Aksialkompressoren er et turbomaskineri med aksialstrøm for å komprimere gasser, der gassen strømmer parallelt med rotasjonsaksen.
Sammenlignet med sentrifugalkompressoren klarer den høyere strømningshastigheter med samme frontflate, men med et lavere kompresjonsforhold og derfor større lengder per enkelt trinn . [1] I gassturbinen er aksialkompressorene koblet til turbinen med roterende drivaksler. Nesten alle mellomstore til store gassturbiner i dag er aksialstrøm, mens mer kompakte motorer, for eksempel APU -er (hjelpekraftenheter) eller helikopter- eller leddede lastebilmotorer , er sentrifugalstrøm.
En typisk aksialkompressor har en rotor , en bladskive, etterfulgt av en stator , og denne er festet til rammen. Koblingen av en stator og en rotor (rekkefølgen avhenger av motoren) kalles trinn . Junkers Jumo 004 (1943), en av de aller første turbojetmotorene, hadde åtte trinn, Lyulka AL-21 F (begynnelsen av 1960 -tallet ) hadde 14, General Electric J79 (slutten av 1950 -tallet ) til og med 17. Moderne jetmotorer i stedet, ved å forbedre kompresjonsforholdet til et enkelt trinn takket være bruken av mer passende materialer og mer raffinert aerodynamikk, har de et mer begrenset antall trinn, selv om de bruker to (eller flere) kompressorer i serie, lavtrykkskompressoren og høytrykkskompressoren drevet av separate aksler som roterer med forskjellige hastigheter for å optimalisere ytelsen. Klimov RD-33 ( 1970 -tallet ) bruker 4 trinn for viften og 9 for kompressoren, Eurojet EJ200 ( 1990 -tallet ) i stedet 3 for viften og bare 5 for kompressoren.
Etter hvert som kompressoren skrider frem, reduseres volumet av luft som er tilgjengelig for strømmen mens det totale trykket øker.
I en jetmotor drives kompressoren av en turbin plassert foran forbrenningskammereksosen . Turbinen bruker derfor en del av energien som frigjøres ved forbrenningen til å flytte kompressoren, typisk fra 60 til 65 %, den resterende energibrøken brukes i eksosdysen for å generere fremdriftskraften.
Oppførselen til et enkelt trinn av en aksialkompressor, i de forenklede hypotesene om null radiell hastighet og konstant aksialhastighet, er illustrert i figuren, hvor u 1 den absolutte hastigheten for inngang til rotoren, u 2 den absolutte hastigheten for utgang fra rotoren , w 1 den relative hastigheten for inngang til rotoren, w 2 den relative hastigheten for utgang fra rotoren og med U rotasjonshastigheten til rotoren. Videre er den absolutte tangentielle inngangshastigheten spesifisert med u t og med subscript a den absolutte aksiale inngangshastigheten. Tilsvarende for w , den relative hastigheten til rotoren. Hastighetene i forhold til statoren viser subscript 2.
Ved å observere figuren kan man se (som man kan utlede fra analysen av hastighetstrianglene) at bladene i rotoren divergerer, slik at strømmen i rotorens referansesystem oppfører seg som i en divergerende kanal (diffusor). Tilsvarende er bladet til statoren også divergerende for å tillate konvertering av kinetisk energi til mekanisk trykkenergi.
Som i sentrifugalkompressoren kan det også i tilfellet med aksialkompressoren utledes at effekten er proporsjonal med kvadratet på rotasjonshastigheten.
Vingene må være vridd, det vil si ha en annen vinkel i forhold til strømmen avhengig av avstanden til seksjonen fra rotasjonssenteret. Faktisk endres den relative hastigheten mellom strømmen og bladet i henhold til denne avstanden (den lineære rotasjonshastigheten er faktisk gitt av formelen U = r × ω , hvor U er den lineære hastigheten, r radiusen eller bedre avstanden fra rotasjonssenteret og ω vinkelhastigheten, eller antall omdreininger per sekund multiplisert med lengden på en omdreining, 2 π ).
De første aksialkompressorene ga svært begrenset effektivitet, så begrenset at man tidlig på 1920 -tallet trodde at en jetmotor i praksis var umulig å bygge. Men ting endret seg dramatisk da Alan Arnold Griffith publiserte et essay i 1926 , som uttalte at de flate vingene som ble brukt på den tiden var ansvarlige for den dårlige effektiviteten til kompressoren, som stoppet ved et hvilket som helst antall omdreininger. De første skovlene var faktisk enkle "fliser", mens Griffiths studie viste fordelen med vingeseksjonsvinger, dvs. tykke nær forkanten og pekte mot bakkanten . Studien hans viste et diagram der en andre turbin flyttet en propell.
Selv om Griffith var veldig kjent for sine tidlige studier av metalltretthet og spenningsmålinger, gjorde han svært lite arbeid direkte relatert til essayet fra 1926. Den eneste umiddelbare konsekvensen var en kompressorprototype bygget av Griffiths kollega ved RAE . , Haine Constant . De første forsøkene på en jetmotor, med unntak av Henri Coandă og Giovanni Battista Caproni (se motoren ), ble utført av Frank Whittle og Hans von Ohain ved å bruke den mest kjente sentrifugalkompressoren , mye brukt for sin robusthet, kompresjon , letthet og lav treghet, for turboladere til stempelmotorer.
Griffith evaluerte Whittles arbeid i 1929, og avfeide det som noe mer enn en matematisk feil og hevdet at en så stor frontseksjon ville være et uoverkommelig hinder for et fly med høy ytelse.
Det virkelige arbeidet med aksialkompressorer begynte på 1930-tallet . I England nådde Haine Constant en avtale med et dampturbinselskap, Metropolitan Vickers (eller til og med Metrovick ), i 1937 , og begynte å rette sin innsats mot turbopropmotoren , basert på Griffiths ideer, i 1938 . I 1940, etter suksessene til Whittles sentrifugalmotor, begynte Constant å jobbe med det rene jetflyet, Metrovick F.2 .
I Tyskland hadde Hans von Ohain allerede produsert flere sentrifugalmotorer, noen av disse hadde til og med fløyet, men all utviklingen ble da rettet mot Junkers og aksialkompressor BMW -ene.
I USA vant både Lockheed Corporation og General Electric kontrakter for levering av aksiale jetmotorer, først turbojetfly og deretter turboproper. Northrop jobbet også med sin egen turboprop, som marinen kjøpte i 1943. Even Westinghouse deltok i konkurransen i 1942 med J30 .
På 1950-tallet var praktisk talt alle de kraftigste motorene utstyrt med en aksial kompressor. Som Griffith bemerket i 1929, skyldtes det høyere aksiale fotavtrykket til sentrifugalkompressoren overdreven luftmotstand sammenlignet med den smalere aksialkompressoren. I tillegg kan den aksiale superladeren garantere utmerkede kompresjonsforhold ganske enkelt ved å legge til trinn, og skape en litt lengre motor.
Når det gjelder sentrifugalkompressoren, er denne mye enklere å designe, den er kortere, lettere og garanterer uovertruffen ytelse for et enkelt trinn. Dette er grunnen til at den brukes på helikoptre og APUer, hvor de totale dimensjonene og vekten spiller en mindre marginal rolle.
I jetmotorapplikasjoner står kompressoren overfor en lang rekke driftsforhold. På bakken, under take-off, er det (statiske) trykket ved innløpet høyt, mens innløpshastigheten er null og kompressoren går gjennom en stor variasjon av hastigheter når den er i drift . En gang under flyging synker det (statiske) trykket ved innløpet, men hastigheten, igjen ved innløpet, stiger på grunn av flyets bevegelse, gjenvinner deler av trykket og kompressoren har en tendens til å kjøre med konstant rotasjonshastighet i lange perioder med tid.
Det er rett og slett ingen kompressor som passer til alle disse driftstilstandene. Kompressorer med fast geometri, slik som de som er montert på tidlige jetmotorer, hadde et ganske begrenset kompresjonsforhold, ca. 4 eller 5 til 1. Som med alle forbrenningsmotorer er spesifikt forbruk sterkt relatert til kompresjonsforholdet. Derfor var det et sterkt økonomisk behov å forbedre kompressortrinnene utover disse kompresjonsforholdene.
Videre kan kompressoren stoppe hvis forholdene ved innløpet plutselig endret seg, et vanlig problem i tidlige motorer. I noen tilfeller, hvis stansen skjedde nær innløpet til motoren, ville alle trinn etterpå slutte å komprimere luften. I denne situasjonen reduserte energien som kreves for å kjøre kompressoren raskt (siden kompressoren ikke utførte arbeid ) og derfor fikk den varme luften som ble igjen nedstrøms for forbrenningskammeret turbinen til å snurre enda raskere og det den trakk, dvs. kompressoren. Denne tilstanden, kjent som surging (eller surge på engelsk), var et av de viktigste problemene i tidlige motorer og kunne føre til at turbin- eller kompressorhjulene snurret raskt nok til å løsne fra akselen og bli kastet ut av motoren.
Av disse grunner er aksialkompressorene betydelig mer komplekse enn de første turbojetmotorene.
Så godt som alle moderne motorer er designet med to kompressorer, den første ved lavt trykk og den andre ved høyt trykk. Tre konsentriske aksler er også introdusert på motorer med stor diameter for å optimalisere rotasjonshastigheten til de ulike kompressorseksjonene i forhold til størrelsen på bladene. Hver kompressor drives av sin egen aksel, som igjen drives av en turbin med henholdsvis lavt eller høyt trykk. Dette systemet øker effektiviteten til motoren.
Når et fly endrer hastighet eller høyde, endres lufttrykket ved kompressorinntaket tilsvarende. For å være sikker på at kompressoren tilpasser seg de ulike forholdene, siden 1950-tallet har det blitt tappet (eller stjålet) luft i midten av kompressoren; på denne måten reduseres arbeidsbelastningen til kompressoren og man unngår at det i de siste stadiene er et for stort luftvolum . Denne enheten utnyttes spesielt ved start av motoren, faktisk er det forståelig at når rotortrinnene begynner å rotere, komprimerer de ikke strømmen til maksimal effektivitet, slik at i sluttfasen vil luftvolumet være for stort hvis en delen ble ikke stiftet. Den delen av tappet luft brukes også til å kjøle turbinbladene, den mest belastede delen både mekanisk og termisk. Vingene er hule innvendig og de mest sofistikerte har hull for luftsirkulasjon. Til slutt brukes kompressorluften både til å sette kabinen under trykk og til klimaanlegget.
En mer avansert, variabel statordesign bruker blader som kan roteres individuelt rundt deres akse, i motsetning til motorens kraftakse. For start kan de roteres til "åpne", redusere kompresjon, og deretter roteres tilbake mot strømmen avhengig av ytre forhold. General Electric J79 er det første eksemplet på en stator med variabel geometri, og i dag er den et vanlig trekk ved mange militære motorer.
Ved gradvis å lukke de variable statorene, mens kompressorhastigheten reduseres, reduseres helningen på maskinens stopp- (eller pumpe-) kurve, noe som forbedrer arbeidsmarginen til maskinen. Ved å inkludere variable statorer i de første fem trinnene, har General Electric utviklet en ti-trinns aksialkompressor som er i stand til å operere med et kompresjonsforhold på 23:1.
I jetmotorer genereres skyvekraft av endringen i momentum av den behandlede luften. Den samme skyvekraften kan oppnås ved å akselerere en stor luftmasse ved lave hastigheter eller en liten luftmasse ved høye hastigheter. Høye utstrømningshastigheter fører til dårligere fremdriftseffektivitet og støyproblemer, men er noen ganger uunnværlige for å nå høye flyhastigheter.
Tvert imot, forskyvning av en stor luftmasse ved relativt lav hastighet gir problemer med bulk og større motstand i flygefasene der maksimal skyvekraft ikke er nødvendig, gitt økningen i den fremre delen av motoren som er nødvendig for å håndtere større mengde luft.
Mot slutten av andre verdenskrig ble bruken av en brøkdel av kraften tilgjengelig for turbinen for å drive en vifte eksperimentert i flere tyske (med Daimler-Benz DB 670-motoren) og britiske (med Metropolitan-Vickers F. 3 motor) prosjekter (eller vifte av britene) for en ekstra luftstrøm som ikke ble ført gjennom forbrenningskammeret.
Viften er vanligvis kilet på den samme akselen som beveger lavtrykkskompressoren, men spesielt for motorer med stor diameter med høyt bypass-forhold kan den også beveges av en aksel dedikert til den som i Rolls-Royce Trent 1000 eller av en reduksjon av omdreininger koblet til lavtrykksakselen som på Pratt & Whitney PW1000G . På motorer med lavt fortynningsforhold (spesielt beregnet på militære kampfly) er det vanlig å bruke totrinns vifter som er i stand til å øke kompresjonsforholdet til viften og redusere tverrmålene.
Etter hvert som turbomaskineriets utbytte ble bedre, ble mer og mer akselkraft tilgjengelig. På begynnelsen av 1950 -tallet utviklet Rolls-Royce den første turbofanmotoren som ble tatt i bruk, Conway .
I denne motortypen separeres den innkommende luften i en varm strøm , beregnet på å passere gjennom viften, kompressoren, forbrenningskammeret og turbinen, og en kald strøm som kun behandles av viften . Hvis de to strømmene forlater samme eksosdyse , sies motoren å ha tilhørende strømninger , ellers å skille strømninger .
En turbofan med tilhørende strømninger, som blander den kalde strømmen med den varme som kommer fra turbinen, introduserer også fordelen med å senke temperaturen på eksosgassene. I tillegg, siden støyen fra en turbojet er proporsjonal med den åttende potensen av hastigheten til eksosgassene, senker fortynningssystemet gjennomsnittshastigheten til eksosgassene, og reduserer også motorstøyen betydelig. De tidlige jetflyene på 1960-tallet var beryktet for sitt øredøvende skrik , mens moderne turbofanmotorer, mens de øker ytelsen, er langt mindre støyende.
En reduksjon av denne fordelen er det faktum at det aerodynamiske luftmotstanden øker eksponentielt ved høye hastigheter, så selv om turbofanmotoren på papiret er mye mer effektiv, er den totale effektiviteten i virkeligheten lavere enn den teoretiske. For eksempel fungerer de nyere Boeing 737 turbofanmotorene med høyt fortynningsforhold ( CFM56 ) med en total effektivitet på omtrent 30 % høyere enn eldre modeller. På den annen side har turbofaner for militære fly, spesielt høyytelses slike som jagerfly , svært lave fortynningsforhold for å gjøre dem, i noen ekstreme tilfeller, lik turbojets (på engelsk definert leaky turbojets [2] , i Italiensk : blåse turbojets ).
Den begrensende faktoren i utformingen av en turbojet er ikke kompressoren, men temperaturen som turbinen tåler. Det er ganske enkelt å bygge en motor som kan levere tilstrekkelig med trykkluft som, hvis den brukes til forbrenning, kan smelte turbinen; dette var en av hovedårsakene til feil på de første tyske motorene. Fremskritt innen luftkjøling og i materialene som brukes har gjort det mulig å dramatisk øke arbeidstemperaturene til turbinene, noe som muliggjør en like markant økning i kompresjonsforholdet til jetmotorer. Tidlige testmotorer hadde forhold på kanskje 3:1, og tidlige produksjonsmotorer som Junkers Jumo 004 kom i rundt 4:1, omtrent like mye som moderne stempelmotorer. Fremgangen begynte umiddelbart og har ikke stoppet; den nyere Rolls-Royce Trent kjører på rundt 40:1, langt forbi enhver stempelmotor.
Siden kompresjonsforholdet er sterkt knyttet til drivstofforbruket, reflekteres denne ca. 8x økningen i kompresjonsforholdet faktisk i 8x lavere drivstofforbruk for hvert effektnivå som er tildelt motoren. Dette er grunnen til at romfartsindustrien legger mye press på eksklusiv bruk av siste generasjons motorer.
Den relative bevegelsen mellom skovlene og væsken øker hastigheten, trykket eller begge deler når væsken passerer gjennom selve rotoren. Hastigheten økes av rotoren, mens statoren omdanner den kinetiske energien til trykkenergi. I de vanligste designene oppstår det også en viss diffusjonseffekt i rotoren.
Væskehastighetsøkningen gitt av rotoren skjer hovedsakelig i tangentiell retning, og statoren eliminerer momentumet i denne retningen (transformerer det til en økning i temperatur og trykk).
Økningen i trykk er ledsaget av en økning i stagnasjonstemperaturen . Gitt geometrien avhenger temperaturstigningen av kvadratet på det tangentielle Mach-tallet til rotortrinnet. Nåværende turbofan- motorer har vifter som går på Mach 1,7 og høyere, og krever betydelig inneslutning og støyreduserende strukturer for å redusere skader på bladtap og støy.
Vinge-trinn er designet fra hastighetsdiagrammer. Hastighetsdiagrammet viser den relative hastigheten mellom bladtrinnene og væsken.
Aksialstrømning gjennom kompressoren holdes så nær Mach 1 som mulig for å maksimere skyvekraften når kompressorstørrelsen er tildelt. Det tangentielle Mach-tallet bestemmer i stedet det maksimale trykkhoppet som kan oppnås.
Bladtrinnene får væsken til å rotere med en vinkel β : høyere vinkler tillater høyere temperaturforhold, men krever høyere strukturell styrke .
Moderne skovltrinn har lavere forlengelse og høyere styrke.
Kompressorkartet viser ytelsen og lar deg bestemme de optimale driftsforholdene. Den viser strømningshastigheten på abscissen, vanligvis som en prosentandel av platemassestrømningshastigheten eller i reelle måleenheter. Trykkøkningen angis i ordinat som forholdet mellom stagnasjonstrykket ved innløp og utløp.
En topp- eller stopplinje identifiserer grensen til venstre for hvilken kompressorytelsen raskt forringes og identifiserer det maksimale kompresjonsforholdet som kan oppnås ved en gitt strømningshastighet. Effektivitetsgrensene og driftslinjene for bestemte rotasjonshastigheter er også rapportert. [3]
Driftseffektiviteten er høyest nær stalllinjen. Hvis nedstrømstrykket skulle stige over det maksimale som kompressoren kan levere, ville det stoppe opp og bli ustabilt.
Vanligvis oppstår ustabilitet ved Helmholtz-resonansfrekvensen (av systemet dannet av kompressoren og volumet like etter den.