ГПА-Ц1-16РС, ГПА-16 «Волга», ГПА-16ДГ «Урал»
Рисунок 10 – Газотурбинный двигатель ДГ90Л2.1
На рисунке обозначены: 1 – входной направляющий аппарат; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания; 5 – турбина высокого давления; 6 – турбина высокого давления; 7 – свободная (силовая) турбина; 8 – рама; 9 – выносная коробка приводов; 10 – нижняя коробка приводов
На рисунке 11 показан трехкаскадный газотурбинный двигатель НК-36СТ применяемый в ГПА-Ц-25БД, ГПА-Ц-25НК, ГПА «Нева-25НК-Р».
|
|
Рисунок 11 – Газотурбинный двигатель НК-36СТ
Межлопаточные каналы (профиль и угол установки лопаток) всех ступеней компрессора профилируются исходя из расчетного режима (номинального режима).
При пуске на низких частотах вращения малый расход воздуха приводит к уменьшению осевой скорости и разрыву потока, что и вызывает появление срывов на первых ступенях компрессора. При этом последние ступени могут работать в турбинном режиме или в режиме запирания. Такое явление называется помпажем осевого компрессора.
Помпаж характеризуется нерасчетными знакопеременными нагрузками на все узлы и детали компрессора вплоть до их разрушения.
Внешние проявления помпажа: нехарактерный гул; повышенная вибрация; хлопки удары; обратный выброс воздуха на вход.
Для предотвращения явления помпажа осевого компрессора существует противопомпажная механизация, которая в себя включает установку на корпусе ОК клапанов перепуска воздуха и управляемых лопаток ВНА и НА первых ступеней. Сброс воздуха через открытые КПВ, установленные в средней части компрессора, позволяет одновременно увеличить расход воздуха через первые ступени и уменьшить через последние, приблизив режимы их работы к расчетным. Места установки, количество и проходные сечения КПВ рассчитываются для каждого двигателя индивидуально.
На рисунке 12 показана газодинамическая схема газотурбинного двигателя НК-14СТ с перепуском воздуха из средней части корпуса ОК через КПВ.
Рисунок 12 – Газотурбинный двигатель НК-14СТ
На рисунке обозначены: 1 – перепуск воздуха из компрессора; 2 – отбор воздуха на нужды ГПА; 3 – отбор воздуха на эжектор для охлаждения; 4 – подвод воздуха от эжектора.
Так же для борьбы с помпажем применяется рассмотренный выше способ разделения осевого компрессора на два или более каскада, вращающихся независимо друг от друга с различными скоростями вращения.