Неустойчивые режимы работы компрессоров

Неустойчивые режимы работы компрессоров.

Решетки профилей ОК рассчитываются и проектируются таким образом, чтобы на расчетном режиме угол атаки был близок к оптимальному, что обеспечивает минимальные потери в решетках и максимальный КПД компрессора. В условиях эксплуатации чаще компрессор работает на нерасчетных режимах и угол набегания потока на лопатки может сильно отличаться от расчетного.

Например, при увеличении осевой составляющей на входе в РК угол атаки i^I уменьшается и может стать отрицательным, что вызывает отрыв потока с вогнутой стороны профиля. Такой отрыв локализуется в месте возникновения, т.к. под действием центробежных сил поток прижимается к вогнутой поверхности лопатки. При уменьшении осевой составляющей скорости на входе в РК угол атаки i^II увеличивается и отрыв потока произойдет с выпуклой стороны профиля (со спинки РЛ). Такой срыв потока может распространиться на соседние лопатки, а при определенных условиях и на другие ступени ОК и может вызвать его неустойчивую работу - вращающийся срыв или помпаж. Аналогичное изменение углов атаки будет наблюдаться при изменении скоростей на входе в направляющий аппарат. Для анализа условий, при которых проявляется такая работа компрессора, рассмотрим уравнение равенства расходов воздуха на входе в первую (1) и последнюю (z)ступени ОК

При уменьшении частоты вращения степень повышения давления, пропорциональная отношению ρ_z /ρ_1, уменьшается, поэтому отношение осевых скоростей С_а1 / С _аZ тоже уменьшится. Но при уменьшении частоты вращения ротора расход воздуха через двигатель и осевые скорости во всех ступенях компрессора снижаются, поэтому уменьшение отношения С_а1 / С _аZ означает, что осевые скорости в первых ступенях уменьшаются сильнее, чем в последних ступенях. А так как окружные скорости в первых и в последних ступенях изменяются одинаково, углы атаки в первых ступенях увеличиваются, а в последних ступенях уменьшаются и достигают критических значений раньше на первых ступенях, что является причиной срыва потока и неустойчивой работы ОК и «запирания»решеток на последних ступенях.

При этом скачкообразно снижаются расход воздуха и напор, часть сжатого воздуха выбрасывается на вход в компрессор через соседние зоны срыва. Этот выброс сопровождается хлопком.

При другой форме неустойчивой работы - помпаже наблюдается самовозбуждающиеся низкочастотные колебания давления и расхода воздуха во всем газовоздушном тракте ОК. после скачкообразного падения напора и расхода воздуха происходит восстановление первоначальных значений через десятые доли секунды, а затем процесс повторяется вновь. работа двигателя сопровождается сериями хлопков или гулом низкого тона и повышением температуры газов перед турбиной. Это может привести к разрушению элементов компрессора, прогару лопаток турбины или срыву пламени в КС (самовыключению двигателя).

Для обеспечения устойчивой работы ОК применяют регулирование.

Один из способов - перепуск воздуха из средних ступеней ОК. При этом расход воздуха через первые ступени увеличивается (возрастает величина осевой скорости) и углы атаки снижаются, приближаясь к расчетным. Перепуск осуществляется на пониженных частотах вращения с помощью клапанов или лент перепуска.

Более совершенным является регулирование ОК поворотом лопаток НА, которые меняют направление абсолютной скорости на входе в РК в зависимости от окружной скорости и обеспечивают требуемые углы атаки перед рабочими лопатками. Достоинством этого метода является возможность одновременно регулировать течение воздуха в первых и последних ступенях.

Широкое применение получили двухвальные (трехвальные) двигатели. В таком двигателе на пониженной приведенной частоте вращения (например за счет увеличения М полета и Тн^*) углы атаки на первых ступенях (в КНД) увеличены и КНД как бы «затяжеляется». Мощность ТНД становится недостаточной для поддержания заданной частоты вращения РНД. Частота вращения КНД снижается (снижается окружная скорость) и направление потока на входе в РК первых ступней будет приближаться к расчетному.

На последних ступенях КВД при пониженной n_пр наоборот, углы атаки снижаются, КВД как бы облегчается и при неизменной мощности ТВД, частота вращения КВД будет увеличиваться, что приведет к некоторому увеличению углов атаки на последних ступенях, т.е. приблизит их к расчетному значению.

В основе работы осевого компрессора (О.К.) лежит принцип Бернулли, "чем больше скорость потока, тем меньше давление внутри этого потока", и наоборот, чем меньше скорость потока, тем больше давление внутри этого потока.

Как видно из рисунка 1, лопатки (Р.К.) и (Н.А.) расположены таким образом и имеют такую конфигурацию, что межлопаточное пространство является расширяющимся каналом по ходу движения воздуха, т.е. на выходе из (Р.К.) и (Н.А.) воздух теряет скорость и тем самым сжимается. Степень сжатия за каждой ступенью относительно не велика, порядка 1,1-1,2. Но суммарное сжатие за последней ступенью компрессора является уже величиной значительной, порядка 10-20кг/см².

В осевом компрессоре воздух последовательно сжимается несколькими ступенями сжатия. Количество их определяется параметрами проектируемого двигателя, и может колебаться от трёх и выше, вплоть до 15-18.

Каждая ступень состоит из рабочего колеса (Р.К.) и направляющего аппарата (Н.А.).

рис.1

Лопатки (Н.А.) предназначены для расчётного направления потока воздуха на лопатки (Р.К.) таким образом, чтобы на этих лопатках не возникал срыв потока воздуха, т.е., чтобы обтекание было ламинарным (см. рис. 2.лопатка 3) где U- скорость потока воздуха, определяемая расходом, W-линейная скорость сечения пера лопатки, V-результирующая скорость потока воздуха, попадающего на лопатку рабочего колеса. Угол атаки потока воздуха имеет небольшой диапазон, внутри которого лопатка обтекается ламинарным потоком. Величина этого угла атаки зависит от многих факторов: от частоты вращения ротора компрессора, от расхода воздуха, проходящего через компрессор и определяющего осевую скорость воздушного потока, от давления воздуха и его температуры. При большом расходе воздуха, и низкой частоте вращения, угол атаки настолько мал, что на корытце рабочей лопатки возникает срыв потока воздуха (см. рис 2, лопатка 4). Турбулентный поток не пропускает весь расход воздуха через ступень, в результате чего компрессор "запирается" (см. рис 2. лопатка 4).

рис.2

При небольшом расходе воздуха и значительной частоте вращения, результирующая скорость воздуха попадает на перо лопатки под большим углом атаки. В результате организуется срыв потока на спинке пера лопатки. Компрессор тоже "запирается". В результате такого "запирания", возникает явление, которое получило название помпаж. Компрессор не может пропустить через последние ступени расход воздуха, который он пропустил через первые ступени, а поступление его продолжается. Так как осевой компрессор является фактически трубой, без каких-либо перегородок, то при нерасчётных режимах работы компрессора, сжатый воздух начинает движение из зоны повышенного давления в зону пониженного, т.е. обратно на вход. Происходит хлопок.

Дальше происходит следующее, т.к. в результате хлопка компрессор "освободился" от нерасчётного давления, а вращение компрессора продолжается, то он накачивает очередную порцию воздуха, которую также не может через себя пропустить, происходит повторный хлопок. Частота хлопков различна (от1 до5 Гц и выше). При этом, внутри самолёта ощущаются удары кувалды по фюзеляжу. И если срочно не принять мер (не изменить режим работы двигателя), то он может и развалиться.

Далее я расскажу о конструктивных мероприятиях, позволяющих избегать помпажа и при этом существенно увеличить рабочий диапазон частот вращения двигателя, необходимый для эксплуатации самолёта.