Sprężarki do silników turbin gazowych - Gas turbine engine compressors

Schemat turbiny gazowej ze sprężarką osiową

Jak sama nazwa wskazuje, sprężarki silników turbogazowych zapewniają część sprężającą cyklu termodynamicznego silnika turbogazowego . Istnieją trzy podstawowe kategorie turbinowego kompresora silnika: osiowej sprężarki , sprężarkę odśrodkową i miesza sprężarki przepływu . Czwartym, nietypowym typem jest generator gazu z wolnym tłokiem , który łączy w jednym urządzeniu funkcje kompresora i komory spalania .

Sprężarka osiowa

Większość wysokoprężnych silników odrzutowych wykorzystuje sprężarki osiowe ze względu na ich wysoką wydajność. W sprężarce osiowej powietrze przepływa równolegle do osi obrotu. Sprężarki osiowe są przeznaczone do pracy wielostopniowej. Stopień składa się z rzędu obracających się łopatek zwanych wirnikiem, które są połączone z centralnym wałem oraz rzędu nieruchomych lub nieruchomych łopatek zwanych stojanem. W sprężarce z przepływem osiowym powietrze przepływa od etapu do etapu. Rolą łopatek wirnika jest przyspieszenie napływającego powietrza w celu zwiększenia energii kinetycznej powietrza. Następnie płyn jest wyhamowywany na stojanach iw konsekwencji energia kinetyczna zamieniana jest na wzrost ciśnienia przez stojany. Poprzez sprężarkę powierzchnia przepływu zmniejsza się, a łopatki stają się coraz mniejsze z etapu na etap, co kompensuje wzrost ciśnienia i gęstości powietrza, tworząc stałą prędkość osiową. W sprężarkach osiowych pomiędzy wlotem powietrza a wylotem sprężarki może być do 20 stopni.

Sprężarka odśrodkowa

Rolls Royce Goblin II numerowany przekrój; wirnik sprężarki odśrodkowej ma numer 12

Pierwsze silniki odrzutowe wykorzystywały sprężarki odśrodkowe i nadal są one stosowane w małych silnikach turboodrzutowych i turbowałowych.

Kluczowym elementem, który sprawia, że ​​sprężarka jest odśrodkowa, jest wirnik odśrodkowy, który zawiera obracający się zestaw łopatek. W sprężarce odśrodkowej przepływ powietrza przebiega prostopadle do osi obrotu. Kiedy powietrze przechodzi przez obracający się wirnik, działa na nie siła odśrodkowa. Powietrze jest popychane do środka i ten ruch promieniowy powietrza powoduje wzrost ciśnienia i wytwarzanie energii kinetycznej. Następnie powietrze przechodzi przez inny kluczowy element sprężarki odśrodkowej, zwany sekcją dyfuzora, którego zadaniem jest przekształcenie energii kinetycznej powietrza we wzrost ciśnienia poprzez stopniowe spowalnianie prędkości powietrza. Dyfuzor jest stałym lub statycznym elementem, który eskortuje strumień powietrza po opuszczeniu wirnika. Wirnik i dyfuzor odpowiadają za około 65% i 35% całkowitego ciśnienia wytwarzanego odpowiednio w sprężarce odśrodkowej.

Porównanie sprężarki osiowej i odśrodkowej

Typowa, jednostopniowa sprężarka odśrodkowa może zwiększyć ciśnienie czterokrotnie. Podobne jednostopniowe sprężarki osiowe mogą zwiększyć ciśnienie tylko o współczynnik 1,2, ale sprężarki osiowe mają przewagę nad sprężarkami odśrodkowymi ze względu na ich zdolność wiele etapów. W sprężarkach wielostopniowych ciśnienie jest zwielokrotniane z rzędu do rzędu, co może zwiększyć ciśnienie o współczynnik 40. Dużo trudniej jest stworzyć wydajną wielostopniową sprężarkę odśrodkową, ponieważ przepływ musi być kierowany z powrotem do osi za każdym razem. Dlatego większość wysokoprężnych silników odrzutowych zawiera wielostopniowe sprężarki osiowe. Ale jeśli wymagana jest tylko umiarkowana kompresja, sprężarka odśrodkowa jest znacznie prostsza i wydajniejsza w użyciu.

Sprężarka o przepływie mieszanym

W przyszłości sprężarki z przepływem mieszanym mogą znaleźć się na małym segmencie rynku, szczególnie w turbowentylatorach, gdzie stosunkowo duża średnica dyfuzora sprężarki odśrodkowej jest istotną wadą.

Kompresja etapowa

Dwustopniowy

Przy wysokim całkowitym stosunku ciśnień system sprężania jest zwykle podzielony na dwie jednostki; sprężarka niskiego ciśnienia (LP) zamontowana na jednym wale, a następnie sprężarka wysokiego ciśnienia (HP) zamontowana na wale HP i napędzana własną turbiną (HP). W cywilnych turbowentylatorach pierwszy stopień sprężarki LP jest często wentylatorem jednostopniowym. Jeśli stosunek ciśnienia sprężarki HP przekracza około 4,5:1, wówczas jednostka prawdopodobnie będzie miała zmienną geometrię (tj. zmienne stojany) na pierwszych kilku stopniach, aby linia wzrostu na mapie sprężarki była płytsza, aby pomieścić płytką linię roboczą.

Trzystopniowy

W swoich dużych cywilnych turbowentylatorach Rolls-Royce podzielił system sprężania na trzy części: wentylator, sprężarkę średniego ciśnienia (IP) i sprężarkę HP, przy czym każda jednostka jest napędzana przez własną turbinę. RB199 turbofan wojskowy ma również ten układ.

Generator gazu z wolnym tłokiem

Schemat generatora gazu z wolnym tłokiem do turbiny gazowej

Generator gazu o swobodnym tłoku to silnik o swobodnym tłoku, którego spaliny są wykorzystywane do napędzania turbiny gazowej. Łączy funkcje kompresora i komory spalania w jednym urządzeniu. Maszyny te były dość szeroko stosowane w latach 1930-1960, ale potem wypadły z łask.

Bibliografia