Aksialkompressor

Den aksialkompressor er et aksialt flow turbomaskine drift, i hvilken fluidet strømmer parallelt med rotationsaksen.

Sammenlignet med centrifugal kompressoren kører ved højere strømningshastigheder lige forreste overflade, men med en lavere kompressionsforhold for hver fase og derefter yderligere længder lig med kompressionsforholdet. I gasturbiner, er aksiale kompressorer forbundet til møllerne ved transmissionsaksler. Næsten alle gasturbiner af mellemstore store størrelse af i dag, er aksial flow, mens de mere kompakte motorer, såsom APU eller motor helikopter eller traktor-anhænger, skal centrifugal flow.

Beskrivelse

En typisk aksial kompressor har en rotor, en disk med blade, efterfulgt af en stator, der svarer til rotoren i form, men fastgjort til rammen. Koblingen af ​​en stator og en rotor siges fase. Den Junkers Jumo 004, en af ​​de første turboreaktorer, havde otte etaper, AL-21F Lyulka besad så mange som 14, General Electric J79 endda 17. Moderne jetmotorer stedet, forbedring af kompressionsforhold på et enkelt trin takket være ' anvendelse af de mest egnede materialer og mere raffinerede ved aerodynamik, har et antal trin mere begrænsede, skønt anvendelse af to kompressorer i serie, den lavtrykskompressoren og højtrykskompressoren drives af separate aksler, som roterer med forskellige hastigheder for at optimere afkast. Den Klimov RD-33 bruger fire etaper for ventilator og 9 til kompressoren, den Eurojet EJ200 i stedet for 3 for ventilatoren og kun 5 til kompressoren.

Gå frem på kompressoren, er mængden af ​​luft til rådighed til at strømme reduceres, medens det totale tryk stiger.

I en jetmotor kompressoren drives af en turbine placeret foran udstødningen af ​​forbrændingskammeret. Turbinen bruger derefter en del af energien frigives ved forbrændingen at flytte kompressoren, typisk 60-65%, den resterende del af energien anvendes i udgangsdysen at generere fremdrivningseffektiviteten tryk.

Teori

Opførslen af ​​en enkelt fase af en aksial kompressor, i de forenklede hypoteser af radial hastighed og aksiale hastighed intet konstant, er illustreret i figuren, hvor der er U1 den absolutte hastighed indtræden i rotoren, den absolutte hastighed u2 output fra rotoren, w1 den relative hastighed træder i rotoren, den relative hastighed w2 output fra rotoren og U rotationshastigheden af ​​rotoren. De har også specificeres med ut den absolutte tangentielle hastighed af indrejse og sænket til den aksiale hastighed absolutte post. Tilsvarende for w, den relative hastighed til rotoren. De relative hastigheder til statoren viser indekset 2.

Observere figuren kan det bemærkes, at i rotoren vingerne afviger, således at strømmen i referencesystemet for rotoren opfører sig som i en divergerende kanal. Tilsvarende blading af statoren er divergent at tillade omdannelse af kinetisk energi til mekanisk energi af tryk.

Som i centrifugalkompressoren, kan selv i tilfælde af aksialkompressor det udledes, at strømmen er proportional med kvadratet af rotationshastigheden.

  • Det indre fase af en aksialkompressor kan producere kun et meget lavt trykfald uden at risikere ustabilitet eller uforholdsmæssigt reducere udbyttet.
  • Den aksiale Kompressoren egner sig godt til etapevis: afgangen flow fra statoren er klar til indrejse i den næste fase.

Vingerne skal blive skævt, dvs. at præsentere en anden vinkel i forhold til den nuværende afhængigt af afstanden af ​​sektionen fra centrum af rotation. Faktisk er den relative hastighed mellem de nuværende fræsehoved ændres afhængigt af denne afstand.

Udvikling

De første aksiale kompressorer tilbyder en meget begrænset effektivitet, så begrænset, at i begyndelsen af ​​20 'mente man, at i praksis en jetmotor var umuligt at bygge. Men tingene har ændret sig radikalt, da Alan Arnold Griffith offentliggjort et papir i 1926, som sagde, at lederne af lav effektivitet af kompressoren var flade paller, der anvendes på det tidspunkt, som stallavano ved enhver hastighed. De første vinger var simple kendsgerning "fliser", mens studiet af Griffith viste fordelen af ​​vingen vingesektion, dvs. tyk nær forkanten og skarpe bagkant. Hans undersøgelse viste et diagram, hvor en anden turbine bevæger propel.

Selvom Griffith var meget kendt for hans tidlige undersøgelser af metaltræthed og foranstaltninger indsats, spillede han meget lidt arbejde direkte relateret til hastigheden af ​​1926. Den eneste umiddelbare konsekvens var en prototype kompressor bygget af en af ​​Griffith kollega til RAE , Haine Constant. De første forsøg på jetmotor, undtagen for dem af Henri Coanda og Giovanni Battista Caproni, blev udført af Frank Whittle og Hans von Ohain hjælp den bedst kendte centrifugal kompressor, i vid udstrækning anvendes til dets styrke, kompression, lette vægt og lav inerti, for turboladere af stempelmotorer.

Griffith anslået arbejde Whittle i 1929, udpakning det som andet end en matematisk fejl, og hævdede, at en forreste sektion så stor ville være en uoverstigelig hindring for en højtydende flyvemaskine.

Det virkelige arbejde med aksiale kompressorer begyndte i det 30 '. England Haine Constant indgået en aftale med et selskab i dampturbiner, Metropolitan Vickers, i 1937, begynder at rette sin indsats mod motoren turboprop, baseret på ideer Griffith, i 1938. I 1940, efter succesen med motoren Centrifugal Whittle, Constant begyndte at arbejde på ren stråle, det Metrovick F.2.

I Tyskland Hans von Ohain det havde allerede produceret flere centrifugale motorer blev nogle af disse også fløjet, men alle var senere udviklinger til fordel for Junkers og BMW aksial kompressor.

I USA og General Electric Lockheed vandt ordrer på levering af jetmotor fremstød, inden da turbopropfly og turboreaktorer. Northrop arbejdede også på eget turboprop, søværnet købte den i 1943. Selv Westinghouse deltog i konkurrencen i 1942 med J30.

I halvtredserne, næsten alle af de mere kraftfulde motorer var udstyret med en aksial kompressor. Som Griffith havde opdaget i 1929, den højeste aksiale dimensioner af centrifugalkompressoren skyldtes en overdreven luftmodstand end den mere snævre aksialkompressor. Desuden kunne den aksiale kompressor garanterer fremragende kompressionsforhold ved blot at tilføje stadionerne, hvilket skaber en motor lidt længere.

Med hensyn til centrifugalkompressoren, det er meget nemmere at tegne, er kortere, lettere og sikrer en uovertruffen ydeevne for enkelt fase. Dette er årsagen til, bruges på helikoptere og APU, hvor de overordnede mål og vægten spiller en rolle mindre marginal.

Jetmotorer aksial flow

I applikationer på jetmotorer, er kompressoren står over for en lang række driftsbetingelser. På jorden, under start, trykket ved udmundingen er høj, mens hastigheden af ​​indgangen er intet og kompressoren passerer gennem et stort udvalg af hastighed, når den aktiveres. Når i lufttrykket ved indgangen falder, men hastigheden altid indgangen, salt på grund af bevægelse af flyvemaskinen, udvinding del af trykket og kompressoren tendens til at spinde ved konstant omdrejningshastighed for lange perioder.

Simpelthen ikke eksisterer en kompressor, som er velegnet til alle disse driftstilstande. Kompressorerne med fast geometri, såsom dem monteret på den første jetmotor, havde et kompressionsforhold ret begrænset, omkring 4 eller 5 til 1. Som for enhver forbrændingsmotor, specifikke forbrug kraftigt i forbindelse med kompressionsforholdet, så der var et stort behov for at forbedre de økonomiske stadier kompressor end disse kompressionsforhold.

Udover kompressoren kunne stall, hvis forholdene har ændret pludselig ved indgangen, et fælles problem i de tidlige motorer. I nogle tilfælde, hvis boden indtraf i nærheden af ​​indgangen af ​​motoren, vil alle faser fra dette punkt på stoppe komprimere luften. I denne situation den nødvendige energi til at køre kompressoren hurtigt faldt, og derefter den varme luft forbliver nedstrøms for forbrændingskamret kørte endnu hurtigere end turbinen, og at dette trække eller kompressoren selv. Denne tilstand, kendt som bølgende, var en af ​​de væsentligste problemer i den første motor og kunne bære den roterende turbine eller kompressor til at rotere hurtigt nok til at bryde væk fra træet og blive kastet ud af motoren.

Af disse grunde aksiale kompressorer er betydeligt mere komplekse end dem af de første turboreaktorer.

Træer

Stort set alle moderne motorer er udformet med to kompressorer, den første lavt tryk og en anden højt tryk. På motorer med en stor diameter har vi også indført tre koncentriske aksler for at optimere rotationshastigheden af ​​de forskellige dele af kompressoren i forhold til størrelsen af ​​pallerne. Hver kompressor drives af sin egen aksel, drives på skift af en turbine, henholdsvis lav eller høj tryk. Dette system gør det muligt at øge effektiviteten af ​​motoren.

Spild af strømmen, statorerne variabel geometri

Når et luftfartøj ændrer hastighed eller højde, derfor varierer lufttrykket ved indgangen af ​​kompressoren. For at sikre, at kompressoren er egnet til de forskellige betingelser, eftersom 50 'er begyndt at trække luft i halvdelen af ​​kompressoren; på denne måde arbejdsbyrden for kompressoren falder, og det undgås, at der i de sidste stadier der er en overdreven mængde af luft. Denne hensigtsmæssigt udnyttes især når motoren startes, i virkeligheden er det forståeligt, at når etaper begynder at rotere rotoren ikke komprimere flowet ved maksimal effektivitet, så der i de afsluttende faser luftmængden ville være for stor, hvis en del af det ikke var tappet. Den del af aftapningsluft også bruges til at afkøle turbineblade, organet mest stressede mekanisk og termisk. Vingerne er hule indvendig og den mest sofistikerede besidder huller til luftcirkulation. Endelig luftkompressoren anvendes både at tryksætte kabinen, for air conditioning.

En mere avanceret udformning, variabel stator, bruger knivsystemet der kan tilpasses individuelt roteres omkring deres akse, i modsætning til aksen af ​​motoreffekt. Til opstart kan roteres til "åben", hvilket reducerer komprimering, og derefter drejes tilbage mod strømmen afhængigt af de eksterne betingelser. General Electric J79 er det første eksempel på statoren variabel geometri, og er nu et fælles træk for mange militære motorer.

Gradvis lukning variable statorer, mens kompressorens hastighed aftager, det reducerer hældningen af ​​kurven for blokering af maskinen, forbedre margin maskinens arbejde. Omfattende variable statorer i de første fem etaper, har General Electric udviklet en aksial kompressor i ti etaper der kan fungere ved et kompressionsforhold på 23: 1.

Ventilator

I jetmotorer, er trykket genereret af ændringen af ​​fremdriften i den behandlede luft. En samme tryk kan opnås ved at accelerere en stor masse af luft ved lav hastighed eller en lille luftmasse ved høje hastigheder. Høj udstrømning hastighed involverer værste udbytter fremaddrivende og støjproblemer, men til tider er nødvendig for at opnå høje hastigheder flyrejse.

Tværtimod forskydningen af ​​en stor masse af luft ved relativt lav hastighed giver problemer med samlede dimensioner og større styrke i de faser af en flyvning, hvor maksimalt tryk ikke er nødvendigt, eftersom forøgelsen af ​​det forreste afsnit af den nødvendige motor til at beskæftige sig med større luftmængde.

Mod slutningen af ​​Anden Verdenskrig, han blev testet i forskellige projekter tyske og britiske brugen af ​​en brøkdel af den strøm leveres til møllen for at drive en fan for en strøm af ekstra luft, som ikke var overgået til forbrændingskammeret.

Ventilatoren er i almindelighed fastkilet på samme aksel, der bevæger lavtrykskompressoren, men især for motorer med en stor diameter højt afledningsforholdet, kan det også blive flyttet fra et træ dedikeret til hende som i Rolls-Royce Trent 1000 eller af en reducering omdrejninger forbundet til akslen af ​​det lave tryk som på Pratt & amp; Whitney PW1000G. På motorer med lav fortyndingsforhold en hyppig anvendelse af en totrins fan stand til at forøge kompressionsforholdet af ventilatoren og blæse de tværgående dimensioner.

Turbofanmotorer

Med forbedringen i udbytter turbomaskineri, den blev tilgængelig en aksel på mere. I begyndelsen af ​​halvtredserne, Rolls-Royce udviklede den første turbofanmotor til ibrugtagning, Conway.

I denne type motor, er den indkommende luft separeres i en varm strøm, beregnet til at passere gennem ventilatoren, kompressoren, forbrændingskammeret og turbinen, og en kold strøm, der behandles kun ved hjælp af ventilatoren. Hvis de to strømme kommer fra samme udstødsdyse, er motoren kaldes en strøm forbundet, ellers i separate strømme.

En turbofan til tilknyttede strømme, blanding af koldflydning med den varme, der kommer fra turbinen, indfører også fordelen ved at sænke temperaturen af ​​udstødningsgassen. Eftersom støjen fra en turbo-jet er proportional med den ottende magt hastigheden af ​​udstødningsgassen, fortyndingssystemet sænker gennemsnitshastigheden af ​​udstødningsgassen betydeligt reducerer også støj af motoren. De første fly planlagt stråle af de 60 'var berygtede for deres øredøvende skrig, mens moderne turbofanmotorer, selv bør øge ydeevnen, er langt mindre støjende.

En reduktion af denne fordel er, at den aerodynamiske modstand stiger eksponentielt ved høj hastighed, så mens på papiret turbofanmotor er meget mere effektiv, i virkeligheden den samlede effektivitet er lavere end den teoretiske. For eksempel de seneste turbofanmotorer af Boeing 737 ved høj fortyndingsforhold arbejde med en samlet virkningsgrad på omkring 30% højere i forhold til ældre modeller. På den anden side turbofan for militære fly, især dem med høj ydeevne som kampfly, har meget lave fortyndingsforhold, således at gøre dem i nogle tilfælde grænse, som sammen med de turboreaktorer.

Køling turbine

Den begrænsende faktor i udformningen af ​​en turbinemotor er ikke kompressoren, men temperaturen tåleligt ved turbinen. Det er ganske let at bygge en motor, der kan give tilstrækkelig trykluft, som, hvis de anvendes til forbrænding, kan flette turbinen; dette var en væsentlig årsag til svigt af de første tyske motorer. Fremskridt inden luftkøling og i de anvendte materialer har lov til at svæve temperaturerne af møllerne, så en lige så kraftig stigning af kompressionsforhold af jetmotorer. Den første test motorer havde rapporter om måske 3: 1 og de første produktionsanlæg motorer som Junkers Jumo 004 ankom omkring 4: 1, omtrent lige så moderne stempelmotorer. Fremskridt begyndte straks og ikke stoppe; den nyeste Rolls-Royce Trent arbejder til ca. 40: 1, meget mere end nogen stempelmotor.

Da kompressionsforholdet er stærkt knyttet til forbruget af brændstof, denne stigning på omkring 8 gange i kompressionsforhold faktisk afspejles i en brændstofforbrug på mindre end 8 gange for hvert effektniveau tildelt til motoren. Dette er grunden til rumfartsindustrien pressede så meget på brugen eksklusive af de nyeste generation af motorer.

Bemærkninger om projektet

Udveksling af energi mellem rotoren og fluidet

Den relative bevægelse mellem vingerne og væsken øger dens hastighed, tryk eller både når fluidet passerer gennem rotoren selv. Hastigheden forøges af rotoren, mens statoren omdanner kinetisk energi til trykenergi. I projekter den mest almindelige, er det i rotoren er også en vis diffusion virkning.

Stigningen i hastigheden af ​​fluidet afgivet rotoren sker hovedsageligt i tangentiel retning og statoren eliminerer mængden af ​​bevægelse i denne retning.

Trykforøgelsen er ledsaget af en stigning i ligevægtstemperatur. Tildelt en geometri, temperaturstigningen afhænger af kvadratet på Mach antal målet tangential af rotoren. De nuværende turbofanmotorer har fans, der arbejder på Mach 1,7 eller mere, og som kræver betydelige begrænsninger og støjdæmpning til at reducere skader for tab af bladet og støj.

Diagrammer hastighed

Faser af vinger er konstrueret ud fra diagrammerne i hastighed. Hastigheden diagram viser den relative hastighed mellem faser af skovle og væsken.

Den aksiale strømning gennem kompressoren opretholdes så meget som muligt ved siden af ​​Mach 1 maksimerer fremdriften, når tildelte størrelse af kompressoren. Machtallet tangential stedet bestemmer den maksimalt opnåelige tryk spring.

Faser af vinger drejes væsken ved en vinkel β: vinkler højere forhold tillader højere temperatur, men kræver en større styrke.

Etaperne i moderne palet har lavere forlængelse og større styrke.

Kort over kompressoren

Kortet viser udførelsen af ​​kompressoren og gør det muligt at bestemme den optimale driftsbetingelser. Det viser i abscissen skalaen, normalt som en procentdel af massestrømmen af ​​plak eller i den virkelige verden enheder. Stigningen i trykket er angivet på ordinaten som forholdet stagnationstrykket ved indgangen og ved udgangen.

En linje af top eller stall identificerer grænsen til venstre for hvor kompressoren udførelsen af ​​hurtig nedbrydning og identificerer den maksimale kompressionsforhold, der kan opnås ved en given strømningshastighed. Også det viser effektivitet grænser og linjer af drift til særlig rotationshastighed.

Stabilitet af kompressoren

Effektiviteten af ​​operationen er højere i nærheden af ​​stall linje. Hvis downstream trykket skulle stige over den maksimale leveret af kompressoren, bør dette gået i stå, og ville blive ustabil.

Generelt forekommer ustabilitet ved resonansfrekvensen af ​​det dannede af kompressoren og den mængde, som er beliggende lige efter det system.

Forrige artikel Aldo Olivieri
Næste artikel Atticus Mitchell