Осевой компрессор

Осевой компрессор — это тип динамического компрессора, в котором сжатие рабочего тела (газа или пара) происходит за счёт передачи ему кинетической энергии от вращающихся лопаточных решёток (ротора) с последующим преобразованием скорости в давление в неподвижных лопаточных решётках (статора). Основным признаком осевого компрессора является направление потока газа, параллельное оси вращения ротора. Данный тип компрессоров широко применяется в газотурбинных двигателях (авиационных, судовых, стационарных), в крупных турбокомпрессорах для магистральных газопроводов, в установках по производству сжатого воздуха большой производительности, а также в системах наддува дизельных двигателей.

Принцип действия

Работа осевого компрессора основана на аэродинамическом принципе. Поток газа последовательно проходит через ряд ступеней, каждая из которых состоит из двух основных элементов: вращающегося рабочего колеса (ротора) и неподвижного направляющего аппарата (статора).

Рабочее колесо (ротор)

Лопатки ротора, установленные на вращающемся барабане или диске, имеют профиль, напоминающий крыло самолёта. При вращении ротора лопатки захватывают газ и разгоняют его, сообщая ему кинетическую энергию. Одновременно за счёт изогнутой формы лопаток и угла их установки происходит частичное повышение давления газа.

Направляющий аппарат (статор)

Неподвижные лопатки статора расположены за ротором. Они выполняют две функции: во-первых, преобразуют высокую скорость потока, полученную от ротора, в статическое давление (диффузорный эффект), а во-вторых, направляют поток под оптимальным углом на лопатки следующей ступени ротора.

Таким образом, каждая ступень осевого компрессора обеспечивает небольшое повышение давления (степень сжатия одной ступени обычно составляет от 1,15 до 1,35). Для достижения высоких конечных давлений (например, 15–30 атмосфер в авиационных двигателях) используется от 10 до 20 и более последовательно расположенных ступеней.

Устройство и основные элементы

Конструктивно осевой компрессор состоит из следующих основных узлов:

• Ротор — вращающаяся часть, состоящая из вала, на котором закреплены диски или барабан с лопатками. В современных авиационных двигателях часто применяются диски из титановых или никелевых сплавов, соединённые сваркой или болтами.
• Статор — неподвижный корпус, внутри которого размещены направляющие лопатки. Корпус обычно изготавливается из алюминиевых или стальных сплавов. Для снижения потерь на трение внутренняя поверхность корпуса может иметь специальные покрытия.
• Лопатки — профилированные элементы, изготовленные из высокопрочных сплавов (титановых, никелевых, стальных). Лопатки ротора крепятся к дискам с помощью замков типа «ласточкин хвост» или «ёлочка». Лопатки статора могут быть как цельными, так и полыми (для охлаждения в высокотемпературных ступенях).
• Подшипники — опоры ротора, обычно роликовые или шариковые, работающие в условиях высоких оборотов и нагрузок.
• Уплотнения — лабиринтные, щеточные или контактные уплотнения, предотвращающие перетекание газа между ступенями и утечки в атмосферу.
• Входной направляющий аппарат (ВНА) — расположен перед первой ступенью, служит для закрутки потока в нужном направлении и может быть регулируемым для улучшения работы на нерасчётных режимах.
• Выходной спрямляющий аппарат (ВСА) — расположен за последней ступенью, предназначен для выравнивания потока перед подачей в камеру сгорания или нагнетательную линию.

Классификация

Осевые компрессоры классифицируются по нескольким признакам:

По типу привода

• Турбокомпрессоры — приводятся в действие газовой турбиной, работающей на продуктах сгорания. Являются основным типом для газотурбинных двигателей.
• Компрессоры с механическим приводом — приводятся от электродвигателя, паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания через редуктор или напрямую.
• Свободные турбокомпрессоры — турбина и компрессор находятся на одном валу, но не связаны механически с валом двигателя.

По числу ступеней

• Одноступенчатые — применяются в системах наддува дизелей, вентиляторах, небольших газотурбинных установках.
• Многоступенчатые — используются в авиационных двигателях, стационарных газотурбинных установках, газоперекачивающих агрегатах.

По конструктивному исполнению ротора

• Барабанного типа — лопатки крепятся к цилиндрическому барабану. Обеспечивает высокую жёсткость, но ограничивает число ступеней.
• Дискового типа — лопатки закреплены на отдельных дисках, насаженных на вал. Позволяет создавать компрессоры с большим числом ступеней и высокими степенями сжатия.
• Смешанного типа — комбинация барабанной и дисковой конструкции.

По скорости потока

• Дозвуковые — скорость потока в ступенях не превышает скорости звука. Характеризуются высоким КПД (до 90%).
• Сверхзвуковые — скорость потока в некоторых ступенях превышает скорость звука. Позволяют получить большую степень сжатия на одну ступень, но имеют более низкий КПД и сложнее в проектировании.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики осевого компрессора:

• Степень повышения давления (πк) — отношение давления на выходе к давлению на входе. Для современных авиационных двигателей может достигать 40–50 и более.
• Производительность (расход) — массовый или объёмный расход газа через компрессор. Измеряется в кг/с или м³/с.
• КПД (адиабатический или политропический) — отношение теоретически затраченной работы к фактической. Для современных компрессоров составляет 85–92%.
• Частота вращения ротора — измеряется в об/мин. Для авиационных двигателей может достигать 15 000–20 000 об/мин и более.
• Граница помпажа — режим, при котором происходит срыв потока с лопаток, приводящий к резким колебаниям давления и возможному разрушению компрессора. Работа вблизи границы помпажа недопустима.

Применение

Авиационные газотурбинные двигатели

Осевые компрессоры являются основным типом для турбореактивных, турбовентиляторных и турбовинтовых двигателей. Они обеспечивают высокую степень сжатия воздуха, необходимую для эффективного сгорания топлива в камере сгорания. В современных авиадвигателях (например, ПД-14, CFM International LEAP, Pratt & Whitney PW1000G) используются многоступенчатые осевые компрессоры с регулируемыми направляющими аппаратами.

Газоперекачивающие агрегаты

В магистральных газопроводах для транспортировки природного газа применяются мощные осевые компрессоры, приводимые в действие газотурбинными установками (например, ГТУ-25П, ГТУ-32П). Они обеспечивают сжатие газа до 7–12 МПа.

Энергетика

Осевые компрессоры используются в стационарных газотурбинных установках для выработки электроэнергии (например, на электростанциях с газотурбинными установками типа SGT-800, ГТЭ-160). Они также применяются в установках с впрыском пара и в комбинированных циклах.

Промышленность

В химической, нефтехимической и металлургической промышленности осевые компрессоры используются для сжатия воздуха, азота, кислорода, углекислого газа и других газов. Примеры: установки по производству аммиака, метанола, азотной кислоты.

Системы наддува дизельных двигателей

Осевые компрессоры применяются в турбокомпрессорах для наддува мощных судовых и тепловозных дизелей (например, дизели типа Д49, ДМ-185).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий КПД (до 90% и выше) по сравнению с центробежными компрессорами.
• Большая производительность при относительно малых габаритах и массе.
• Возможность создания многоступенчатых конструкций с очень высокими степенями сжатия.
• Плавный и равномерный поток газа на выходе.
• Высокая надёжность и длительный ресурс при правильной эксплуатации.

Недостатки

• Сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.
• Чувствительность к загрязнению потока (эрозия лопаток, отложения).
• Узкий диапазон устойчивой работы (склонность к помпажу на нерасчётных режимах).
• Требовательность к точности изготовления профилей лопаток и сборки.
• Необходимость в системах регулирования (поворотные лопатки, перепускные клапаны) для расширения рабочего диапазона.

История развития

Первые теоретические работы по осевым компрессорам были выполнены в конце XIX — начале XX века. В 1908 году швейцарский инженер Альфред Бюхи предложил конструкцию осевого компрессора для газотурбинного двигателя. В 1930-х годах в СССР, Германии и Великобритании начались активные разработки газотурбинных двигателей с осевыми компрессорами. В 1939 году в Германии был создан первый турбореактивный двигатель Heinkel HeS 3 с осевым компрессором. В 1940-х годах в СССР под руководством А. М. Люльки был разработан турбореактивный двигатель ТР-1 с осевым компрессором.

В послевоенные годы осевые компрессоры стали основным типом для авиационных двигателей. В 1950-х годах появились сверхзвуковые ступени. В 1960-х годах началось применение регулируемых направляющих аппаратов. В 1970–1980-х годах были разработаны компрессоры с высокими степенями сжатия (до 30–40) и высоким КПД. В XXI веке развитие идёт по пути повышения эффективности, снижения массы и шума, а также применения новых материалов (композиты, интерметаллиды) и технологий (3D-печать лопаток, активное управление потоком).

Источники

• Газотурбинные двигатели. Основы теории и конструкции / под ред. В. В. Осипова. — М.: Машиностроение, 2005.
• Теория и расчёт авиационных лопаточных машин / под ред. К. В. Холщевникова. — М.: Машиностроение, 1970.
• Кузнецов В. А. Компрессоры и турбины газотурбинных двигателей. — М.: МАИ, 2012.
• Справочник по авиационным двигателям / под ред. В. И. Бакулева. — М.: Транспорт, 1988.
• Осевые компрессоры. Основы проектирования / под ред. А. Н. Шерстюка. — М.: Энергия, 1975.