Глава II
ЛОПАТОЧНЫЕ КОМПРЕССОРЫ И ВЕНТИЛЯТОРЫ
§ 3-9. Принцип действия турбомашин
Турбомашинами (лопаточными машинами) называют агрегаты, в которых происходит непрерывное взаимодействие потока рабочего тела — газа или пара с системами неподвижных и вращающихся каналов определенной геометрии, образованных лопатками. Лопатки неподвижных каналов связаны с корпусом агрегата, а вращающихся — с его ротором.
Системы лопаточных каналов называются лопаточными решетками, а сочетание неподвижной и вращающейся решетки — ступенью лопаточной машины. Совокупность элементов, по которым рабочее тело движется в машине, образует проточную часть.
В результате взаимодействия потока с вращающейся решеткой в лопаточном компрессоре преобразовывается механическая работа, подводимая к ротору, в потенциальную энергию (в давление) рабочего тела. В турбине такое взаимодействие обеспечивает преобразование потенциальной тепловой энергии рабочего тела в механическую работу на валу ротора. В обоих случаях механизм преобразования проходит два этапа — механическая работа в кинетическую энергию потока, затем последняя в потенциальную (компрессор), либо потенциальная энергия в кинетическую, затем кинетическая в механическую работу (турбина). При этом этап перехода механической работы в кинетическую энергию (или наоборот) осуществляется за счет силового взаимодействия потока с вращающейся решеткой, т. е. за счет передачи энергии, а превращение кинетической энергии в потенциальную (или наоборот) обеспечивается геометрией межлопаточных каналов.
Сложная форма межлопаточных каналов, действие центробежных сил и т. д. приводят к тому, что течение рабочего тела в решетках турбомашин имеет пространственный, а часто и неустановившийся характер. Обычно при рассмотрении работы турбомашины принимают следующие упрощения:
поток считается установившимся (параметры в каждом сечении проточной части не зависят от времени);
параметры потока принимаются осредненными по сечению, перпендикулярному его оси;
влиянием внешнего теплообмена и сил тяжести пренебрегают.
Кинематика движения рабочего тела в проточной части турбомашины сложная. Абсолютная скорость потока определяется векторной суммой скоростей переносного движения вращающейся решетки (окружная скорость) и относительного движения потока (движение по отношению к остановленной вращающейся решетке) С = U + W. Такая зависимость определяется построением треугольника скоростей для входа во вращающуюся решетку и для выхода из нее.
§ 3-10. Работа ступени лопаточного компрессора
Лопаточные компрессоры, как и поршневые, служат для повышения давления газа (воздуха) и подачи его к потребителю. Ступень лопаточного компрессора состоит из последовательного сочетания вращающейся решетки — рабочего колеса и неподвижной решетки, которая в центробежных машинах называется выходным диффузором, а в осевых — спрямляющим аппаратом.
К валу рабочего колеса от приводного двигателя передается вращающий момент, обеспечивающий его вращение. Лопатки колеса при вращении оказывают силовое воздействие на газ, заполняющий межлопаточные каналы. Такое воздействие приводит к изменению количества движения протекающей массы газа, т. е. к увеличению его кинетической энергии. Следовательно, в рабочем колесе компрессора осуществляется преобразование механической работы, подводимой к валу, в кинетическую энергию потока газа. В то же время геометрия межлопаточного канала рабочего колеса обеспечивает преобразование части кинетической энергии потока в потенциальную, что приводит к повышению давления газа. В ступени центробежного компрессора основная роль в повышении давления принадлежит центробежным силам, действующим на газ, заполняющий межлопаточные каналы рабочего колеса.
Рис. 3-10. График рабочего процесса ступени лопаточного компрессора.
На выходе из колеса (особенно в центробежной ступени) поток газа обладает значительной кинетической энергией, которая может быть преобразована в потенциальную (в давление) в неподвижных каналах выходного диффузора или спрямляющего аппарата. В рабочем процессе компрессорной ступени в i — s-диаграмме (рис. 3-10) точка 1 соответствует входу в ступень (в рабочее колесо); 2 — выходу из колеса (вход в диффузор или спрямляющий аппарат); 3 — выходу из ступени. Так как движение газа в проточной части ступени сопровождается трением и вихреобразованием, то действительные политропические процессы изменения состояния 1—2 и 2—3 отличаются от адиабатических 1—2' и 2'—3'.
Связь основных параметров газа для процессов повышения давления в ступени компрессора и отдельных ее элементах:
В общем случае п≠п2. Для оценки работы ступени компрессора пользуются средним показателем политропы; принимают п=1,5:1,6 для центробежного компрессора и п = 1,45 :1,55 для осевого.
Изменение энтальпии, соответствующее повышению давления 1 кг газа в ступени компрессора или отдельных ее элементах, называется тепловым напором. Так, тепловой напор ступени hст= i3- i1 Дж/кг. Характеристикой преобразования энергии в ступени лопаточного компрессора служит степень реактивности, показывающая, какую часть от общего адиабатического теплового напора ступени составляет адиабатический напор, создаваемый рабочим колесом
. В ступенях центробежных и осевых компрессоров 1≥р≥0,5.
Эффективность процессов, проходящих в ступени, оценивается относительным адиабатическим к. п. д., характеризующим отклонение действительных процессов повышения давления от адиабатических:
(3-10а)
Пренебрегая изменением средней теплоемкости срт в процессах повышения давления и заменяя отношение температур отношением 130
