Зміна параметрів повітря в ступені осьового компресора
Для кращого представлення картини стиснута повітря в щаблі розглянемо графіки зміни абсолютної швидкості руху і тиску повітря в робочому колесі та апараті, що спрямовує (рис. 7).
Повітря входить у робоче колесо, маючи тискР1і швидкістьз1.Робоче колесо стискає повітря до тискуР2і одночасно підвищує швидкість руху повітря доз2.
Повітря, що виходить з робочого колеса зі швидкістюз2і тискомР2,надходить у спрямовуючий апарат. У каналах спрямовуючого апарату швидкість руху повітря зменшується з величинис2= 150 - 220м/секдосВИХ, але одночасно збільшується тиск з величиниР2доРВИХ. Швидкість виходусВИХприблизно дорівнює швидкості входус1і лежить в межах 120 - 180м/сек.
Загальне збільшення тиску повітря в щаблі становить 0,12-0,3кг/см2.У щаблях сучасних осьових компресорів підвищення тиску (стиснення повітря) відбувається приблизно однаково як у робочому колесі, так і в апараті, що спрямовує; це показано на графіках.
При стисканні повітря в одному ступені температура його підвищується на 25-30 0С.
Мал. 7. Зміна швидкості та тиску в робочому колесі та спрямовуючому апараті ступеня
Втрати енергії при русі повітря ступенем осьового компресора
Робота, яка отримується колесом компресора, передається потоку повітря не вся. При русі повітря каналами компресора неминуче виникають втрати тертя, пов'язані з рухом повітря. Ці втрати називаються гідравлічними. На подолання втрат і витрачається частина роботи (енергії), що передається від робочого колесапотоку повітря.
Гідравлічні втрати можна поділити на три групи:
- Втрати на утворення вихрів;
- Втрати на перетікання повітря.
Профільні втрати – це втрати енергії у прикордонному шарі.
Досвід показує, що у поверхні будь-якого тіла, що обтікає потоком повітря, утворюється тонкий прикордонний шар повітря, в якому відбувається гальмування повітряного потоку за рахунок сил тертя між частинками повітря та поверхнею тіла.
Розглянемо прикордонний шар, що утворюється біля лопатки осьового компресора при обтіканні потоком повітря (рис. 8).
Прикордонний шар у стінки має шарувату будову: частинки повітря рухаються шарами, один шар над іншим. Частинки повітря, що знаходяться безпосередньо біля поверхні лопатки, рухаються повільно; що далі вони від поверхні лопатки, то рухаються швидше. Такий прикордонний шар називається ламінарним, він нестійкий, легко порушується, товщина його невелика. Цей шар створює невеликі втрати тертя. У якійсь точці поверхні лопатки плавний рух частинок повітря перетворюється на безладний вихровий рух, шари повітря прикордонному шарі порушується. Повітря перестає рухатися шарами. Поступальний рух частинок повітря переходить і вихровий безладний рух, шари повітря перемішуються. Точка 3 називається точкою переходу. Такий прикордонний шар, де частинки повітря мають вихровий рух, називаєтьсятурбулентним,він дуже стійкий, має більшу товщину, ніж ламінарний прикордонний шар, і тому дає великі втрати на тертя. Товщина прикордонного шару поступово збільшується: до хвостика лопатки вона сягає 2 - 4мм.
Мал. 8. Прикордонний шар повітря
(1 - шаруватий нестійкий, 2 - вихровийстійкий, 3 - точка переходу прикордонного шару з нестійкого в стійкий, 4 - вихровий слід за профілем (супутній струмінь)).
Профільні втрати залежать від форми профілю лопаток, тому називаються профільними. Крім того, профільні втрати залежать від якості обробки поверхні лопаток. Природно, чим гірше оброблена поверхня лопаток, тим більше будуть профільні втрати.
Прикордонний шар повітря утворюється усім стінках каналу, яким тече повітря.
Друга група втрат енергії під час руху потоку повітря - це утворення вихорів. За лопаткою утворюється вихровий слід - так званий супутній струмінь (рис. 8). У природі вихровий слід можна спостерігати у вигляді водяних вихорів, що утворюються за нерухомими предметами, що знаходяться в річці, наприклад за традиціями мостів, за камінням, за скелями і т. д. Опустіть руку в поточну воду, і ви побачите, що від руки утворюється вихровий слід на поверхні води.
Мал. 9. Утворення парного вихору
При русі повітря між лопатками утворюється підвищений тиск на "корытце" (увігнутій стороні лопатки) і знижений тиск (розрідження) на спинці. Різниця цих тисків змушує прикордонний шар зрушуватися від коритця лопаткиАдо спинки лопаткиБ(рис. 9). Ця течія прикордонного шару складається з течією основного потоку повітря і утворює "парний вихор" - два вихори, що обертаються назустріч один одному.
Вихрові зони утворюються при відриві струменя повітря від лопаток, як це зображено на рис. 10.
Мал. 10. Утворення вихрових зон при відриві струменя повітря від лопатки
Третю групу втрат анергії при русі повітря становлять втрати на перетікання повітря з області підвищеного тиску в областьзниженого тиску.
У виконаних конструкціях осьових нагнітачів між торцями лопаток робочого колеса та внутрішньою поверхнею корпусу нагнітача є радіальний зазор 0,5 - 2 мм.
Під дією підвищеного тиску на коритці та зниженого тиску на спинці лопатки виникає перетікання повітря по зазору (рис. 11). Рух лопатки щодо корпусу при обертанні робочого колеса сприяє цьому перетіканню повітря.
Перетікання повітря радіальним зазором зменшує ефективність стиснення повітря лопатками і знижує ступінь стиснення повітря в кожному ступені.
Зі збільшенням швидкості перебігу повітря компресором гідравлічні втрати збільшуються.
Мал. 11. Перетікання повітря радіальним зазором в колесі осьового компресора
Для зменшення гідравлічних втрат поверхні лопаток ретельно полірують, лопаткам надають аеродинамічну форму, що добре обтікається, і намагаються зменшити перетікання повітря шляхом спеціальних ущільнень між ступенями осьового компресора.