Основные понятия.
Осевой компрессор, как видно из конструктивной схемы (см. рис. 12.4), комбинируется из нескольких ступеней давления. Каждая ступень состоит из вращающегося венца рабочих и неподвижного венца направляющих лопастей, представляющих собой круговые плоские лопастные решётки (рис. 13.26). Рабочие лопасти закреплены на дисках или барабане ротора, направляющие – жёстко лопастями и без них. Последняя ступень всегда выполняется с выходными направляющими лопастями, назначение которых в этом случае состоит в раскручивании потока и уменьшении выходных потерь энергии. посажены в корпусе компрессора.
Первая ступень компрессора может выполняться с входными направляющими
Рис. 13.26. Ступень осевого компрессора.
Выделение элементарной ступени
Рис. 13.27. Решётка лопасти ступени осевого компрессора:
t – шаг рабочих лопастей; t’ – шаг направляющих лопаток;
b – хорда профиля; B – ширина решётки; βу – угол установки
профиля; δ – максимальная толщина профиля; 1 – рабочие
лопасти; 2 – направляющие лопасти
Выделим, как указано на рис. 13.26 и 13.27, ступень малой радиальной протяжённости ∆r, называемую элементарной ступенью. В пределах длины элементарной ступени параллелограммы скорости неизменны.
Радиус элементарной ступени r = const, и энергия, передаваемая газу рабочими лопастями осевого компрессора, при u1 = u2 = u определяется формулой
, (13.42)
Используя уравнение неразрывности и геометрические соотношения между элементами параллелограммов скоростей, получаем
. (13.43)
Приближённо, полагая ρ1 ≈ ρ2, получаем
. (13.44)
Если полагать, что процесс в рабочем колесе протекает без потерь, то энергия, подводимая к газу, определяемая по (13.43) или (13.44), повышает его энергию и определяется разностью энтальпий заторможенного потока 
.
Следовательно,
. (13.45)
КПД элементарной ступени. Уравнение энергии потока
, (13.46)
где lр.к + lн.а = lст - потери энергии ступени, слагающиеся из потерь энергии в рабочих каналах и направляющих аппаратах.
Последнее уравнение приводится к виду
.
Действительная энергия, которую приобретает поток газа в компрессорной ступени,
. (13.47)
Аэродинамическое совершенство ступени принято оценивать отношением l / lТ, называемым внутренним КПД (отмечается индексом i):
. (13.48)
Если процесс ступени протекает политропно, то действительная удельная работа вычисляется по известному соотношению
,
и в этом случае внутренний КПД ступени, вычисляемый по (13.48), называют внутренним политропным КПД ηin.
Ранее было указано, что оценка совершенства компрессоров с неинтенсивным охлаждением производится при помощи изоэнтропного КПД. Поэтому для ступеней осевых компрессоров удобно применять внутренний изоэнтропный КПД, значение которого можно вычислить по (13.48), полагая процесс, описываемый числителем этой формулы, изоэнтропным. Преобразования равенства (13.48) в этом случае приводят к следующим формулам для вычисления ηia по параметрам торможения:
; (13.49)
. (13.50)
Значения ηia и ηin ступени осевого компрессора отличаются не более чем на 0,5 %, и поэтому использование ηia практически вполне допустимо.
Для ступеней современных стационарных осевых воздушных компрессоров степень повышения давления ε = 1,1 – 1,3. При этих условиях
.
Степень реактивности ступени.Ступени осевых компрессоров принято харак-теризовать, аналогично колёсам центробежных насосов, степенью реактивности ρ. Используем формулу
.
Преобразование этого равенства с учётом соотношений 
, 
, следующих из параллелограммов скоростей, приводит к простейшему типу выражения для степени реактивности
. (13.51)
Ступени осевых компрессоров выполняются с ρ = 0,5 – 1,0. Рассмотрим особенности решёток ступени со степенями реактивности 0,5 и 1,0.
Ступень с ρ = 0,5. Из (13.51) следует: c1u = u – c2u; c2u = u – c1u. Параллелограммы скоростей, удовлетворяющие этим условиям, показаны на рис. 13.28, из которого очевидны соотношения
; 
;
,
Решётка рабочих лопастей увеличивает закрутку потока: c2u > c1u, следовательно,
и 
. Отсюда следует 
.
Последнее неравенство показывает, что межлопастные каналы рабочего колеса ступени с ρ = 0,5 являются диффузорами. В них происходит уменьшение относительной скорости и превращение кинетической энергии относительного движения в потенциальную энергию.
Рис. 13.28. Параллелограммы скоростей ступени, ρ = 0,5
Степень реактивности ρ = 0,5 обуславливает такое соотношение между элементами планов скоростей и такие формы межлопастных каналов, при которых потери энергии в ступени оказываются малыми. Этим объясняется широкое применение ступеней с ρ = 0,5 в стационарных осевых компрессорах.
Ступень с ρ = 1. Из уравнения (13.51) для этого случая имеем c1u = - c2u; параллелограммы скоростей даны на рис. 13.29.
Рис. 13.29. Параллелограммы скоростей ступени, ρ = 1,0
Геометрически очевидны соотношения
;
,
из которых следует ; 
.
Поэтому увеличение энергии давления (сжатие) в рабочем колесе ступени без учёта потерь составляет
.
Из параллелограмма скоростей (рис. 13.29) при условии c1u = - c2u следует c1 = c2.
В ступенях с ρ = 1,0 (100 % - ная реактивность) энергия получается в ступени только в потенциальной форме (давление). Сжатие происходит в межлопастных каналах рабочего колеса.
Направляющие лопаточные венцы, расположенные между рабочими лопастными решётками, в этом случае не меняют значения абсолютной скорости, но изменяют лишь её направление соответственно требуемым углам α1 и α2.
Ступень с осевым входом и выходом. Рассмотрим случай, когда газ подводится к ступени и отводится от неё в следующую ступень в осевом направлении: c1u = c2u = 0 (рис. 13.30).
Рис. 13.30. Параллелограммы скоростей ступени, ρ = 0,75
Пусть c2u = 0,5 u. Степень реактивности такой ступени по (13.51)
= 0,75.
Очевидно, , и следовательно, в межлопастных каналах рабочего колеса происходит повышение давления как результат уменьшения кинетической энергии относительного движения.
Без учёта потерь энергии прирост энергии давления, Дж / кг,
.
Направляющий аппарат ступени с ρ = 0,75 обладает свойствами диффузора, потому что в нём происходит понижение скорости абсолютного движения от c2 до
с3 = с1. Результатом этого является повышение давления, эквивалентное уменьшению кинетической энергии абсолютного движения.
Ступени такого типа находят широкое применение в стационарном компрессоростроении.