Compresor axial
Această intrare sau secțiune despre subiecte de inginerie și aviație nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Compresorul axial este o turbomachină cu flux axial pentru comprimarea gazelor, în care gazul curge paralel cu axa de rotație.
Comparativ cu compresorul centrifugal, acesta gestionează debitele mai mari cu aceeași suprafață frontală, dar cu un raport de compresie mai mic și, prin urmare, lungimi mai mari pentru fiecare etapă . [1] În turbina cu gaz , compresoarele axiale sunt conectate la turbină prin arbori de acționare rotitori. Aproape toate turbinele cu gaz de dimensiuni medii sau mari de astăzi sunt debit axial, în timp ce motoarele mai compacte, cum ar fi APU-urile ( unitățile auxiliare de putere) sau motoarele pentru elicoptere sau camioane articulate , sunt debit centrifugal.
Descriere
Un compresor axial tipic are un rotor , un disc cu lamă , urmat de un stator și acesta este fixat pe cadru. Cuplarea unui stator și a unui rotor (ordinea depinde de motor) se numește etapă . Junkers Jumo 004 (1943), unul dintre primele turboreactoare, avea opt trepte, Lyulka AL-21 F (începutul anilor 1960 ) avea 14, General Electric J79 (sfârșitul anilor 1950 ) chiar 17. Motoare cu reacție moderne, în schimb, raportul de compresie al unei singure trepte datorită utilizării unor materiale mai potrivite și aerodinamicii mai rafinate, au un număr mai limitat de trepte, deși utilizează două (sau mai multe) compresoare în serie, compresorul de joasă presiune și compresorul de înaltă presiune acționat de arbori separați care se rotesc la viteze diferite pentru a optimiza performanța. Klimov RD-33 ( anii 1970 ) folosește 4 trepte pentru ventilator și 9 pentru compresor, Eurojet EJ200 ( anii 1990 ) în schimb 3 pentru ventilator și doar 5 pentru compresor.
Pe măsură ce compresorul progresează, volumul de aer disponibil pentru debit scade în timp ce crește presiunea totală .
Într-un motor cu reacție, compresorul este acționat de o turbină plasată în fața evacuării camerei de ardere . Prin urmare, turbina folosește o parte din energia eliberată de combustie pentru a deplasa compresorul, de obicei de la 60 la 65%, fracția rămasă de energie este utilizată în duza de evacuare pentru a genera propulsia propulsivă.
Teorie
Comportamentul unei singure trepte a unui compresor axial, în ipotezele simplificate ale vitezei radiale zero și a vitezei axiale constante, este ilustrat în figură, unde u 1 viteza absolută de intrare în rotor, u 2 viteza absolută de ieșire din rotorul, w 1 viteza relativă de intrare în rotor, w 2 viteza relativă de ieșire din rotor și cu U viteza de rotație a rotorului. Mai mult, viteza tangențială absolută de intrare a fost specificat cu u t și cu subscript o viteza axială absolută de intrare. În mod similar pentru w , viteza relativă a rotorului. Vitezele relative la stator arată indicele 2.
Observând figura se poate observa (după cum se poate deduce din analiza triunghiurilor de viteză) că în rotor lamele diverg, astfel încât fluxul din sistemul de referință al rotorului să se comporte ca într-un canal divergent (difuzor). În mod similar, paleta statorului este, de asemenea, divergentă pentru a permite conversia energiei cinetice în energie de presiune mecanică.
Ca și în compresorul centrifugal, tot în cazul compresorului axial se poate deduce că puterea este proporțională cu pătratul vitezei de rotație.
- Etapa unică a unui compresor axial poate produce doar o cădere de presiune foarte mică (1,15 - 1,30) fără a risca instabilitate sau a reduce eficiența excesiv (gradienți puternici de presiune negativă în fluxul dintre lame, similar cu cel al unui difuzor). [1]
- Compresorul axial se pretează bine etapei multiple: debitul care iese din stator este deja pregătit pentru intrarea în etapa următoare.
Paletele trebuie răsucite, adică să aibă un unghi diferit față de curent în funcție de distanța secțiunii de la centrul de rotație. De fapt, viteza relativă dintre curent și pală se schimbă în funcție de această distanță (viteza liniară de rotație este de fapt dată de formula U = r × ω , unde U este viteza liniară, r raza sau mai bine distanța de la centrul de rotație și ω viteza unghiulară, sau numărul de rotații pe secundă înmulțit cu lungimea unei rotații, 2 π ).
Dezvoltare
Primele compresoare axiale au oferit o eficiență foarte limitată, atât de limitată încât la începutul anilor 1920 s-a crezut că, în practică, un motor cu reacție era imposibil de construit. Dar lucrurile s-au schimbat dramatic când Alan Arnold Griffith a publicat un eseu în 1926 , în care se afirma că paletele plate folosite la acea vreme erau responsabile de slaba eficiență a compresorului, care s-a oprit la orice număr de rotații. Primele aripi erau de fapt simple „dale”, în timp ce studiul lui Griffith a arătat avantajul paletelor cu secțiunea aripilor, adică groase în apropierea muchiei anterioare și îndreptate către marginea de ieșire . Studiul său a arătat o diagramă în care o a doua turbină mișca o elice.
Deși Griffith era foarte bine cunoscut pentru studiile sale timpurii de oboseală a metalelor și măsurători ale stresului, a făcut foarte puține lucrări direct legate de eseul din 1926. Singura consecință imediată a fost un prototip de compresor construit de colegul lui Griffith la RAE. , Haine Constant . Primele încercări ale unui motor cu reacție, cu excepția celor ale lui Henri Coandă și Giovanni Battista Caproni (vezi motorul ), au fost efectuate de Frank Whittle și Hans von Ohain folosind cel mai cunoscut compresor centrifugal , utilizat pe scară largă pentru robustețea, compresia sa , ușurință și inerție redusă, pentru turbocompresoarele motoarelor cu piston.
Griffith a evaluat munca lui Whittle în 1929, respingând-o ca fiind doar o eroare matematică și a susținut că o secțiune frontală atât de mare ar fi un obstacol insurmontabil pentru o aeronavă de înaltă performanță.
Lucrarea reală asupra compresoarelor axiale a început în anii 1930 . În Anglia, Haine Constant a ajuns la un acord cu o companie de turbine cu abur, Metropolitan Vickers (sau chiar Metrovick ), în 1937 , începând să-și direcționeze eforturile către motorul cu turbopropulsor , pe baza ideilor lui Griffith, în 1938 . În 1940, în urma succeselor motorului centrifugal al lui Whittle, Constant a început să lucreze la jetul pur, Metrovick F.2 .
În Germania, Hans von Ohain a produs deja mai multe motoare centrifugale, unele dintre ele chiar zburând, dar toate evoluțiile au fost apoi direcționate către Junkers și compresorul axial BMW .
În Statele Unite ale Americii, atât Lockheed Corporation , cât și General Electric au câștigat comenzi pentru furnizarea de motoare cu reacție axială, mai întâi turboreactoare și apoi turbopropulsoare. Northrop a lucrat, de asemenea , la propriul lor turbopropulsor, pe care Marina l-a cumpărat în 1943. Chiar și Westinghouse a intrat în competiție în 1942 cu J30 .
În anii 1950, practic toate cele mai puternice motoare erau echipate cu un compresor axial. După cum a remarcat Griffith în 1929, amprenta axială mai mare a compresorului centrifugal s-a datorat tragerii excesive în comparație cu compresorul axial mai îngust. În plus, supraalimentatorul axial ar putea garanta rapoarte excelente de compresie prin simpla adăugare de trepte, creând un motor puțin mai lung.
În ceea ce privește compresorul centrifugal, acesta este mult mai ușor de proiectat, este mai scurt, mai ușor și garantează performanțe de neegalat pentru o singură etapă. Acesta este motivul pentru care este utilizat pe elicoptere și APU-uri, unde dimensiunile și greutatea generală joacă un rol mai puțin marginal.
Motoare cu jet cu flux axial
În aplicațiile cu motoare cu reacție, compresorul se confruntă cu o mare varietate de condiții de funcționare. La sol, în timpul decolării, presiunea (statică) la intrare este mare, în timp ce viteza de intrare este zero, iar compresorul trece printr-o mare varietate de viteze atunci când este acționat. Odată în zbor presiunea (statică) la intrare scade, dar viteza, din nou la intrare, crește datorită mișcării avionului, recuperând o parte din presiune și compresorul tinde să funcționeze la viteză de rotație constantă pentru perioade lungi de timp.
Pur și simplu nu există niciun compresor care să se potrivească tuturor acestor stări de funcționare. Compresoarele cu geometrie fixă, cum ar fi cele montate pe motoarele cu reacție timpurie, aveau un raport de compresie destul de limitat, de aproximativ 4 sau 5 la 1. La fel ca în cazul oricărui motor cu ardere, consumul specific este puternic legat de raportul de compresie. pentru a îmbunătăți etapele compresorului dincolo de aceste rapoarte de compresie.
Mai mult, compresorul s-ar putea opri dacă condițiile de la intrare s-au schimbat brusc, o problemă obișnuită la motoarele timpurii. În unele cazuri, dacă blocajul s-ar produce în apropierea orificiului de admisie a motorului, toate etapele de atunci ar înceta să comprime aerul. În această situație, energia necesară pentru funcționarea compresorului a scăzut rapid (deoarece compresorul nu a funcționat ) și, prin urmare, aerul fierbinte rămas în aval de combustibil a făcut ca turbina să se rotească și mai rapid și ceea ce a tras, adică compresorul. Această condiție, cunoscut sub numele de crestere (sau creșterea în limba engleză), a fost una dintre cele mai importante probleme în motoarele timpurii și ar putea provoca palelor turbinei sau un compresor rotoarelor pentru a învârti suficient de rapid pentru a se desprinde de arborele și să fie aruncat afară din motor.
Din aceste motive, compresoarele axiale sunt considerabil mai complexe decât cele ale primelor turboreactoare.
Copaci
Practic toate motoarele moderne sunt proiectate cu două compresoare, primul la presiune scăzută și al doilea la presiune ridicată. Trei arbori concentrici au fost, de asemenea, introduși pe motoarele cu diametru mare pentru a optimiza viteza de rotație a diferitelor secțiuni ale compresorului în raport cu dimensiunea lamelor. Fiecare compresor este acționat de propriul său arbore, care este la rândul său acționat de o turbină cu presiune scăzută sau respectiv înaltă. Acest sistem crește eficiența motorului.
Sângerarea fluxului, statori cu geometrie variabilă
Când o aeronavă schimbă viteza sau altitudinea, presiunea aerului la intrarea compresorului se modifică corespunzător. Pentru a vă asigura că compresorul se adaptează diferitelor condiții, încă din anii 1950 , aerul a fost băgat (adică extras) în mijlocul compresorului; în acest fel scade sarcina de lucru a compresorului și se evită ca în ultimele etape să existe un volum excesiv de aer. Acest dispozitiv este exploatat în special la pornirea motorului, de fapt este de înțeles că atunci când etapele rotorului încep să se rotească, acestea nu comprimă debitul la o eficiență maximă, astfel încât în etapele finale volumul de aer ar fi prea mare dacă un parte nu au fost capsate. Partea de aer exploatată este, de asemenea, utilizată pentru răcirea palelor turbinei, cea mai solicitată parte atât din punct de vedere mecanic, cât și termic. Paletele sunt goale în interior și cele mai sofisticate au găuri pentru circulația aerului. În cele din urmă, aerul compresorului este utilizat atât pentru presurizarea cabinei, cât și pentru aerul condiționat.
Un design mai avansat, variabil al statorului folosește lame care pot fi rotite individual în jurul axei lor, spre deosebire de axa motorului. Pentru pornire, acestea pot fi rotite la „deschise”, reducând compresia, și apoi rotite înapoi spre flux, în funcție de condițiile externe. General Electric J79 este primul exemplu de stator cu geometrie variabilă și astăzi este o caracteristică comună a multor motoare militare.
Prin închiderea progresivă a statorilor variabili, în timp ce viteza compresorului scade, panta curbei de blocare (sau pompare) a mașinii este redusă, îmbunătățind marja de lucru a mașinii. Prin încorporarea statorilor variabili în primele cinci etape, General Electric a dezvoltat un compresor axial cu zece trepte capabil să funcționeze la un raport de compresie de 23: 1.
Ventilator
La motoarele cu reacție , forța este generată de schimbarea impulsului aerului tratat. Același impuls poate fi obținut prin accelerarea unei mase mari de aer la viteze mici sau a unei mase mici de aer la viteze mari. Vitezele mari de ieșire duc la probleme de eficiență propulsivă și de zgomot mai slabe, dar sunt uneori indispensabile pentru a atinge viteze mari de zbor.
Dimpotrivă, deplasarea unei mase mari de aer la viteză relativ mică ridică probleme de volum și rezistență mai mare în fazele de zbor în care nu este necesară împingerea maximă, având în vedere creșterea secțiunii frontale a motorului necesară pentru manipularea cantitate mai mare de aer.
Spre sfârșitul celui de-al doilea război mondial, utilizarea unei fracțiuni din puterea disponibilă turbinei pentru a conduce un ventilator a fost experimentată în diferite germane (cu motorul Daimler-Benz DB 670) și britanice (cu Metropolitan-Vickers F. 3 motor) (sau ventilator de către britanici) pentru un flux suplimentar de aer care nu a fost trecut prin camera de ardere.
Ventilatorul este, în general, fixat pe același arbore care mișcă compresorul de joasă presiune, dar mai ales pentru motoarele cu diametru mare cu un raport de bypass ridicat, poate fi deplasat și de un arbore dedicat acestuia ca în Rolls-Royce Trent 1000 sau de un reductor.de rotații conectate la arborele de joasă presiune ca la Pratt & Whitney PW1000G . La motoarele cu un raport de diluție scăzut (în special destinat aeronavelor militare de luptă) este obișnuit să se utilizeze ventilatoare în două trepte capabile să mărească raportul de compresie al ventilatorului și să reducă dimensiunile transversale.
Turboreactor cu flux dublu
Pe măsură ce producția de turbomachine s-a îmbunătățit, a devenit disponibilă din ce în ce mai multă putere a arborelui. La începutul anilor 1950 , Rolls-Royce a dezvoltat primul motor cu turboventilatoare care a intrat în funcțiune, Conway .
În acest tip de motor, aerul de intrare este separat într-un flux fierbinte , destinat să treacă prin ventilator, compresor, camera de ardere și turbină și un flux rece care este tratat doar de ventilator . Dacă cele două fluxuri lasă aceeași duză de evacuare , se spune că motorul are debituri asociate , în caz contrar, debitele separate .
Un turboventilator cu debitele asociate, amestecând fluxul rece cu cel fierbinte care vine de la turbină, introduce și avantajul scăderii temperaturii gazelor de eșapament. În plus, deoarece zgomotul unui turboreactor este proporțional cu puterea a opta a turației gazelor de eșapament, sistemul de diluare reduce viteza medie a gazelor de eșapament, reducând, de asemenea, semnificativ zgomotul motorului. Primele avioane cu reacție din anii 1960 erau infame pentru țipătul lor asurzitor, în timp ce motoarele moderne cu turboventilatoare, în timp ce sporesc performanțele, sunt mult mai puțin zgomotoase.
O reducere a acestui beneficiu este faptul că rezistența aerodinamică crește exponențial la viteze mari, astfel încât în timp ce pe hârtie motorul turboventilator este mult mai eficient, în realitate eficiența generală este mai mică decât cea teoretică. De exemplu, noile motoare turbofan Boeing 737 cu un raport de diluare ridicat ( CFM56 ) funcționează cu o eficiență globală cu aproximativ 30% mai mare decât modelele mai vechi. Pe de altă parte, turboventilele pentru avioanele militare, în special cele de înaltă performanță, cum ar fi avioanele de vânătoare , au raporturi de diluție foarte mici, astfel încât să le facă, în unele cazuri extreme, similare cu turboreactoarele (în limba engleză definite turboioete scurte [2] , în Italiană: turboreactoare cu suflare ).
Răcirea turbinei
Factorul limitativ în proiectarea unui turboreactor nu este compresorul, ci temperatura pe care turbina o poate tolera. Este destul de ușor să construiți un motor care să poată furniza suficient aer comprimat care, dacă este utilizat pentru ardere, poate topi turbina; aceasta a fost una dintre principalele cauze ale defectării primelor motoare germane. Progresele în răcirea aerului și în materialele utilizate au făcut posibilă creșterea dramatică a temperaturilor de lucru ale turbinelor, permițând o creștere la fel de marcată a raporturilor de compresie ale motoarelor cu reacție. Motoarele de testare timpurii aveau un raport de probabil 3: 1, iar motoarele de producție timpurie, cum ar fi Junkers Jumo 004, au apărut în jurul valorii de 4: 1, cam atât cât motoarele cu piston moderne. Progresul a început imediat și nu s-a oprit; noul Rolls-Royce Trent rulează în jur de 40: 1, mult dincolo de orice motor cu piston.
Deoarece raportul de compresie este puternic legat de consumul de combustibil, această creștere de aproximativ 8x a raportului de compresie se reflectă de fapt într-un consum de combustibil de 8x mai mic pentru fiecare nivel de putere atribuit motorului. Acesta este motivul pentru care industria aerospațială exercită o presiune mare asupra utilizării exclusive a motoarelor de ultimă generație.
Note despre proiect
Schimb de energie între rotor și fluid
Mișcarea relativă dintre palete și fluid crește viteza, presiunea sau ambele pe măsură ce fluidul trece prin rotorul însuși. Viteza este mărită de rotor, în timp ce statorul convertește energia cinetică în energie de presiune. În cele mai comune modele, un anumit efect de difuzie apare și în rotor.
Creșterea vitezei fluidului dată de rotor are loc în principal pe direcția tangențială, iar statorul elimină impulsul în această direcție (transformându-l într-o creștere a temperaturii și a presiunii).
Creșterea presiunii este însoțită de o creștere a temperaturii de stagnare . Având în vedere geometria, creșterea temperaturii depinde de pătratul numărului tangențial Mach al etapei rotorului. Motoarele cu turboventilatoare actuale au ventilatoare care funcționează la Mach 1.7 și mai mare și necesită structuri substanțiale de izolare și de reducere a zgomotului pentru a reduce daunele și zgomotul pierderii lamei.
Diagrame de viteză
Etapele palete sunt proiectate din diagrame de viteză. Diagrama vitezei arată viteza relativă dintre treptele lamei și fluid.
Debitul axial prin compresor este menținut cât mai aproape de Mach 1 pentru a maximiza forța de tracțiune odată ce dimensiunea compresorului este atribuită. Numărul tangențial Mach, pe de altă parte, determină saltul de presiune maximă care poate fi obținut.
Etapele lamei fac ca fluidul să se rotească cu un unghi β : unghiurile mai mari permit raporturi de temperatură mai ridicate, dar necesită o rezistență structurală mai mare.
Etapele moderne ale paletei au o alungire mai mică și o rezistență mai mare.
Harta compresorului
Harta compresorului arată performanța și vă permite să determinați condițiile optime de funcționare. Arată debitul pe abscisă, în general ca procent din debitul de masă al plăcii sau în unități reale de măsură. Creșterea presiunii este indicată în ordine ca raportul dintre presiunea de stagnare la intrare și ieșire.
O linie de vârf sau de blocare identifică limita la stânga căreia performanța compresorului se degradează rapid și identifică raportul maxim de compresie care poate fi atins la un debit dat. Limitele de eficiență și liniile de funcționare pentru anumite viteze de rotație sunt, de asemenea, raportate. [3]
Stabilitatea compresorului
Eficiența funcționării este cea mai mare în apropierea liniei de stand. Dacă presiunea din aval ar crește peste valoarea maximă pe care o poate furniza compresorul, aceasta se va bloca și ar deveni instabilă.
De obicei, instabilitatea apare la frecvența de rezonanță Helmholtz (a sistemului format de compresor și volumul imediat după acesta.
Notă
- ^ a b G. Cornetti și F. Millo, Mașini termice , B, il capitello, ISBN 978-88-426-6014-9 .
- ^(EN) Obaid Younossi și colab., Military Jet Engine Acquisition , RAND, 2003, pp. 129-131. Adus la 11 iunie 2011 .
- ^ G. Lozza, Turbine cu gaz și cicluri combinate , Aesculapius, ISBN 88-7488-123-1 .
Elemente conexe
linkuri externe
| Controlul autorității | Thesaurus BNCF 23838 · LCCN (EN) sh87002338 |
|---|
