Axialkompressor

Weitere Informationen: Axiallüfterausführung Eine animierte Simulation eines Axialkompressors. Die statischen Schaufeln sind die Statoren.

Ein Axialkompressor ist ein Gaskompressor, der Gase kontinuierlich unter Druck setzen kann. Es ist eine sich drehende, Strömungsprofil -basierte Kompressor, bei dem das Gas oder die Arbeitsflüssigkeit im Wesentlichen parallel zur Drehachse strömt, oder in axialer Richtung. Dies unterscheidet sich von anderen Rotationskompressoren wie Kreiselkompressoren, Axialzentrifugalkompressoren und Mischstromkompressoren, bei denen der Fluidstrom eine "radiale Komponente" durch den Kompressor enthält. Das Energieniveau des Fluids steigt beim Durchströmen des Verdichters aufgrund der Wirkung der Laufschaufeln, die ein Drehmoment auf das Fluid ausüben. Die Leitschaufeln verlangsamen das Fluid und wandeln die Umfangskomponente der Strömung in Druck um. Kompressoren werden typischerweise von einem Elektromotor oder einer Dampf- oder Gasturbine angetrieben.

Axialkompressoren erzeugen einen kontinuierlichen Druckgasstrom und haben die Vorteile eines hohen Wirkungsgrades und eines großen Massendurchsatzes, insbesondere in Bezug auf Größe und Querschnitt. Sie benötigen jedoch mehrere Reihen von Schaufelblättern, um einen großen Druckanstieg zu erreichen, was sie im Vergleich zu anderen Konstruktionen (zB Kreiselverdichtern) komplex und teuer macht.

Axialkompressoren sind integraler Bestandteil der Konstruktion großer Gasturbinen wie Strahltriebwerke, Hochgeschwindigkeitsschiffsmotoren und Kleinkraftwerke. Sie werden auch in industriellen Anwendungen wie großvolumige Luftzerlegungsanlagen, verwendet Hochofenluft, Flüssigkeit katalytische Cracken Luft und Propan - Dehydrierung. Aufgrund der hohen Leistung, der hohen Zuverlässigkeit und des flexiblen Betriebs während des Flugbereichs werden sie auch in Raketentriebwerken für die Luft- und Raumfahrt, als Kraftstoffpumpen und in anderen kritischen Großserienanwendungen eingesetzt.

Typische Anwendung	Strömungsart	Druckverhältnis pro Stufe	Effizienz pro Stufe
Industrie	Unterschall	1,05–1,2	88–92 %
Luft- und Raumfahrt	Transonic	1,15–1,6	80–85%
Forschung	Überschall	1,8–2,2	75–85 %

Inhalt

• 1 Beschreibung
• 2 Arbeiten
• 3 Gestaltung
• 4 Kinetik und Energiegleichungen
• 5 Leistungsmerkmale
• 6 Instabilitäten
• 7 Steady-State-Performance
  • 7.1 Außerplanmäßiger Betrieb
  • 7.2 Stoßen
  • 7.3 Stoßzyklus
  • 7.4 Abwürgen
    • 7.4.1 Rotierender Stalling
    • 7.4.2 Effekte
• 8 Entwicklung
• 9 Axialstrahltriebwerke
  • 9.1 Spulen
  • 9.2 Zapfluft, Verstellstatoren
• 10 Designhinweise
  • 10.1 Energieaustausch zwischen Rotor und Flüssigkeit
  • 10.2 Kompressorkennfelder
  • 10.3 Kompressionsstabilität
• 11 Siehe auch
• 12 Referenzen
• 13 Bibliographie

Beschreibung

Der Kompressor in einem Pratt amp; Whitney TF30 Turbofan-Triebwerk.

Axialkompressoren bestehen aus rotierenden und stationären Komponenten. Eine Welle treibt eine zentrale Trommel an, die von Lagern innerhalb eines stationären rohrförmigen Gehäuses gehalten wird. Zwischen der Trommel und dem Gehäuse befinden sich Reihen von Schaufelblättern, wobei jede Reihe abwechselnd entweder mit der Trommel oder dem Gehäuse verbunden ist. Ein Paar aus einer Reihe von rotierenden Schaufeln und der nächsten Reihe von stationären Schaufeln wird als Bühne bezeichnet. Die rotierenden Schaufeln, auch Schaufeln oder Rotoren genannt, beschleunigen das Fluid sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung. Die stationären Schaufeln, auch Leitschaufeln oder Statoren genannt, wandeln die erhöhte kinetische Energie durch Diffusion in statischen Druck um und leiten die Strömungsrichtung des Fluids um, um es für die Laufschaufeln der nächsten Stufe vorzubereiten. Die Querschnittsfläche zwischen Rotortrommel und Gehäuse wird in Strömungsrichtung verringert, um eine optimale axiale Geschwindigkeit der Machzahl aufrechtzuerhalten, wenn das Fluid komprimiert wird.

Arbeiten

Da das Fluid in axialer Richtung ein- und austritt, kommt die Zentrifugalkomponente in der Energiegleichung nicht zum Tragen. Hier basiert die Kompression vollständig auf der Streuwirkung der Durchgänge. Die Diffusionswirkung im Stator wandelt die absolute kinetische Druckhöhe des Fluids in einen Druckanstieg um. Der relative kinetische Kopf in der Energiegleichung ist ein Begriff, der nur aufgrund der Rotation des Rotors existiert. Der Rotor reduziert die relative kinetische Druckhöhe der Flüssigkeit und addiert sie zur absoluten kinetischen Druckhöhe der Flüssigkeit, dh der Aufprall des Rotors auf die Flüssigkeitspartikel erhöht deren Geschwindigkeit (absolut) und verringert dadurch die relative Geschwindigkeit zwischen der Flüssigkeit und dem Rotor. Kurz gesagt, der Rotor erhöht die Absolutgeschwindigkeit des Fluids und der Stator wandelt dies in einen Druckanstieg um. Eine diffusionsfähige Gestaltung des Rotorkanals kann zusätzlich zu seiner normalen Funktion einen Druckanstieg bewirken. Dies erzeugt einen größeren Druckanstieg pro Stufe, die zusammen einen Stator und einen Rotor bildet. Dies ist das Reaktionsprinzip bei Turbomaschinen. Wenn 50% des Druckanstiegs in einer Stufe am Rotorabschnitt erreicht werden, spricht man von einer 50%igen Reaktion.

Design

Der durch eine einzelne Stufe erzeugte Druckanstieg wird durch die relative Geschwindigkeit zwischen dem Rotor und dem Fluid und den Dreh- und Diffusionsfähigkeiten der Schaufeln begrenzt. Eine typische Stufe in einem kommerziellen Kompressor erzeugt bei Auslegungsbedingungen einen Druckanstieg zwischen 15 und 60 % (Druckverhältnisse von 1,15–1,6) mit einem polytropen Wirkungsgrad im Bereich von 90–95 %. Um unterschiedliche Druckverhältnisse zu erreichen, werden Axialkompressoren mit unterschiedlicher Stufenzahl und Drehzahl ausgelegt. Als Faustregel können wir annehmen, dass jede Stufe in einem bestimmten Kompressor den gleichen Temperaturanstieg (Delta T) hat. Daher muss am Eintritt die Temperatur (TStufe) zu jeder Stufe durch den Verdichter progressiv ansteigen und das Verhältnis (Delta T)/(TStufe) Eintritt muss abnehmen, was eine fortschreitende Verringerung des Stufendruckverhältnisses durch die Einheit impliziert. Dadurch entwickelt die hintere Stufe ein deutlich geringeres Druckverhältnis als die erste Stufe. Höhere Stufendruckverhältnisse sind auch möglich, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen Fluid und Rotoren Überschall ist, dies wird jedoch auf Kosten von Effizienz und Bedienbarkeit erreicht. Solche Kompressoren mit Stufendruckverhältnissen von über 2 werden nur dort eingesetzt, wo die Minimierung von Kompressorgröße, -gewicht oder -komplexität kritisch ist, wie beispielsweise bei Militärflugzeugen.

Die Tragflächenprofile sind optimiert und auf bestimmte Geschwindigkeiten und Drehungen abgestimmt. Obwohl Kompressoren unter anderen Bedingungen mit unterschiedlichen Durchflüssen, Geschwindigkeiten oder Druckverhältnissen betrieben werden können, kann dies zu einer Effizienzeinbuße oder sogar zu einem teilweisen oder vollständigen Zusammenbruch des Durchflusses (bekannt als Verdichterabriss bzw. Druckstoß) führen. Somit ergibt sich eine praktische Grenze für die Anzahl der Stufen und das Gesamtdruckverhältnis aus der Interaktion der verschiedenen Stufen, wenn es erforderlich ist, von den Konstruktionsbedingungen abzuweichen. Diese „Off-Design“-Bedingungen können bis zu einem gewissen Grad abgemildert werden, indem dem Kompressor eine gewisse Flexibilität zur Verfügung gestellt wird. Dies wird normalerweise durch die Verwendung von einstellbaren Statoren oder mit Ventilen erreicht, die zwischen den Stufen Flüssigkeit aus dem Hauptstrom ablassen können (Inter-stage-Bleed). Moderne Düsentriebwerke verwenden eine Reihe von Kompressoren, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen; Luft mit einem Druckverhältnis von etwa 40:1 für die Verbrennung mit ausreichender Flexibilität für alle Flugbedingungen zu liefern.

Kinetik und Energiegleichungen

Geschwindigkeitsdreieck des wirbelnden Fluids, das in das Rotorblatt ein- und austritt

Das Impulsgesetz besagt, dass die Summe der Momente externer Kräfte, die auf ein Fluid wirken, das vorübergehend das Kontrollvolumen einnimmt, gleich der Nettoänderung des Drehimpulsflusses durch das Kontrollvolumen ist.

Das wirbelnde Fluid tritt mit Radius,, mit Tangentialgeschwindigkeit, in das Kontrollvolumen ein und verlässt es mit Radius,, mit Tangentialgeschwindigkeit,.$$

R1 {\displaystyle r_{1}\,}$$Vw1 {\displaystyle V_{w1}\,}$$R2 {\displaystyle r_{2}\,}$$Vw2 {\displaystyle V_{w2}\,}

$$V1 {\displaystyle V_{1}\,}und sind die absoluten Geschwindigkeiten am Einlass bzw. am Auslass.$$V2 {\displaystyle V_{2}\,}

$$VF1 {\displaystyle V_{f1}\,}und sind die axialen Strömungsgeschwindigkeiten am Einlass bzw. am Auslass.$$VF2 {\displaystyle V_{f2}\,}

$$Vw1 {\displaystyle V_{w1}\,}und sind die Drallgeschwindigkeiten am Einlass bzw. am Auslass.$$Vw2 {\displaystyle V_{w2}\,}

$$VR1 {\displaystyle V_{r1}\,}und sind die relativen Schaufelgeschwindigkeiten am Einlass bzw. am Auslass.$$VR2 {\displaystyle V_{r2}\,}

$$U {\displaystyle U\,} ist die Lineargeschwindigkeit der Klinge.

$$α {\displaystyle\alpha}ist der Leitschaufelwinkel und ist der Schaufelwinkel.$$β {\displaystyle \beta}

Impulsänderungsrate F ist durch die Gleichung gegeben:

$$F=m˙(Vw2−Vw1)=m˙(VF2bräunen⁡α2−VF1bräunen⁡α1) {\displaystyle F={\dot{m}}\left(V_{w2}-V_{w1}\right)={\dot{m}}\left(V_{f2}\tan\alpha_{2} -V_{f1}\tan\alpha_{1}\right)\,} (aus dem Geschwindigkeitsdreieck)

Die von einer idealen Laufschaufel aufgenommene Leistung P ist durch die Gleichung gegeben:

$$P=m˙U(VF2bräunen⁡α2−VF1bräunen⁡α1) {\displaystyle P={\dot{m}}U\left(V_{f2}\tan\alpha_{2}-V_{f1}\tan\alpha_{1}\right)\,}

Änderung der Flüssigkeitsenthalpie in Laufschaufeln:

$$P=m˙(h02−h01)=m˙CP(T02−T01) {\displaystyle P={\dot{m}}\left(h_{02}-h_{01}\right)={\dot{m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01 }\Rechts)\,}

Deswegen,

$$P=m˙U(VF2bräunen⁡α2−VF1bräunen⁡α1)=m˙CP(T02−T01) {\displaystyle P={\dot{m}}U\left(V_{f2}\tan\alpha_{2}-V_{f1}\tan\alpha_{1}\right)={\dot {m }}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}

was impliziert,

$$δ(T0)isentrop=UCP(VF2bräunen⁡α2−VF1bräunen⁡α1) {\displaystyle \delta(T_{0})_{\text{isentrop}}={\frac {U}{c_{p}}}\left(V_{f2}\tan\alpha_{2}-V_ {f1}\tan\alpha_{1}\right)\,}

Isentrope Kompression im Rotorblatt,

$$P2−P1=P1([T2T1]γγ−1−1) {\displaystyle p_{2}-p_{1}=p_{1}\left(\left[{\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right]^{\frac {\gamma } {\gamma -1}}-1\rechts)\,}

Deswegen,

$$(P02)tatsächlichP01=(1+ηBühneδ(T0)isentropT01)γγ−1 {\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{tatsächlich}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta_{\text{Stufe}}\ Delta (T_{0})_{\text{isentropisch}}}{T_{01}}}\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}

was impliziert

$$(P02)tatsächlichP01=(1+ηBühneUT01CP[VF2bräunen⁡α2−VF1bräunen⁡α1])γγ−1 {\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{tatsächlich}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta_{\text{Stufe}}U }{T_{01}c_{p}}}\left[V_{f2}\tan\alpha_{2}-V_{f1}\tan\alpha_{1}\right]\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}

Reaktionsgrad, Die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Rotorblatts wird als Reaktionsdruck bezeichnet. Die Änderung der Druckenergie wird über den Reaktionsgrad berechnet.

$$R=h2−h1h02−h01P=m˙CP(T2+V222CP−[T1+V122CP])P=m˙(h2−h1+[V222−V122])h2−h1=VR122−VR222T2−T1=VR122CP−VR222CP {\displaystyle {\begin{aligned}Ramp;={\frac {h_{2}-h_{1}}{h_{02}-h_{01}}}\\Pamp;={\dot {m}}c_{ p}\left(T_{2}+{\frac{V_{2}^{2}}{2c_{p}}}-\left[T_{1}+{\frac {V_{1}^{2 }}{2c_{p}}}\right]\right)\\Pamp;={\dot {m}}\left(h_{2}-h_{1}+\left[{\frac {V_{2} ^{2}}{2}}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}\right]\right)\\h_{2}-h_{1}amp;={\frac { V_{r1}^{2}}{2}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2}}\\T_{2}-T_{1}amp;={\frac {V_{ r1}^{2}}{2c_{p}}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2c_{p}}}\end{ausgerichtet}}}

Deswegen,

$$R=VR12−VR22VR12−VR22+V12−V22 {\displaystyle R={\frac {V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}}{V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}+V_{1} ^{2}-V_{2}^{2}}}\,}

Leistungsmerkmale

Gründe für den Unterschied zwischen idealer und tatsächlicher Leistungskurve bei einem Axialkompressor

Instabilitäten

Greitzer verwendete ein Kompressionssystemmodell vom Helmholtz-Resonatortyp, um das Einschwingverhalten eines Kompressionssystems nach einer kleinen Störung, die einem stabilen Betriebszustand überlagert ist, vorherzusagen. Er fand einen dimensionslosen Parameter, der vorhersagte, welche Art von Kompressorinstabilität, rotierender Strömungsabriss oder Pumpstoß, resultieren würde. Als Parameter wurden die Rotordrehzahl, die Helmholtz-Resonatorfrequenz des Systems und eine "effektive Länge" des Verdichterkanals verwendet. Er hatte einen kritischen Wert, der entweder einen rotierenden Strömungsabriss oder ein Pumpen vorhersagte, bei dem sich die Steigung des Druckverhältnisses gegenüber der Strömung von negativ zu positiv änderte.

Steady-State-Leistung

Die Axialverdichterleistung wird in einem Verdichterkennfeld, auch bekannt als Kennlinie, angezeigt, indem das Druckverhältnis und der Wirkungsgrad gegen den korrigierten Massenstrom bei verschiedenen Werten der korrigierten Verdichterdrehzahl aufgetragen werden.

Axialkompressoren, insbesondere in der Nähe ihres Auslegungspunkts, sind normalerweise einer analytischen Behandlung zugänglich, und eine gute Schätzung ihrer Leistung kann vorgenommen werden, bevor sie zum ersten Mal auf einer Bohrinsel betrieben werden. Das Verdichterkennfeld zeigt den kompletten Betriebsbereich, dh Off-Design, des Verdichters vom Bodenleerlauf bis zu seiner höchsten korrigierten Rotordrehzahl, die bei einem zivilen Triebwerk am Gipfel oder bei einem militärischen Kampftriebwerk bei. auftreten kann Abflug an einem kalten Tag. Nicht gezeigt ist der Unter-Leerlauf-Leistungsbereich, der für die Analyse des normalen Boden- und Windradstartverhaltens im Flug benötigt wird.

Die Leistung einer einzelnen Verdichterstufe kann durch Plotten gezeigt Stufe Ladekoeffizienten () als Funktion des Strömungskoeffizient ()$$

ψ {\displaystyle \psi\,}$$φ {\displaystyle \phi\,}

Das Druckverhältnis der Stufe zur Durchflussmenge ist niedriger als bei einer verlustfreien Stufe, wie gezeigt. Verluste sind auf Schaufelreibung, Strömungsablösung, instationäre Strömung und Schaufel-Schaufel-Abstände zurückzuführen.

Off-Design-Betrieb

Off-Design-Kennlinie eines Axialkompressors. Stufenbelastungskoeffizient () als Funktion des Durchflusskoeffizienten ()$$ψ {\displaystyle \psi\,}$$φ {\displaystyle \phi\,}

Die Leistung eines Kompressors wird durch seine Konstruktion definiert. In der Praxis weicht der Betriebspunkt des Verdichters jedoch vom Auslegungspunkt ab, der als Off-Design-Betrieb bezeichnet wird.

$$ψ=φ(bräunen⁡α2−bräunen⁡α1) {\displaystyle \psi =\phi(\tan\alpha_{2}-\tan\alpha_{1})\,}

(1)

$$bräunen⁡α2=1φ−bräunen⁡β2 {\displaystyle \tan\alpha_{2}={\frac{1}{\phi}}-\tan\beta_{2}\,}

(2)

aus Gleichung (1) und (2)

$$ψ=1−φ(bräunen⁡β2+bräunen⁡α1) {\displaystyle \psi=1-\phi(\tan\beta_{2}+\tan\alpha_{1})\,}

Der Wert von ändert sich für einen weiten Bereich von Betriebspunkten bis zum Abwürgen nicht. Auch wegen der geringfügigen Änderung des Luftwinkels an Rotor und Stator, wo der Diffusorschaufelwinkel liegt.$$

(bräunen⁡β2+bräunen⁡α1) {\displaystyle (\tan\beta_{2}+\tan\alpha_{1})\,}$$α1=α3 {\displaystyle \alpha_{1}=\alpha_{3}\,}$$α3 {\displaystyle \alpha_{3}\,}

$$J=bräunen⁡β2+bräunen⁡α3) {\displaystyle J=\tan\beta_{2}+\tan\alpha_{3})\,} ist konstant

Darstellung von Bemessungswerten mit (')

$$ψIch=1−J(φIch)J=1−ψIchφIch {\displaystyle {\begin{aligned}\psi'amp;=1-J(\phi')\,\\Jamp;={\frac {1-\psi'}{\phi'}}\end{aligned}} }

(3)

für Off-Design-Operationen (aus Gl. 3):

$$ψ=1−J(φ)ψ=1−φ(1−ψIchφIch) {\displaystyle {\begin{ausgerichtet}\psi amp;=1-J(\phi)\,\\\psi amp;=1-\phi\left({\frac {1-\psi '}{\phi'} }\rechts)\,\end{ausgerichtet}}}

für positive Werte von J ist die Steigung der Kurve negativ und umgekehrt.

Wogend

Verschiedene Punkte auf der Leistungskurve in Abhängigkeit von Volumenstrom und Druckdifferenz

In der graphischen Darstellung von Druck-Strömungsrate wird das Liniendiagramm zwischen zwei REGIONEN- instabilen und stabilen Trennen bekannt als die Pumpgrenze. Diese Linie wird durch das Zusammenfügen von Schwallpunkten bei unterschiedlichen Drehzahlen gebildet. Eine instabile Strömung in Axialkompressoren aufgrund eines vollständigen Zusammenbruchs des stationären Durchflusses wird als Pumpen bezeichnet. Dieses Phänomen beeinträchtigt die Leistung des Kompressors und ist unerwünscht.

Stoßzyklus

Die folgende Erklärung zum Pumpen bezieht sich auf das Betreiben eines Kompressors mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Bohrinsel und das allmähliche Verringern der Austrittsfläche durch Schließen eines Ventils. Was passiert, dh das Überschreiten der Pumpgrenze, wird dadurch verursacht, dass der Kompressor versucht, die immer noch mit derselben Geschwindigkeit laufende Luft auf einen höheren Ausgangsdruck zu fördern. Wenn der Verdichter als Teil eines kompletten Gasturbinentriebwerks im Gegensatz zu einem Prüfstand betrieben wird, kann durch zu große Verbrennung kurzzeitig ein höherer Förderdruck bei einer bestimmten Drehzahl verursacht werden - ein Sprung im Kraftstoff, der eine kurzzeitige Blockierung verursacht bis der Kompressor die Drehzahl erreicht, die mit dem neuen Kraftstoffstrom einhergeht und das Pumpen aufhört.

Angenommen, der Anfangsbetriebspunkt D () liegt bei einigen U/min N. Beim Absenken des Durchflusses bei gleicher U/min entlang der Kennlinie durch teilweises Schließen des Ventils steigt der Druck in der Leitung, was durch eine Erhöhung des Eingangsdrucks um. ausgeglichen wird der Kompressor. Bei weiterer Druckerhöhung bis zum Punkt P (Pumppunkt) wird der Kompressordruck erhöht. Wenn Sie sich weiter nach links bewegen und die Drehzahl konstant halten, steigt der Druck in der Leitung, aber der Kompressordruck sinkt, was zu einem Rückluftstrom zum Kompressor führt. Aufgrund dieses Rückflusses sinkt der Druck in der Leitung, da dieser ungleiche Druckzustand nicht über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Obwohl die Ventilposition auf eine niedrigere Durchflussrate eingestellt ist, z. B. Punkt G, aber der Kompressor gemäß dem normalen stabilen Betriebspunkt, z. B. E, arbeitet, wird dem Weg EFPGE gefolgt, der zu einem Zusammenbruch des Durchflusses führt, sodass der Druck im Kompressor weiter bis zum Punkt H() abfällt. Diese Druckerhöhung und -abnahme in der Leitung erfolgt wiederholt in der Leitung und im Kompressor nach dem Zyklus EFPGHE, der auch als Pumpzyklus bekannt ist.$$

m˙,PD {\displaystyle {\dot{m}},P_{D}\,}$$Ph {\displaystyle P_{H}\,}

Dieses Phänomen verursacht Vibrationen in der gesamten Maschine und kann zu mechanischen Versagen führen. Aus diesem Grund wird der linke Teil der Kurve vom Schwallpunkt als instabiler Bereich bezeichnet und kann zu Schäden an der Maschine führen. Der empfohlene Betriebsbereich liegt also auf der rechten Seite der Pumpgrenze.

Abwürgen

Das Abwürgen ist ein wichtiges Phänomen, das die Leistung des Kompressors beeinflusst. Es wird eine Analyse des rotierenden Strömungsabrisses in Kompressoren mit vielen Stufen durchgeführt, um Bedingungen zu finden, unter denen eine Strömungsverzerrung auftreten kann, die in einem sich bewegenden Bezugssystem konstant ist, obwohl der stromaufwärtige Gesamt- und der stromabwärtige statische Druck konstant sind. Im Verdichter wird von einer Druckanstiegshysterese ausgegangen. Es handelt sich um eine Situation der Luftströmungstrennung an den Tragflächenschaufeln des Kompressors. Dieses vom Schaufelprofil abhängige Phänomen führt zu einer verringerten Kompression und einem Abfall der Motorleistung.

Positives Abwürgen

Auf der Saugseite der Schaufel treten Strömungsablösungen auf.

Negatives Abwürgen

Auf der Druckseite der Schaufel treten Strömungsablösungen auf.

Negativer Strömungsabriss ist im Vergleich zum positiven Strömungsabriss vernachlässigbar, da eine Strömungsablösung auf der Druckseite der Schaufel am wenigsten wahrscheinlich ist.

Bei einem mehrstufigen Kompressor ist die Axialgeschwindigkeit bei den Hochdruckstufen sehr klein. Der Stalling-Wert nimmt mit einer kleinen Abweichung vom Auslegungspunkt ab, was zu einem Stall in der Nähe der Naben- und Spitzenbereiche führt, deren Größe mit abnehmenden Durchflussraten zunimmt. Sie werden bei sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit größer und wirken sich auf die gesamte Schaufelhöhe aus. Der Förderdruck fällt bei großem Strömungsabriss deutlich ab, was zu einer Strömungsumkehr führen kann. Der Stufenwirkungsgrad sinkt mit höheren Verlusten.

Rotierendes Abwürgen

Siehe auch: Kompressorstillstand

Eine Ungleichmäßigkeit der Luftströmung in den Laufschaufeln kann die lokale Luftströmung im Kompressor stören, ohne sie zu stören. Der Kompressor arbeitet normal weiter, jedoch mit reduzierter Kompression. Somit verringert ein rotierender Strömungsabriss die Effektivität des Kompressors.

In einem Rotor mit Blättern, die sich nach rechts bewegen. Lassen Sie einige Schaufeln bei höherem Einfall strömen, diese Schaufel wird positiv stoppen. Es verursacht ein Hindernis im Durchgang zwischen der Klinge zu seiner Linken und sich selbst. Somit erhält die linke Schaufel die Strömung mit höherem Einfall und die rechte Schaufel mit verringertem Einfall. Das linke Blatt erfährt mehr Strömungsabriss, während das rechte Blatt weniger Strömungsabriss erfährt. Nach rechts nimmt das Abwürgen ab, während es nach links zunimmt. Je nach gewähltem Bezugssystem kann die Bewegung des rotierenden Stalls beobachtet werden.

Auswirkungen

• Dies verringert die Effizienz des Kompressors
• Erzwungene Schwingungen in den Schaufeln durch den Durchgang durch den Stallraum.
• Diese erzwungenen Schwingungen können mit der Eigenfrequenz der Schaufeln übereinstimmen, was zu Resonanz und damit zum Ausfall der Schaufel führt.

Entwicklung

Unter dem Gesichtspunkt des Energieaustauschs sind Axialverdichter umgekehrte Turbinen. Der Dampfturbinenkonstrukteur Charles Algernon Parsons zum Beispiel erkannte, dass eine Turbine, die aufgrund des statischen Drucks einer Flüssigkeit Arbeit erzeugt (dh eine Reaktionsturbine), ihre Wirkung umkehren kann, um als Luftkompressor zu wirken, und sie als Turbokompressor oder Pumpe bezeichnet. Seine Rotor- und Statorschaufeln, die in einem seiner Patente beschrieben sind, hatten wenig oder keine Wölbung, obwohl die Schaufelkonstruktion in einigen Fällen auf der Propellertheorie beruhte. Die von Dampfturbinen angetriebenen Maschinen wurden zu industriellen Zwecken wie der Luftversorgung von Hochöfen eingesetzt. Parsons lieferte 1901 den ersten kommerziellen Axialverdichter für den Einsatz in einer Bleischmelze. Die Maschinen von Parsons hatten einen geringen Wirkungsgrad, der später auf den Schaufelabriss zurückgeführt wurde, und wurden bald durch effizientere Zentrifugalverdichter ersetzt. Brown Boveri amp; Cie produzierte von Gasturbinen angetriebene "umgekehrte Turbinen"-Kompressoren mit aus aerodynamischer Forschung abgeleiteten Schaufeln, die beim Pumpen großer Fördermengen von 40.000 cu.ft. effizienter waren als zentrifugale Typen. pro Minute bei Drücken bis zu 45 psi

Da frühe Axialkompressoren nicht effizient genug waren, behaupteten eine Reihe von Veröffentlichungen in den frühen 1920er Jahren, dass ein praktikables Axialströmungs- Turbojet-Triebwerk unmöglich zu konstruieren sei. Die Dinge änderten sich, nachdem AA Griffith 1926 ein wegweisendes Papier veröffentlichte, in dem er feststellte, dass der Grund für die schlechte Leistung darin lag, dass bestehende Kompressoren flache Schaufeln verwendeten und im Wesentlichen „fliegend abgewürgt “ waren. Er zeigte, dass die Verwendung von Tragflügeln anstelle der flachen Schaufeln die Effizienz so weit steigern würde, dass ein praktikables Düsentriebwerk realisierbar war. Er schloss die Arbeit mit einem grundlegenden Diagramm eines solchen Motors ab, das eine zweite Turbine enthielt, die zum Antrieb eines Propellers verwendet wurde.

Obwohl Griffith aufgrund seiner früheren Arbeiten zur Metallermüdung und Spannungsmessung bekannt war, scheint als direktes Ergebnis seiner Arbeit nur wenig Arbeit begonnen zu haben. Der einzige offensichtliche Versuch war ein Prüfstandskompressor, der von Hayne Constant, Griffiths Kollege bei der Royal Aircraft Establishment, gebaut wurde. Andere frühe Jet Bemühungen, insbesondere die von Frank Whittle und Hans von Ohain, wurden auf der Basis robuster und besser verstanden Radialverdichter, die in großem Maße verwendet wurde Ladern. Griffith hatte 1929 Whittles Arbeit gesehen und sie mit einem mathematischen Fehler abgewiesen und behauptet, dass die Frontgröße des Triebwerks es für ein Hochgeschwindigkeitsflugzeug nutzlos machen würde.

Die eigentliche Arbeit an Axialstrommotoren begann in den späten 1930er Jahren in mehreren Bemühungen, die alle ungefähr zur gleichen Zeit begannen. In England schloss Hayne Constant 1937 eine Vereinbarung mit der Dampfturbinenfirma Metropolitan-Vickers (Metrovick) und begann 1938 mit ihren Turboprop- Anstrengungen auf der Grundlage des Griffith-Designs wurde als reiner Jet umgebaut, die Metrovick F.2. In Deutschland hatte von Ohain mehrere funktionierende Zentrifugaltriebwerke hergestellt, von denen einige geflogen waren, darunter das erste Düsenflugzeug der Welt ( He 178 ), aber die Entwicklungsbemühungen gingen zu Junkers ( Jumo 004 ) und BMW ( BMW 003 ) über, die Axialmotoren verwendeten -Strömungskonstruktionen im weltweit ersten Düsenjäger ( Messerschmitt Me 262 ) und Düsenbomber ( Arado Ar 234 ). In den Vereinigten Staaten erhielten sowohl Lockheed als auch General Electric 1941 Aufträge zur Entwicklung von Axialstromtriebwerken, ersteres ein reines Jet, letzteres ein Turboprop. Northrop startete auch ein eigenes Projekt zur Entwicklung einer Turboprop, das schließlich 1943 von der US-Marine in Auftrag gegeben wurde. Auch Westinghouse trat 1942 in das Rennen ein. Ihr Projekt erwies sich als das einzige erfolgreiche Projekt der USA, das später zur J30 wurde.

Wie Griffith ursprünglich 1929 bemerkt hatte, verursachte die große Frontgröße des Zentrifugalverdichters einen höheren Widerstand als der schmalere Axialströmungstyp. Darüber hinaus könnte das Axialströmungsdesign das Verdichtungsverhältnis einfach durch Hinzufügen zusätzlicher Stufen verbessern und den Motor etwas länger machen. Bei der Zentrifugalströmungskonstruktion musste der Kompressor selbst einen größeren Durchmesser haben, was viel schwieriger war, richtig in einen dünnen und aerodynamischen Flugzeugrumpf zu passen (wenn auch nicht unähnlich dem Profil von bereits weit verbreiteten Sternmotoren ). Auf der anderen Seite blieben Zentrifugalströmungsdesigns viel weniger komplex (der Hauptgrund, warum sie im Rennen um fliegende Beispiele "gewonnen" haben) und spielen daher eine Rolle an Orten, an denen Größe und Stromlinienform nicht so wichtig sind.

Axialstrahltriebwerke

Niederdruck-Axialkompressor-Schema des Olympus BOl.1- Turbojets.

Bei der Anwendung von Strahltriebwerken ist der Kompressor einer Vielzahl von Betriebsbedingungen ausgesetzt. Am Boden beim Start ist der Einlassdruck hoch, die Einlassgeschwindigkeit null und der Kompressor dreht sich mit einer Vielzahl von Geschwindigkeiten, wenn die Leistung aufgebracht wird. Im Flug sinkt der Einlassdruck, aber die Einlassgeschwindigkeit erhöht sich (aufgrund der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs), um einen Teil dieses Drucks zurückzugewinnen, und der Kompressor neigt dazu, über lange Zeiträume mit einer einzigen Geschwindigkeit zu laufen.

Es gibt einfach keinen "perfekten" Kompressor für dieses breite Spektrum an Betriebsbedingungen. Kompressoren mit fester Geometrie, wie sie bei frühen Strahltriebwerken verwendet werden, sind auf ein Auslegungsdruckverhältnis von etwa 4 oder 5:1 beschränkt. Wie bei jeder Wärmekraftmaschine, die Kraftstoffeffizienz wird auf das stark im Zusammenhang Verdichtungsverhältnis, so dass es sehr starke finanzielle Notwendigkeit besteht, die Verdichterstufen über diese Art von Verhältnissen zu verbessern.

Außerdem kann der Kompressor abwürgen, wenn sich die Einlassbedingungen abrupt ändern, ein häufiges Problem bei frühen Motoren. In einigen Fällen, wenn der Strömungsabriss in der Nähe der Vorderseite des Motors auftritt, hören alle Stufen ab diesem Zeitpunkt auf, die Luft zu komprimieren. In dieser Situation sinkt die zum Betrieb des Kompressors erforderliche Energie plötzlich und die verbleibende heiße Luft im hinteren Teil des Triebwerks ermöglicht es der Turbine, das gesamte Triebwerk dramatisch zu beschleunigen. Dieser als Pumpen bekannte Zustand war bei frühen Triebwerken ein großes Problem und führte oft dazu, dass die Turbine oder der Verdichter brachen und die Schaufeln ablösten.

Aus all diesen Gründen sind Axialkompressoren moderner Strahltriebwerke wesentlich komplexer als solche früherer Konstruktionen.

Spulen

Alle Kompressoren haben einen optimalen Punkt in Bezug auf Drehzahl und Druck, wobei höhere Kompressionen höhere Drehzahlen erfordern. Frühe Motoren waren auf Einfachheit ausgelegt und verwendeten einen einzigen großen Kompressor, der sich mit einer einzigen Geschwindigkeit drehte. Spätere Konstruktionen fügten eine zweite Turbine hinzu und teilten den Kompressor in Niederdruck- und Hochdruckabschnitte, wobei letztere schneller drehten. Dieses Zwei-Spulen- Design, das auf dem Bristol Olympus entwickelt wurde, führte zu einer erhöhten Effizienz. Weitere Effizienzsteigerungen können durch Hinzufügen einer dritten Spule realisiert werden, aber in der Praxis erhöht die zusätzliche Komplexität die Wartungskosten bis zu dem Punkt, an dem jeder wirtschaftliche Vorteil zunichte gemacht wird. Allerdings gibt es mehrere Drei-Spulen-Triebwerke, von denen das vielleicht berühmteste der Rolls-Royce RB211 ist, der in einer Vielzahl von Verkehrsflugzeugen verwendet wird.

Zapfluft, variable Statoren

Siehe auch: Entlüftung

Wenn ein Flugzeug seine Geschwindigkeit oder Höhe ändert, ändert sich der Luftdruck am Einlass des Kompressors. Um den Kompressor auf diese sich ändernden Bedingungen "abzustimmen", würden Konstruktionen ab den 1950er Jahren Luft aus der Mitte des Kompressors "ablassen", um zu vermeiden, dass in den Endstufen zu viel Luft komprimiert wird. Dies wurde auch verwendet, um den Motor zu starten, so dass er durch so viel wie möglich entlüftet werden konnte, ohne viel Luft zu komprimieren. Bleed-Systeme wurden ohnehin bereits häufig verwendet, um Luft in die Turbinenstufe zu strömen, wo sie zur Kühlung der Turbinenschaufeln verwendet wurde, sowie um Druckluft für die Klimaanlagen im Inneren des Flugzeugs bereitzustellen.

Eine fortschrittlichere Konstruktion, der variable Stator, verwendet Schaufeln, die im Gegensatz zur Antriebsachse des Motors einzeln um ihre Achse gedreht werden können. Beim Anfahren werden sie auf "geschlossen" gedreht, wodurch die Kompression reduziert wird, und dann wieder in den Luftstrom zurückgedreht, wenn die äußeren Bedingungen es erfordern. Der General Electric J79 war das erste bedeutende Beispiel für eine variable Statorkonstruktion und ist heute ein gemeinsames Merkmal der meisten Militärmotoren.

Ein progressives Schließen der variablen Statoren, wenn die Verdichterdrehzahl sinkt, verringert die Steigung der Pump- (oder Strömungsabriss-)Linie auf der Betriebskennlinie (oder dem Kennfeld) und verbessert die Pumpgrenze der installierten Einheit. Durch den Einbau von variablen Statoren in die ersten fünf Stufen hat General Electric Aircraft Engines einen zehnstufigen Axialverdichter entwickelt, der bei einem Auslegungsdruckverhältnis von 23:1 betrieben werden kann.

Designhinweise

Energieaustausch zwischen Rotor und Fluid

Die Relativbewegung der Schaufeln zum Fluid erhöht die Geschwindigkeit oder den Druck oder beides zu dem Fluid, wenn es durch den Rotor strömt. Durch den Rotor wird die Fluidgeschwindigkeit erhöht und der Stator wandelt kinetische Energie in Druckenergie um. Bei den meisten praktischen Konstruktionen tritt auch eine gewisse Diffusion im Rotor auf.

Die Geschwindigkeitszunahme des Fluids erfolgt hauptsächlich in tangentialer Richtung (Drall) und der Stator nimmt diesen Drehimpuls ab.

Der Druckanstieg führt zu einem Stagnationstemperaturanstieg. Bei gegebener Geometrie hängt der Temperaturanstieg vom Quadrat der tangentialen Machzahl der Rotorreihe ab. Gegenwärtige Turbofan- Triebwerke haben Ventilatoren, die mit Mach 1,7 oder mehr betrieben werden, und erfordern erhebliche Eindämmungs- und Geräuschunterdrückungsstrukturen, um Schaufelverlustschäden und Geräusche zu reduzieren.

Kompressorkarten

Ein Kennfeld zeigt die Leistung eines Kompressors und ermöglicht die Ermittlung optimaler Betriebsbedingungen. Es zeigt den Massenstrom entlang der horizontalen Achse an, typischerweise als Prozentsatz des Auslegungsmassenstroms oder in tatsächlichen Einheiten. Auf der vertikalen Achse ist der Druckanstieg als Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangs-Stagnationsdruck angegeben.

Eine Pump- oder Strömungsabrisslinie identifiziert die Grenze, links von der sich die Kompressorleistung schnell verschlechtert, und identifiziert das maximale Druckverhältnis, das für einen gegebenen Massenstrom erreicht werden kann. Es werden Effizienzkonturen sowie Leistungslinien für den Betrieb bei bestimmten Drehzahlen eingezeichnet.

Kompressionsstabilität

Die Betriebseffizienz ist in der Nähe der Stalllinie am höchsten. Wenn der Hinterdruck über den maximal möglichen Wert erhöht wird, blockiert der Kompressor und wird instabil.

Typischerweise liegt die Instabilität bei der Helmholtz-Frequenz des Systems unter Berücksichtigung des nachgeschalteten Plenums.

Siehe auch

• Radialverdichter
• Axiallüfter-Design
• Axialpumpe

Verweise

Literaturverzeichnis

• Treager, Irwin E. 'Aircraft Gas Turbine Engine Technology' 3. Aufl., McGraw-Hill Book Company, 1995, ISBN   978-0-02-8018287
• Hill, Philip und Carl Peterson. "Mechanics and Thermodynamics of Propulsion", 2. Aufl., Prentice Hall, 1991. ISBN   0-201-14659-2.
• Kerrebrock, Jack L. "Aircraft Engines and Gas Turbines", 2. Aufl., Cambridge, Massachusetts: The MIT Press, 1992. ISBN   0-262-11162-4.
• Rangwalla, Abdulla. S. „Turbo-Machinery Dynamics: Design and Operation“, New York: McGraw-Hill: 2005. ISBN   0-07-145369-5.
• Wilson, David Gordon und Theodosios Korakianitis. "The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Turbines", 2. Aufl., Prentice Hall, 1998. ISBN   0-13-312000-7.