Kompressor karta

En kompressorkarta är ett diagram som visar prestandan hos en turbomaskinkompressor . Denna typ av kompressor används i gasturbinmotorer , för överladdning av kolvmotorer och för industriella processer, där den är känd som en dynamisk kompressor. En karta skapas från kompressorriggtestresultat eller förutsägs av ett speciellt datorprogram. Alternativt kan kartan över en liknande kompressor skalas på lämpligt sätt. Denna artikel är en översikt över kompressorkartor och deras olika tillämpningar och har även detaljerade förklaringar av kartor för en fläkt och mellan- och högtryckskompressorer från en treaxlad flygmotor som specifika exempel.

Kompressorkartor är en integrerad del av att förutsäga prestanda hos gasturbinmotorer och turboladdade motorer, både under konstruktionsförhållanden och under konstruktionsförhållanden. De tjänar också ett avgörande syfte för att välja rätt kompressorer för industriella processer.

Fläktar och turbiner har också driftkartor, även om de senare skiljer sig markant från kompressorernas utseende.

Kompressor design

En kompressorkarta visar driftområdet för en kompressor och hur väl den fungerar inom dess driftområde. Två grundläggande krav för gasen som strömmar genom en kompressor förklarar varför den fungerar bäst i ett designtillstånd och inte så bra under andra förhållanden, så kallade off-design. För det första måste utloppsytan vara mindre än inloppsytan eftersom den komprimerade gasen har en högre densitet. Utgångsområdet är dimensionerat för att passera den specifika volymen vid designtillståndet. För det andra är alla rotor- och statorblad i en axialkompressor, och impellerinducerare och diffusorvingar i en centrifugalkompressor, vinklade för att möta närmande luft frontalt vid konstruktionsförhållandet för att minimera infallsförluster. Incidensförluster minskar kompressionens effektivitet. Tillfredsställande drift av kompressorn är beroende av att styra vinkeln med vilken gasen närmar sig roterande och stationära blad till ett acceptabelt område. Att avvika från det optimala resulterar först i ökade förluster/minskad verkningsgrad och sedan antingen avstängning eller ljudhastighet/chokning som uppträder i bladpassagerna vid motsatta ändar av en axialkompressor samtidigt. De förekommer även i en centrifugalkompressor vid ingången till pumphjulet och i diffusorn.

Kompressorns designpunkt kommer att vara i ett område med hög effektivitet oavsett om kompressorn är en del av en gasturbinmotor eller om den används för att pumpa luft in i en masugn. Emellertid måste kompressorn ge lämplig prestanda vid andra driftsförhållanden som ställs på den, vilket innebär att en hög verkningsgrad krävs över ett bredare driftsområde. I fallet med en gasturbinmotor måste den tillåta att motorn kan startas lätt och accelereras snabbt till den designade hastigheten, vilket innebär att den körs med lägre hastigheter än designhastigheten. Vid hastigheter och flöden bort från designpunkten är minskningen av kompressorns flödesarea inte lämplig för den faktiska densitetsökningen. En NACA-rapport illustrerar bildmässigt skillnaden i kontraktion som krävs vid konstruktionsförhållandena och vid låg hastighet. Vid lägre hastigheter, till exempel, har gasen inte komprimerats tillräckligt för att lämna kompressorn utan att negativt påverka bladens anfallsvinklar genom kompressorn. Bort från designpunkten fortsätter mellanstegen på en axialkompressor att arbeta med ungefär den optimala anfallsvinkeln men de främre stegen avviker åt ena hållet, mot stall, och de bakre stegen i motsatt riktning mot choken. Avvikelsen var acceptabel upp till ett designtryckförhållande på cirka 5:1, vilket endast gav en förlust i effektivitet. Vid högre konstruktionstryckförhållanden krävdes förhindrande av roterande stall, vilket inträffar vid låga korrigerade hastigheter, och choking med införandet av inloppsledskovlar som delvis stängdes vid låga hastigheter, eller genom att avlägsna luft halvvägs längs kompressorn vid låga hastigheter. Rader av variabla statorer eller delade kompressorer, som gjorde det möjligt för de främre stegen att öka hastigheten och de bakre att sakta ner i förhållande till varandra, skulle också införas av samma anledning. När tryckförhållandena nådde cirka 12:1 skulle kompressorer inkorporera mer än en av dessa egenskaper tillsammans.

Fixar för roterande stall

Tidiga exempel på olika lösningar för att lindra roterande stall i de främre stegen inkluderar Rolls-Royce Avon med variabla inloppsledskovlar och mellanstegsbleed, General Electric J79 med variabla inloppsledskovlar och variabla statorer, Bristol Olympus med delad kompressor och Pratt & Whitney J57 med delad kompressor och interkompressoravluftning. Kompressoravtappning fram till denna punkt hade bara varit nödvändig för att starta och accelerera bortom låga korrigerade hastigheter där dess förlust till dragkraftsproduktion, från dumpning överbord, inte var viktig.

En vidareutveckling var permanent kompressoravluftning som leds tillbaka in i motorn där den bidrog till dragkraften. Rolls -Royce Conway hade en delad kompressor med interkompressoravluftning till jetpipen. En delad kompressor med detta bypass-arrangemang tillät det högsta tryckförhållandet för någon Rolls-Royce-motor vid den tiden, utan behov av variabla inloppsledskovlar eller mellanstegsavluftning. Det var mer känt som ett arrangemang för bättre framdrivningseffektivitet, en bypass-motor. Pratt & Whitney J58 använde interstage overboard bleed för att starta och accelerera genom låga korrigerade hastigheter, men eftersom den återgick till dessa hastigheter vid höga mach-tal öppnades avtappningen igen men denna gång dirigerades den till jetpipen där den kylde efterbrännaren och munstycket. Denna kylning bidrog indirekt till dragkraften för att tillåta mer bränsle att förbrännas i efterbrännaren. Ett liknande arrangemang, men med en delad kompressor med interkompressoravtappning till jetpipen, blev senare känt som en "läckande" turbojet, en bypassmotor med bara tillräckligt med bypass för att kyla efterbrännaren och munstycket.

Kompressor karta

Kompressorer pumpar gas för en mängd olika applikationer som var och en har sitt eget flödesmotstånd som kompressorn måste möta för att hålla gasen flytande. En karta visar pumpegenskaperna för hela området av flöden och tryckkrav för dess tillämpning. Kartan kan framställas genom att driva kompressorn med en elektrisk motor med flödesmotståndet vald artificiellt med hjälp av en strypventil med variabel area. Kompressorn kan också kartläggas om den ingår i en gasgenerator med en ventil vid turbinutgången. Campbell visar en General Electric J79 -kompressor kartlagd på detta sätt.

Dimensionell analys

Kompressorns prestanda förändras, dag till dag, med förändringar i omgivande tryck och temperatur. Woolenweber visar förändringen i prestanda hos en turbokompressor när inloppstemperaturen varierar mellan 70 och 100 grader F. När det gäller flygplanskompressorer ändras även inloppstrycket och temperaturen med höjd och lufthastighet. Presentationen av olika prestanda för varje kombination av inloppstemperatur och tryck skulle vara ohanterlig men det är möjligt att kollapsa det hela på en enda karta, som är tillämplig på ett brett spektrum av inloppsförhållanden, med hjälp av dimensionsanalys . I dimensionsanalys grupperas individuella storheter som rotorhastighet, massflöde och leveranstryck med andra relevanta storheter på ett sådant sätt att grupperna inte har några dimensioner men ändå har en fysisk betydelse. Till exempel rotorhastighet $N$ , inloppstemperatur $T$ , kompressordiameter $D$ och gasegenskaper $\gamma$ och $R$ grupperas tillsammans som dimensionslösa $ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}$ vilket motsvarar bladets machnummer.

Parametergrupper som används som bas för kompressorkartor för gasturbinmotorer är totaltrycksförhållande (P _utgång /P _inlopp ), $w{\sqrt {\gamma \ R\ T}} /{AP}$ , $ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}$ och effektivitet. ${\displaystyle ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}},$ till exempel, förenklas nedan samtidigt som det fortfarande är representativt för machnummer. Kartor för andra applikationer använder tryckhöjd eller utloppstryck och volymflöde.

För en viss kompressor och gas förenklas flödes- och hastighetsgrupperna genom att ta bort termerna som är konstanta för en viss kompressor och applikation, nämligen kompressordimensioner och gasegenskaper D {\displaystyle D} , ${$ \ $A}$ , ${ \displaystyle R}$ och γ . De kallas pseudo-icke-dimensionella parametrar $w{\sqrt {T}}/{P}$ och $N/{\sqrt {T}}$ .

Ett sista steg är att ge de pseudo-icke-dimensionella parametrarna standardenheter för massflöde och hastighet och mer igenkännbara numeriska värden genom att tillämpa korrigeringsfaktorer för tryck och temperaturförhållande, som också härleds som en del av dimensionsanalysen.

De korrigerade parametrarna är $w{\sqrt {\theta }}/{\delta }$ och $N/{\sqrt {\theta }}$ . De har samma enheter som de ursprungliga observerade värdena och är korrigerade till överenskomna standardvillkor, International Standard Atmosphere at sea level (ISA SL). Alternativt kan de visas i förhållande till designvärdet där designvärdet anges som antingen 100 % eller 1,0.

Bränslet som förbränns i en gasturbinmotor sätter kompressorns löplinje och måste också användas i "icke-dimensionell" form för att visa dess effekt på motorns funktion. Det används som ett förhållande med förbränningstrycket när det visas på en kompressorkarta. Korrigerat bränsleflöde visas som $w$ _fuel $=$$w/{\sqrt {\theta }}{\delta }$ . Även om både luft och bränsle är vätskeflöden är deras icke-dimensionella parametrar olika, $w{\sqrt {\theta }}/{\delta }$ och $w/{ \sqrt {\theta }}{\delta }$ , eftersom icke-dimensionellt luftflöde är en form av flytande Mach-tal medan bränsle är flödet av en inkompressibel energikälla. Luftflödets dimensioner är M/t och bränsleflödet är ML2 ^/ t3 ^, där M, L och t är massa, längd och tid.

Bränsleflödet visas också på en kompressorkarta, men i form av dess effekt, dvs turbinens inloppstemperatur. Denna effekt visas, återigen icke-dimensionellt, som förhållandet mellan turbinens inloppstemperatur och kompressorns inloppstemperatur, och känd som motortemperaturförhållande. Grandcoing visar de konstanta temperaturlinjerna som korsas när en helikopterkompressor går från tomgång till full last med ökande bränsleflöde.

Korrigera observerade eller uppmätta värden till standarddagförhållanden

Från likheten mellan flödesparametrarna på två olika dagar $(w{\sqrt {T}}/{P})$ _{dag 1} $=$${ \displaystyle (w{\sqrt {T}}/{P})}$ _{dag 2} , uppmätta värden på en dag kan korrigeras till de som skulle mätas på en standarddag så,

$w$ _corr $=$$=w{\sqrt {T/519}}/(P/14.7)$ där $w,T,P$ är uppmätta värden och 519 degR och 14.7lb/sq in är standarddagtemperaturen och -trycket.

Temperatur- och tryckkorrigeringsfaktorerna är $\theta$ och $\delta$ , så $w$ _corr $=$$w{\sqrt {\ theta }}/{\delta }$

För hastighet är det korrigerade värdet $N$ _corr $=$$N/{\sqrt {\theta }}$

Exempel : En motor går på 100 % varvtal och 107 lb luft kommer in i kompressorn varje sekund, och dagförhållandena är 14,5 psia och 30 grader F (490 grader R).

På en standarddag skulle luftflödet vara $=107{\sqrt {490/519}}/(14,5/14,7)$ vilket är 105,2 lb/sek. Hastigheten skulle vara $=100/{\sqrt {490/519}}$ vilket är 103 %. Dessa korrigerade värden är vad som skulle visas på kompressorkartan för just denna motor.

MIG-25 Spraymast för vatten/metanol förkompressorkylning synlig i portintaget

Detta exempel visar att en kompressor går aerodynamiskt snabbare på en "kall" dag och skulle vara långsammare på en "varm" dag. Eftersom "dag"-förhållandena är de vid ingången till kompressorn produceras en extremt "varm" dag på konstgjord väg av temperaturhöjningen vid höga Mach-tal. Det aerodynamiska varvtalet är tillräckligt lågt, trots att motorn går på sin 100 % nominella mekaniska hastighet, för att komma in i det roterande stallområdet på kartan så en motor som körs med dessa Mach-tal behöver lämpliga funktioner. General Electric J93 hade variabla inloppsledskovlar och statorer. Pratt & Whitney J58 hade mellanstegsavluftning från kompressorn och 2-läges inloppsledskovlar. Tumansky R-15 hade förkompressorkylning för att minska lufttemperaturen och undvika låga korrigerade hastigheter.

Kinematisk likhet

Grunden för att använda korrigerade parametrar på kartan är mach nummer kinematisk likhet . Korrigerat flöde och hastighet definierar mach-tal genom kompressorn och flödesvinklar till bladen med hjälp av hastighetstrianglar . Hastighetstrianglar gör att flöden kan överföras mellan olika referensramar. I detta fall omvandlas gashastighet och bladhastighet i omkretsled i en stationär ram till hastighet i en roterande ram (rotor) passage. Förluster i blad- och skovelrader beror främst på infallsvinklar och mach-nummer. En speciell arbetspunkt på kartan bestämmer mach-tal och flödesvinklar överallt i kompressorn.

Flyg med höga Mach-tal

Ett historiskt exempel, Pratt & Whitney J58 , illustrerar betydelsen av att använda korrigerade värden. Roterande stopp inträffar vid låga korrigerade varvtal, vilket inträffar vid start och även över tomgång. Det kan lindras genom att öppna en avluftningsventil för att öka luftflödet. Vid mycket höga flyghastigheter kommer kompressorn att återgå till detta lågkorrigerade hastighetsområde så samma arbetspunkt inträffar vid låg rotationshastighet på marken och maximal rotationshastighet vid mach 3 på hög höjd. Avstängningen, låg effektivitet, bladvibrationen och felet som plågade låga korrigerade hastigheter på marken har återvänt vid 100 % rotorrpm vid mach 3. Samma arbetspunkt på kartan har samma axiella och perifera mach-nummer, samma hastighetstrianglar, samma verkningsgrad trots att den faktiska rotorhastigheten och kompressorns inloppstemperatur var 4750 RPM/60degF på marken och 7.000RPM/över 600 degF vid Mach 3. Samma korrigerade driftspunkt krävde samma lösning för att förhindra stopp och öka effektiviteten vilket var att tömma luft från det 4:e kompressorsteget.

Verksamhetsgränser

Kompressorn har arbetsgränser vid flödesextrema för en viss hastighet som orsakas av olika fenomen. Brantheten hos högflödesdelen av en linje med konstant hastighet beror på effekterna av kompressibilitet. Positionen för den andra änden av linjen är belägen genom blad- eller passageflödesseparation. Det finns en väldefinierad, lågflödesgräns markerad på kartan som en stall- eller svalllinje, vid vilken bladstopp uppstår på grund av positiv infallsseparation. Inte markerad som sådan på kartor för turboladdare och gasturbinmotorer är en mer gradvis närmade högflödesgräns vid vilken passager stryps när gashastigheten når ljudhastigheten. Denna gräns identifieras för industrikompressorer som överbelastning, choke, ljud eller stenvägg. Närmaren till denna flödesgräns indikeras av att hastighetslinjerna blir mer vertikala. Andra områden på kartan är regioner där fluktuerande bladstopp kan interagera med bladstrukturer som leder till fel, dvs roterande stall som orsakar metallutmattning .

Exempel på prestandakarta för centrifugalkompressorer.

Driftintervall för olika applikationer

Olika applikationer rör sig över sin karta längs olika vägar. En exempelkarta utan operationslinjer visas som en bildreferens med stopp-/svalllinjen till vänster och de brantande hastighetslinjerna mot choke och överbelastning till höger.

Kartor har liknande egenskaper och generell form eftersom de alla gäller för maskiner med snurrande skovlar som använder liknande principer för att pumpa en komprimerbar vätska. Alla maskiner har inte stationära skovlar (centrifugalkompressorer kan ha antingen skovel- eller skovellösa diffusorer). Men en kompressor som fungerar som en del av en gasturbin eller turboladdad motor beter sig annorlunda än en industrikompressor eftersom dess flödes- och tryckegenskaper måste matcha egenskaperna hos dess drivturbin och andra motorkomponenter, såsom kraftturbin eller jetmunstycke för en gasturbin, och, för en turboladdare, motorns luftflöde som beror på motorns hastighet och laddningstryck. En koppling mellan en gasturbinkompressor och dess motor kan visas med linjer med konstant motortemperaturförhållande, dvs effekten av bränslepåfyllning/ökad turbintemperatur som höjer löplinjen när temperaturförhållandet ökar.

En manifestation av olika beteende visas i choke-området på höger sida av en karta. Det är ett tillstånd utan belastning i en gasturbin, turboladdare eller industriell axialkompressor men överbelastning i en industriell centrifugalkompressor. Hiereth et al. visar en turboladdarkompressor med full last, eller maximal bränslepåfyllning, kurva löper upp nära överspänningslinjen. En gasturbinkompressor fulllastledning går också nära överspänningsledningen. Industrikompressorns överbelastning är en kapacitetsgräns och kräver höga effektnivåer för att klara de höga flödeshastigheter som krävs. Överskottseffekt finns tillgänglig för att oavsiktligt ta kompressorn bortom överbelastningsgränsen till ett farligt tillstånd under kalla dagar om den drivs av en gasturbin.

Gasturbinkompressorn

Kompressorn måste köras med samma hastighet (eller fast utväxling) som dess drivturbin och ha samma effekt och passera samma flöde som dess drivturbin. Detta utgör en gasgenerator som producerar gaskraft. Kompressorn måste också passera samma flöde som vad som än använder gaskraften, dvs ytterligare turbinsteg för en enaxlad motor eller separata kraftturbiner eller ett jetmunstycke. Detta krav på lika flöde står vid sidan av ett krav på lika tryckförhållande, mellan totala kompressions- och expansionsförhållanden, och tillsammans positionerar de löplinjen för stabil drift.

Enaxlade motorer som driver en elektrisk generator eller helikopterrotor/flygplanspropeller körs med kompressorn utan belastning medan de accelererar till arbetshastighet. No-load hänvisar till ett minimum av bränslepåfyllning som krävs för att driva generatorn utan elektrisk belastning eller rotor/propeller-lutning vid ett minimum och inträffar nära choken. Cohen et al. visa att elektriska generatorer går upp till önskad hastighet utan belastning. En ökning av elektrisk belastning erhålls genom att öka bränsleflödet. Barkey et al. ge en detaljerad beskrivning av händelseförloppet som bringar generatorturbinen till designhastighet, eller nätfrekvens, utan belastning innan bränslet ökar när belastningen startar. Grandcoing visar Turbomeca Artouste- helikoptermotorns konstanta hastighet från tomgång utan belastning till maximal effekt. Obelastning är minsta rotorstigning och tomgångsbränsleflöde. Ökningen av bränsleflödet visas på en kompressorkarta som linjer för konstant motortemperaturförhållande, turbinens inloppstemperatur/kompressorns inloppstemperatur. Grandcoing visar också effekten av en snabb belastningsökning där hastigheten sjunker innan den återställer sin önskade inställning.

Jetmotor med ett munstycke med fast yta

Flygplansmotorer med ett fast avgasmunstycke har en enda drift- eller löpledning i stationärt tillstånd som är fixerad av bränsleflödet från tomgång till maximal hastighet. Variabla skovelvinklar och flödesområden (avluftningsventiler) i kompressorn ändrar inte löplinjen vid en viss driftpunkt eftersom vinklarna och ventillägena är unika för en korrigerad hastighet, det vill säga de styrs enligt ett schema mot korrigerad hastighet . Över- eller undertankning jämfört med bränsleflödet som krävs för körning med konstant hastighet flyttar linjen uppåt eller nedåt medan motorn ändrar varvtal till ett nytt krav.

Jetmotor med justerbart munstycke

Campbell visar effekten av olika munstycksområden på steady-state löplinjen. Automatisk kontroll av området inaktiverades för denna undersökning. Under drift är området öppet på tomgång och stängs successivt när motorn accelererar enligt schemaläggningen. Ett justerbart munstycke läggs inte till för just detta ändamål, men om en efterbrännare är monterad kan den användas för att minska tomgångskraften och påskynda accelerationstiderna upp till dragkraften där efterbrännaren sätts i drift. Den idealiska fläktdriftslinjen på en förstärkt turbofläkt ställer in fläkttryckförhållandet så högt som möjligt för att optimera fläktens prestanda och dragkraft samtidigt som adekvat fläktstoppsmarginal bibehålls. Fläktens manöverlinje styrs genom att variera munstycksarean som fungerar som en strypventil. Strypningen är en kombination av termisk från det brinnande bränslet och geometrisk från det justerbara munstycksområdet.

Områden där oacceptabelt beteende kan förekomma

Låghastighetsturbinering i bakre steg sker med överdriven negativ incidens som leder till ett tryckförhållande som är mindre än ett och att kompressorsteget absorberar kraft från luftflödet. Två exempel där korsning av överspänningslinjen förhindrade acceleration till hög hastighet inträffade med de första designerna av Rolls-Royce Avon och IAE V2500 och krävde stora omkonstruktioner av kompressorn. Roterande stopp vid låga korrigerade hastigheter orsakade bladfel på tidiga axialkompressorer.

Turboladdare för diesel- och bensinmotorer

Kompressorns flöde och tryckintervall visas med en mattplot av motorns konstanta varvtal och konstant vridmoment linjer överlagrade på kartan. OpenCourseWare-materialet visar en mattdiagram över motorhastighet och belastning för luftflödeskraven för 4-takts lastbilsmotorer. Shahed visar linjer med konstant motorvarvtal och motorns BMEP för en kraftig dieselmotor. Woollenweber visar krav på motorns luftflöde vid olika motorvarvtal och belastning/bränsle/vridmoment. Hiereth et al. visa driftlinjer för olika applikationer som en fullast driftlinje för en personbilsmotor, effekten av en okontrollerad turboladdare på en lastbilsdieselmotor och wastegate-kontroll på passagerardiesel- och bensinmotorer och effekten av höjd på en kompressor i drift linje.

Kompressorer inom olje- och gasindustrin

Processkraven kan ändras vilket gör att kompressorförhållandena varierar. Kompressorn kan drivas av en maskin med variabel hastighet eller konstant hastighet. Om den drivs av en elektrisk motor med konstant hastighet kan den styras med variabla inloppsledskovlar eller sug- och utloppsstrypning. Welch visar effekten av variabel skovelvinkel på flödet för en centrifugalkompressor.

Karta för en flygmotor högtryckskompressor

Typisk högtryckskompressorkarta

Flödesaxel

X-axeln är vanligtvis någon funktion av kompressorns ingångsmassflöde, vanligtvis korrigerat flöde eller icke-dimensionellt flöde, i motsats till verkligt flöde. Denna axel kan betraktas som ett grovt mått på det axiella Mach-talet för flödet genom anordningen.

Tryckförhållandeaxel

Normalt är y-axeln tryckförhållandet (P _utgång /P _inlopp ), där P är stagnationstryck (eller totalt tryckhöjd).

ΔT/T (eller liknande), där T är stagnationstemperatur (eller total tryckhöjd) används också.

Överspänningslinje

Den något böjda diagonala linjen på huvuddelen av kartan är känd som svalllinjen (eller stopplinjen). Ovanför denna linje finns ett område med instabilt flöde, vilket är ett område som bäst undviks.

En kompressorstöt eller kompressorstopp orsakar en abrupt omkastning av luftflödet i kompressorn. Kompressorbladen skapar en pumpande verkan genom att fungera som bärytor . I en svallvåg eller ett stall upplever bladen ett aerodynamiskt stall (liknande en flygplansvinge som stannar) och blir oförmögna att hålla tillbaka det högre trycket nedströms, vilket resulterar i en våldsam flödesomkastning. Lågan som normalt är instängd i förbränningskammaren kan komma ut ur motorinloppet såväl som avgasmunstycket.

Överspänningsmarginal

Som namnet antyder ger överspänningsmarginalen ett mått på hur nära en operationspunkt är att stiga. Tyvärr finns det ett antal olika definitioner av överspänningsmarginal. En populär som används definieras enligt följande:

$SM=100\%\cdot {\frac {{\dot {m_{w}}}-{\dot {m_{s}} }}{\dot {m_{w}}}}$

var:

${\dot {m_{w}}}$ är massflödet vid arbetspunkten, vare sig det är stationärt eller transient

${\dot {m_{s}}}$ är massflödet vid våg, med samma korrigerade hastighet som ${\dot {m_{w}}}$

Hastighetslinjer

De lätt böjda, nästan vertikala, linjerna på huvuddelen av kartan är de (konstant roterande) korrigerade hastighetslinjerna. De är ett mått på rotorbladsspetsens Mach-nummer .

Notera på bilden att hastighetslinjerna inte är linjärt fördelade med flödet. Detta beror på att just den här kompressorn är försedd med variabla statorer , som öppnas progressivt när hastigheten ökar, vilket orsakar en överdriven ökning av flödet i området med medelhög till hög hastighet. Vid låg hastighet är de variabla statorerna låsta, vilket orsakar ett mer linjärt förhållande mellan hastighet och flöde.

Observera också att bortom 100 % flöde sluter hastighetslinjerna snabbt på grund av kvävning. Utöver choken genererar varje ytterligare ökning av hastigheten ingen ytterligare ökning av luftflödet.

Effektivitetsaxel

En sub-plot visar variationen av isentropisk (dvs adiabatisk ) effektivitet med flöde, vid konstant hastighet. Vissa kartor använder polytropisk effektivitet. Alternativt, i illustrativt syfte, är effektivitetskonturer ibland korsplottade på huvudkartan.

Observera att platsen för toppeffektivitet uppvisar en liten kink i sin uppåtgående trend. Detta beror på att kompressorn stryps när hastigheten ökar, med de variabla statorerna avstängda. Trendlinjen återupptas när variablerna börjar öppnas.

Arbetslinje

På kartan visas också en typisk stationär arbetslinje (eller drift/körning). Detta är en plats för motorns arbetspunkter, eftersom den är strypt.

Eftersom det är en anordning med högt tryckförhållande är arbetslinjen relativt ytlig. Om enheten inte hade någon variabel geometri skulle det uppstå hanteringsproblem, eftersom överspänningslinjen skulle vara mycket brant och korsa arbetslinjen vid delflöde.

Under en slam-acceleration från en inställning på mitten av gasen kommer kompressorns arbetslinje att röra sig snabbt mot överspänning och sedan sakta närma sig stationär driftpunkt, längre upp på kartan. Den omvända effekten uppstår under en slam-retardation. Dessa effekter orsakas av spolens tröga respons (dvs tröghetseffekter) på snabba förändringar i motorns bränsleflöde. Kompressorstöt är ett särskilt problem under smällaccelerationer och kan övervinnas genom lämpliga justeringar av bränsleschemat och/eller användning av avblåsning (avluftning av kompressorn, för hanteringsändamål).

I det speciella exemplet som visas skulle en smällacceleration från tomgång på marken orsaka en högtryckskompressorstöt. Att öppna avblåsningen skulle hjälpa, men vissa ändringar av det variabla statorschemat kan också krävas.

Eftersom en högtryckskompressor "ser" högtrycksturbinens strypta flödeskapacitet, påverkas kompressorns arbetslinje knappast av flygförhållandena. Lutningen på arbetslinjen närmar sig ett konstant korrigerat utloppsflöde.

Karta för en enstegs aero-motor fläkt

En fläkt med lågt tryckförhållande (som den som används på en turbofläkt med högt bypassförhållande ) har en rad arbetslinjer. Vid höga flyghastigheter ökar kolvtrycksförhållandet det kalla munstyckets tryckförhållande, vilket får munstycket att choka. Ovanför kvävningsförhållandena tenderar arbetslinjerna att smälta samman till en unik brant rak linje. När munstycket lossnar börjar arbetslinjen att bli mer krökt, vilket återspeglar munstyckets krökning. Med fallande flight Mach-tal minskar tryckförhållandet för kallmunstycket. Detta har till en början ingen effekt på arbetslinjens position, förutom den krökta (okokade) svansen som blir längre. Så småningom kommer det kalla munstycket att lossna vid lägre Mach-tal, även vid full gas. Arbetslinjerna kommer nu att bli krökta och gradvis migrera mot uppsving när antalet Mach-flygningar minskar. Arbetslinjen med lägsta överspänningsmarginal uppstår vid statiska förhållanden.

På grund av arten av de inblandade begränsningarna är fläktarbetslinjerna för en blandad turbofläkt något brantare än de för motsvarande oblandade motor.

En fläkt kan ha två kartor, en för bypass (dvs. yttre) sektionen och en för den inre sektionen som vanligtvis har längre, plattare hastighetslinjer.

Militära turbofläktar tenderar att ha ett mycket högre designfläkttryckförhållande än civila motorer. Följaktligen stryps det slutliga (blandade) munstycket vid alla flyghastigheter, över större delen av gasreglaget. Men vid låga gasinställningar kommer munstycket att lossna, vilket gör att den nedre änden av arbetslinjerna får en kort krökt stjärt, särskilt vid låga flyghastigheter.

Turbofläktar med ultrahögt bypass-förhållande har dock ett mycket lågt designfläkttryckförhållande (t.ex. 1,2 på bypass-sektionen). Följaktligen, även vid kryssningshastigheter, kan det kalla (eller blandade slutliga) framdrivningsmunstycket endast strypas vid höga gasinställningar. Fläktarbetslinjerna blir mer böjda och migrerar snabbt mot svallvågor när antalet Mach-flygningar minskar. Som ett resultat av detta kan den statiska arbetslinjen vara väl i svallvåg, särskilt vid låga gasinställningar.

En lösning är att ha ett kallt (eller blandat) munstycke med variabel yta. Genom att öka munstycksarean vid låga flyghastigheter kommer fläktens arbetslinje bort från överspänning.

En alternativ lösning är att montera en fläkt med variabel stigning. Att schemalägga fläktbladens stigning har ingen inverkan på positionen för fläktarbetslinjerna, men kan användas för att flytta överspänningslinjen uppåt, för att förbättra fläktens överspänningsmarginal.

Karta för en aero-motor IP-kompressor

Vissa turbofläktar har en mellantryckskompressor (IP) placerad mellan fläkten och högtryckskompressorn (HP) för att öka det totala tryckförhållandet. Amerikanska civila motorer tenderar att montera IP-kompressorn på LP-axeln, direkt bakom fläkten, medan Rolls-Royce normalt monterar IP-kompressorn på en separat (dvs IP) axel, som drivs av en IP-turbin. Hur som helst kan matchningsproblem uppstå.

IP-kompressorns utloppskorrigerade flöde måste matcha det ingångskorrigerade flödet för HP-kompressorn, som minskar när motorn stryps tillbaka. Vid en viss IP-kompressors arbetslinjelutning förblir det korrigerade flödet för IP-kompressorns utlopp konstant. Men genom att använda en grundare arbetslinje, gör det extra IP-kompressortryckförhållandet vid ett givet IP-kompressoringångskorrigerat flöde det korrigerade IP-kompressorns utloppskorrigerade flödet att minska och matcha det fallande HP-kompressoringångskorrigerade flödet. Tyvärr kan detta leda till en dålig överspänningsmarginal för IP-kompressorn vid delflöde.

IPC-arbetslinje, med avblåsningsventil stängd i hela gasspjällsområdet

Överspänningsmarginalen kan förbättras genom att lägga till variabla statorer till IP-kompressorn och/eller lägga till en avblåsningsventil mellan IP- och HP-kompressorerna. Den förra gör IP-kompressorns överspänningsledning grundare, svänger den bort från den grunda arbetsledningen, vilket förbättrar IP-kompressorns överspänningsmarginal.

Vid ett givet IP-kompressortryckförhållande tvingar öppning av avblåsningsventilen det IP-kompressoringångskorrigerade flödet att öka, till en punkt där IP-kompressorns överspänningsmarginal tenderar att vara bättre. Genom att öppna avblåsningsventilen sänks IP-kompressorns arbetsledning effektivt. Eventuellt flödesöverskott till det som krävs av HP-kompressorn passerar genom avblåsningsventilen in i bypass-kanalen. Avblåsningsventilen öppnas normalt endast vid strypt förhållanden, eftersom den slösar energi.

IPC-arbetslinje, med avblåsningsventil öppen vid medelhöga flödesförhållanden

Motsvarande HPC-arbetslinje, med eller utan avblåsning

Källor

•   Kurzke, Joachim; Halliwell, Ian (11 juni 2018). Framdrivning och kraft: en utforskning av gasturbinprestandamodellering . ISBN 9783319759777 .

externa länkar

• Speed-Wiz Turbocharger Kompressor Kartberäkning
• SoftInWay Inc. Prestanda- och effektivitetskartor för centrifugalkompressor
• Ctrend centrifugalkompressorkarta förutsägelse och prestandaanalys i off-design skick