Aksialkompressor

En aksial kompressor er en maskine, der kan kontinuerligt pres gasser. Det er en roterende, blad baseret kompressor i hvilken gassen eller arbejdsfluid strømmer hovedsageligt parallelt med rotationsaksen. Dette adskiller sig fra andre roterende kompressorer såsom centrifugal kompressorer, aksialradial kompressorer og blandet flow kompressorer, hvor fluidstrømmen vil omfatte en "radial komponent" gennem kompressoren. Energien væskeniveauet stiger, når den strømmer gennem kompressoren på grund af virkningen af ​​rotorblade, som udøver et moment på fluidet. De stationære blade bremse væsken, konvertere den perifere del af strømmen ind tryk. Kompressorer drives typisk af en elektromotor eller en damp eller en gasturbine.

Aksial- kompressorer producere en kontinuerlig strøm af komprimeret gas, og har fordelene ved høj effektivitet og stort massestrømningshastighed, især i forhold til deres størrelse og tværsnit. De kræver imidlertid, flere rækker af bæreflader til at opnå en stor trykstigning, hvilket gør dem komplekse og dyre i forhold til andre udformninger.

Aksiale kompressorer er en integreret design af store gasturbiner, såsom jetmotorer, høj hastighed skibsmotorer, og lille skala kraftværker. De bruges også i industrielle applikationer såsom store volumen luft adskillelse planter, højovne luft, flydende katalytisk krakning luft og propan dehydrogenering. På grund af høj ydeevne, høj pålidelighed og fleksibel drift under normale flyveforhold, er de også anvendes i flymotorer.

Beskrivelse

Aksiale kompressorer består af roterende og stationære komponenter. En aksel driver en central tromle, tilbageholdes af lejer, der har en række ringformede profildata rækker knyttet normalt parvis, en roterende og en stationær fastgjort til en stationær rørformet hylster. Et par roterende og stationære bæreflader kaldes en scene. De roterende bæreplaner, også kendt som knive eller rotorer, accelerere væsken. De stationære profiler, også kendt som statorer eller skovle, konvertere den øgede roterende kinetiske energi i statisk tryk gennem diffusion og omdirigere strømningsretning af væsken, forbereder det for rotorbladene i den næste fase. Den tværsnitsareal mellem rotor tromle og kappen er reduceret i strømningsretningen at opnå en optimal Mach nummer ved hjælp af variabel geometri, når fluidet komprimeres.

Working

Da væsken kommer ind og forlader i aksial retning, er den centrifugale komponent i energisektoren ligning ikke komme i spil. Her kompressionen er helt baseret på at sprede virkningen af ​​passages.The diffunderer handling i statoren konverterer absolut kinetisk leder af væske i trykstigning. Den relative kinetiske hoved i energi ligning er et begreb, der kun eksisterer på grund af rotorens rotation. Rotoren reducerer den relative kinetiske leder af væske og føjer den til den absolutte kinetiske leder af væsken dvs virkningen af ​​rotoren på væsken partikler øger sin hastighed og dermed reducerer den relative hastighed mellem væsken og rotoren. Kort sagt, rotoren øger absolutte hastighed af fluidet og statoren konverterer dette til trykstigning. Design rotoren passage med en diffuserende kapacitet kan producere en trykstigning i tillæg til sin normale funktion. Dette giver større pres stigning pr fase, som udgør en stator og en rotor sammen. Dette er reaktionsproduktet princip i turbomachines. Hvis 50% af trykstigningen i en fase opnås ved rotorsektionen, siges den at have en 50% reaktion.

Design

Stigningen i trykket frembragt af en enkelt fase er begrænset af den relative hastighed mellem rotoren og fluidet, og dreje- og diffusion kapacitet af bæreflader. Et typisk trin i en kommerciel kompressor vil producere en trykforøgelse på mellem 15% og 60% ved design betingelser med en polytropisk effektivitet i regionen 90-95%. For at opnå forskellige trykforhold, er aksiale kompressorer designet med forskellige antal faser og rotationshastigheder. Som en generel regel-of-thumb vi kan antage, at hvert trin i en given kompressor har den samme temperaturstigning. Derfor ved indgangen, skal temperaturen til hvert trin stige progressivt gennem kompressoren og forholdet / posten må falde, hvilket indebærer en gradvis reduktion i fase trykforhold gennem enheden. Derfor bageste fase udvikler et væsentligt lavere trykforhold end den første fase. Højere stadie trykforhold er også muligt, hvis den relative hastighed mellem væske og rotorerne er supersonisk, men dette opnås på bekostning af effektivitet og operabilitet. Sådanne kompressorer, med stadium trykforhold på over 2, kun anvendes, hvor minimere kompressor størrelse, vægt eller kompleksitet er kritisk, såsom i militære fly. Strømningsprofilafsnittene Profilerne er optimeret og matches til specifikke hastigheder og drejning. Selvom kompressorer kan køres på andre betingelser med forskellige strømme, hastigheder eller trykforhold, kan det resultere i en effektivitet straf eller endda en delvis eller fuldstændig sammenbrud i flow. Således er en praktisk grænse for antallet af faser, og den samlede trykforhold, stammer fra interaktionen af ​​de forskellige stadier når det er nødvendigt at arbejde sig væk fra design- betingelser. Disse "off-design" betingelser kan afbødes til en vis grad ved at tilvejebringe en vis fleksibilitet i kompressoren. Dette opnås normalt ved anvendelse af justerbare statorer eller med ventiler, der kan bløder væske fra hovedstrømmen mellem trin. Moderne jetmotorer bruge en række kompressorer, der kører ved forskellige hastigheder; til at tilføre luft på omkring 40: 1 trykforhold til forbrænding med tilstrækkelig fleksibilitet for alle flyvebetingelser.

Kinetik og energi ligninger

Loven om øjeblik af momentum, at summen af ​​de øjeblikke af ydre kræfter, der virker på en væske, som er midlertidigt besat kontrolvolumen er lig med nettoændringen af ​​impulsmoment flux gennem kontrol volumen.

Den hvirvlende væske kommer ind i kontrol volumen ved radius med tangential hastighed og blade på radius med tangential hastighed.

 er jalousiet vinkel og er bladvinklen.

Sats for skift af momentum, er F givet ved ligningen:

Strømforbrug en ideel bevægelige klinge, er P givet ved ligningen:

Ændring i enthalpi af væske i roterende knive:

Derfor: hvilket indebærer,

Isentropisk kompression i rotorbladet, =

Derfor

hvilket indebærer

Grad af Reaction Det trykforskellen mellem indgang og udgang af rotorbladet kaldes reaktion pressure.The trykændring Energien beregnes ved graden af ​​reaktion.

Derfor R =:

Funktionsegenskaber

En lineær model er udviklet til at forudsige forbigående reaktion af et kompressionssystem efter en perturbation fra stabile driftsbetingelser. Det konstateres, at for systemet undersøges der er en vigtig parameter nondimensional, hvor denne respons er afhængig af. Hvorvidt dette parameter er over eller under en kritisk værdi bestemmer, hvilken tilstand af kompressoren ustabilitet, roterende stall eller stigning, vil blive mødt ved stall linje. Repræsentation af ydeevnekarakteristika for aksialkompressor kan gøres ved følgende parametre:

  • Tryk
  • Strømningshastighed
  • Ikke-dimensionel Gennemstrømningshastighed
  • Strømningskoefficienten
  • Stage Loading Koefficient

Ved at plotte graphs-

Aksiale kompressorer, især nær design betingelser er i det hele, modtagelig for analytisk behandling, og som regel et godt skøn over deres præstationer kan ske, før de køres. Væk fra design punkter, er forestillingerne bekvemt tænkt på i form af de overordnede karakteristika for tryk-stigninger, temperatur-stigninger og effektivitet plottet mod masse-strømme.

  • Pres som en funktion af Flow Rate
  • Trykforhold som funktion af ikke-dimensionel Gennemstrømningshastighed
  • Stage Loading koefficient som funktion af flow koefficient

vi kan bestemme ydeevne aksialkompressor

Forskellen mellem den ideelle og faktiske kurve opstår på grund af scenen tab. Stages tab i kompressoren skyldes hovedsageligt klinge friktion, flow separation, usikker flow og vinge-bladet afstand.

  • Pres som en funktion af Flow Rate

Off-design operation

Udførelsen af ​​en kompressor er defineret i henhold til sit design. Men i praksis, arbejdspunktet for kompressoren afviger fra design- punkt, som er kendt som off-design operation.

.........

.................

ud fra ligning og

Værdien af ​​ikke ændres til en bred vifte af arbejdspunkter Til stå. Også på grund af mindre ændringer i luft vinkel rotor ans stator, hvor er diffuser klinge vinkel.

 er konstant

Repræsenterer design værdier med

....................

for off-design operationer:

..

for positive værdier af J, kurvens hældning er negativ og vice versa.

Bølgende

I plottet pres flow rate grænsen mellem grafen mellem to regions- ustabil og stabil er kendt som den kraftige stigning linje. Denne linje er dannet ved sammenføjning surge punkter ved forskellige omdrejninger. Ustabil flow i aksiale kompressorer grund fuldføre opdeling af den stadige gennem flow er valgperiode som bølgende. Dette fænomen påvirker udførelsen af ​​kompressoren og er uønsket.

Surge cyklus Antag den indledende drift punkt D på nogle rpm N. På faldende flow- hastighed, samme rpm langs den karakteristiske kurve ved delvis lukning af ventilen, trykket i røret øges, der vil blive taget sig af stigningen i input tryk ved kompressoren. Yderligere trykstigning Til punkt P, vil kompressoren trykket øges. Yderligere bevæger sig mod venstre holder rpm konstant, trykket i røret vil stige, men kompressortryk vil falde fører til tilbage luftstrømmen mod kompressoren. På grund af denne tilbagestrømning, vil trykket i røret falde, fordi denne ulige tryktilstand ikke kan opholde sig i lang tid. Selvom ventil position er indstillet til lavere flow sige litra G, men kompressor vil arbejde i overensstemmelse med normal stabil drift punkt siger E, så stien EFPGE vil blive fulgt fører til nedbrydning af flow, dermed tryk i kompressoren falder yderligere til punkt H. Denne stigning og et fald af tryk i røret vil forekomme flere gange i røret og kompressor efter cyklus EFPGHE også kendt som den kraftige stigning cyklus.

Dette fænomen vil medføre vibrationer i hele maskinen og kan føre til mekanisk svigt. Derfor er venstre del af kurven fra den kraftige stigning punkt kaldes ustabil region og kan forårsage skader på maskinen. Så det anbefalede driftsområde er på højre side af den kraftige stigning linje.

Stalling

Stalling er et vigtigt fænomen, der påvirker udførelsen af ​​kompressoren. En analyse er lavet af roterende stall i kompressorer af mange faser, finde betingelser, hvorunder et flow forvrængning kan forekomme som er stabil i et omrejsende referenceramme, selvom upstream total og nedstrøms statiske tryk er konstante. I kompressoren, forudsættes et tryk-rise hysterese. Det er en situation med adskillelse af luftstrømmen på aero-foil vinger på kompressoren. Dette fænomen afhængig af bladet-profilen fører til reduceret kompression og fald i motorkraft. Positive Stalling- strømningsseparation opstår på sugesiden af ​​bladet. Negativ Stalling- strømningsseparation opstår på tryksiden af ​​bladet. Negativ stall er ubetydelig i forhold til den positive stall, fordi flow adskillelse er mindst tilbøjelige til at opstå på tryksiden af ​​bladet.

I en multi-trins kompressor, på stadier højt tryk, aksiale hastighed er meget lille. Stalling værdi falder med en lille afvigelse fra design punkt forårsager stall nær navet og tip regioner, hvis størrelse stiger med faldende flow. De vokser større ved meget lav strømningshastighed og påvirke hele bladhøjde. Tilførselstryk signifikant falder med stor stalling, som kan føre til at flyde vending. Scenen effektivitet falder med højere tab.

Roterende Stalling

Manglende ensartethed i luftstrømmen i rotorbladene kan forstyrre den lokale luftstrømning i kompressoren uden at forstyrre den. Kompressoren fortsætter med at fungere normalt, men med reduceret kompression. Således roterende stall deceases effektiviteten af ​​kompressoren.

I en rotor med blade bevæger sige mod højre. Lad nogle knive modtager flow ved højere forekomst, vil dette kniven stoppe positivt. Det skaber obstruktion i passagen mellem bladet til sin venstre og den selv. Venstre vinge, vil således modtage strømmen ved højere forekomst og bladet til sin ret med nedsat incidens. Den venstre vinge vil opleve mere stall, mens bladet til sin ret vil opleve mindre stall. Mod højre blokering vil falde det vil stige mod sin venstre. Bevægelse af roterende stall kan observeres, afhængigt af den valgte referencerammen.

Effekter

  • Dette reducerer effektiviteten af ​​kompressoren
  • Tvungne svingninger i bladene på grund af passage gennem stall rum.
  • Disse tvungne svingninger kan matche med den naturlige frekvens af bladene forårsager resonans og dermed svigt af bladet.

Udvikling

Tidlig aksiale kompressorer tilbydes ringe effektivitet, så fattige, at i begyndelsen af ​​1920'erne en række papirer hævdede, at en praktisk jetmotor ville være umuligt at konstruere. Tingene ændret efter AA Griffith offentliggjorde en skelsættende papir i 1926, og bemærker, at årsagen til de dårlige resultater var, at de eksisterende kompressorer bruges flade blade og blev hovedsagelig "flyvende gået i stå". Han viste, at anvendelsen af ​​bæreflader i stedet for de flade vinger vil øge effektiviteten til det punkt, hvor en praktisk jetmotor var en reel mulighed. Han konkluderede papiret med en grundlæggende diagram af en sådan motor, som omfattede en anden turbine, der blev brugt til at drive en propel.

Selvom Griffith var velkendt på grund af hans tidligere arbejde på metal træthed og stress måling, synes lidt arbejde at have startet som et direkte resultat af hans papir. Den eneste åbenlyse indsats var en test-bed kompressor bygget af Hayne Constant, Griffith kollega på Royal Aircraft Establishment. Andre tidlige jet indsats, navnlig dem af Frank Whittle og Hans von Ohain, var baseret på den mere robust og bedre forstået centrifugal kompressor, som blev udbredt i kompressor. Griffith havde set Whittle arbejde i 1929 og afviste det, at bemærke en matematisk fejl, og går på at hævde, at den frontale størrelse af motoren ville gøre det ubrugeligt på en high-speed fly.

Virkelige arbejde på aksial-flow motorer startede i slutningen af ​​1930'erne, i flere indsats, som alle startet på omkring samme tid. I England, Hayne Constant indgået en aftale med dampturbinen selskab Metropolitan-Vickers i 1937, starter deres turboprop indsats baseret på Griffith design i 1938. I 1940, efter den vellykkede løbe af Whittle s centrifugal-flow design, var re- deres indsats udformet som en ren stråle, det Metrovick F.2. I Tyskland havde von Ohain produceret en række arbejdsgrupper centrifugale motorer, hvoraf nogle havde fløjet herunder verdens første jetfly, men udviklingsindsats var flyttet til Junkers og BMW, der bruges aksial-flow design i verdens første jetjager og jet bombefly . I USA blev både Lockheed og General Electric tildelt kontrakter i 1941 for at udvikle aksial-flow motorer, den tidligere en ren stråle, sidstnævnte en turboprop. Northrop startede også deres eget projekt at udvikle en turboprop, som den amerikanske flåde til sidst indgået i 1943. Westinghouse også ind kapløbet i 1942, deres projekt viser sig at være den eneste vellykkede et af de amerikanske bestræbelser, senere at blive J30.

Ved 1950'erne alle større motor udvikling var flyttet videre til aksial-flow-typen. Som Griffith oprindeligt havde bemærket i 1929, den store frontal størrelse centrifugalkompressoren fik den til at have højere luftmodstand end det smallere aksial-flow-typen. Derudover aksial-flow design kunne forbedre sin kompressionsforhold ved blot at tilsætte supplerende etaper og gøre motoren lidt længere. I centrifugal-flow design kompressoren selv skulle være større i diameter, som var meget vanskeligere at "passe" korrekt på flyet. På den anden side, centrifugal-flow design forblev meget mindre komplekse og har derfor en rolle på steder, hvor størrelse og strømline er ikke så vigtigt. Af denne grund, de er fortsat en stor løsning for helikopter-motorer, hvor kompressoren ligger fladt og kan bygges til ethvert behov størrelse uden at forstyrre strømlining til nogen stor grad.

Axial-flow jetmotorer

I jetmotor ansøgningen, kompressoren står over for en bred vifte af driftsforhold. På jorden ved start indgangstrykket er høj, fjord hastighed nul, og kompressoren centrifugeret ved forskellige hastigheder, som er strøm. Når under flyvningen indgangstrykket falder, men indløb hastighed øges for at genvinde noget af dette tryk, og kompressoren tendens til at køre på en enkelt hastighed for lange perioder.

Der er simpelthen ingen "perfekt" kompressor til denne brede vifte af driftsbetingelser. Fast geometri kompressorer, som dem, der anvendes på tidlige jetmotorer, er begrænset til et design trykforhold på ca. 4 eller 5: 1. Som med enhver varme motor, brændstoføkonomi er stærkt relateret til kompressionsforhold, så der er meget stærke finansielle behov for at forbedre kompressortrin ud over disse former for nøgletal.

Derudover kan kompressoren stall, hvis indløbs- ændrer sig brat, et fælles problem på tidlige motorer. I nogle tilfælde, hvis båsen forekommer nær forsiden af ​​motoren, alle faser fra dette punkt på vil stoppe komprimere luften. I denne situation den nødvendige energi til at køre kompressoren falder pludseligt, og den resterende varme luft i den bageste del af motoren gør det muligt for turbinen til at fremskynde hele motoren dramatisk. Denne betingelse, kendt som bølgende, var et stort problem på tidlig motorer og ofte førte til turbinen eller kompressor bryde og kaste knive.

Af alle disse grunde, aksiale kompressorer på moderne jetmotorer er betydeligt mere komplekse end dem på tidligere designs.

Spoler

Alle kompressorer har en sweet spot vedrørende rotationshastighed og tryk, med højere kompression kræver højere hastigheder. Tidlige motorer blev designet til enkelthed og anvendes en enkelt stor kompressor spinding ved en enkelt hastighed. Senere designs tilføjet en anden turbine og delte kompressoren til "lavt tryk" og "højtryks-" sektioner, sidstnævnte spinding hurtigere. Denne to-spole design, banebrydende på Bristol Olympus, resulterede i øget effektivitet. Endnu mere kan presses ud ved at tilføje en tredje spole, men i praksis har vist sig at være for kompliceret at gøre det generelt værd, da der er en afvejning mellem højere brændstofeffektivitet og højere vedligeholdelse involveret skubbe op samlede ejeromkostninger i forhold til en to spole design. Når det er sagt, er der flere tre-spool motorer i brug, måske den mest berømte er Rolls-Royce RB.211, bruges på en bred vifte af kommercielle fly.

Bleed luft, variable statorer

Som ændringer luftfartøjer hastighed eller højde, vil trykket af luften ved indgangen til kompressoren variere. For at "tune" kompressoren for disse skiftende betingelser, motiver starter i 1950'erne ville "bløder" luft ud af midten af ​​kompressoren med henblik på at undgå at forsøge at komprimere for meget luft i de sidste faser. Dette blev også brugt til at hjælpe starte motoren, således at den kan spindes op uden at komprimere meget luft ved afblødning off så meget som muligt. Bløder systemer blev allerede almindeligt anvendt alligevel, at give luftstrømmen ind i turbinen fase, hvor det blev brugt til at afkøle turbineblade, samt give trykluft til klimaanlæg inde i flyet.

En mere avanceret udformning, den variable stator, der anvendes vinger, der kan være individuelt roteret omkring deres akse, i modsætning til kraften akse motoren. Ved idrifttagning de roteres til "lukket", hvilket reducerer komprimering, og derefter drejes tilbage i luftstrømmen som eksterne forhold kræver. General Electric J79 var den første store eksempel på en variabel stator design, og i dag er det et fælles træk ved de fleste militære motorer.

Lukning af variable statorer gradvist, når kompressoren hastigheden falder, reducerer hældningen af ​​den kraftige stigning linje på driftskarakteristikummet, forbedre den kraftige stigning margin på den installerede enhed. Ved at inkorporere variable statorer i de første fem etaper, har General Electric Aircraft Engines udviklet en ti-trins aksial kompressor kan arbejde ved en 23: design 1 trykforhold.

Design noter

Energiudveksling mellem rotor og væske

Den relative bevægelse af bladene til væsken tilføjer hastighed eller tryk eller begge til væsken, når den passerer gennem rotoren. Fluidhastigheden øges gennem rotoren og statoren omdanner kinetisk energi til trykenergi. Nogle diffusion forekommer også i rotoren i de fleste praktiske designs.

Stigningen i hastigheden af ​​fluidet er primært i tangentiel retning og statoren fjerner dette impulsmoment.

Trykstigningen resulterer i en stagnation temperaturstigning. For en given geometri temperaturstigningen afhænger af kvadratet på tangential Machtal af rotoren række. Aktuelle turbofanmotorer har fans, der opererer på Mach 1,7 eller mere, og kræve betydelige inddæmning og støj undertrykkelse strukturer til at reducere klinge tab skader og støj.

Kompressor kort

Et kort viser udførelsen af ​​en kompressor og tillader bestemmelse af optimale driftsforhold. Det viser massestrømmen langs den vandrette akse, typisk som en procentdel af designet massestrømshastighed, eller i egentlige enheder. Trykstigningen er angivet på den lodrette akse som et forhold mellem indgangs- og udgang stagnation pres.

En stigning eller stall linje identificerer grænsen til venstre for hvor kompressoren resultater hurtigt nedbrydes og identificerer den maksimale trykforhold, som kan opnås for en given massestrøm. Konturerne af effektivitet er tegnet samt ydeevne linjer for drift ved bestemte omdrejningstal.

Compression stabilitet

Driftseffektiviteten er højest tæt på stall linje. Hvis downstream trykket forøges ud over den maksimalt mulige kompressoren går i stå og blive ustabil.

Typisk ustabiliteten vil være på Helmholtz frekvensen af ​​systemet, idet den nedstrøms plenum i betragtning.

  0   0

Relaterede Artikler

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha