6.3. Неустойчивые режимы работы компрессора.
Нерасчетные режимы работы компрессора
Межлопаточные каналы всех ступеней компрессора профилируются исходя из расчетного режима работы, который характеризуется определенной расчетной приведенной частотой вращения ротора (nпр.расч), степенью повышения давления воздуха в каждой ступени (πcт) и в компрессоре в целом (πк) и соответствующим приведенным расходом воздуха через каждую ступень (Gв.пр.расч). При расчетном режиме работы компрессора углы атаки всех лопаток во всех сечениях соответствуют iрасч. Для этого режима работы рассчитываются площади проходных сечений, которым соответствуют вполне определенные скорости потока.
В процессе эксплуатации двигателя компрессор работает на различных режимах и при различных атмосферных условиях, не соответствующих расчетным. При работе компрессора на нерасчетном режиме параметры воздуха (давление, температура, скорость и плотность) в сечениях проточной части по сравнению с расчетными изменяются. Проходные сечения, подобранные для расчетного режима, в этом случае не будут соответствовать новым значениям параметров воздушного потока, что повлечет изменение углов атаки. Возникает рассогласование ступеней компрессора, причем наибольшее рассогласование происходит на первых и последних ступенях.
Рассмотрим причину неустойчивой работы компрессора на примере первой и последней ступеней. На рис.6.12 сплошными линиями показаны треугольники скоростей этих ступеней на расчетном режиме работы компрессора. При изменении частоты вращения ротора компрессора по сравнению с расчетной изменяется степень повышения давления (πк). Изменение πк вызывает изменение соотношения плотностей воздуха перед последней (z-й) и первой ступенями, что видно из выражения:
(6.19)
откуда видим,
что
.
Из уравнения расхода получим
G1=Gк; С1а1F1=СzаzFz=Сzа1к1/kFz .
Если бы изменение режима работы компрессора происходило так, что к оставалось бы неизменным, то рассогласования не происходило бы, т.к. изменение плотности на 1 и последней ступенях соответствовало бы расчетному режиму, на котором определены проходные сечения. Но изменение режима работы (изменение приведенной частоты вращения) обязательно приводит к изменению к. В этом случае для сохранения баланса расходов в проточной части компрессора должно измениться соотношение между осевыми скоростями на 1 и последней ступенях компрессора, а следовательно должны измениться углы атаки.
Рассмотрим, уменьшение частоты вращения, по сравнению с расчетным режимом. Уменьшение частоты вращения приведет к снижению расхода воздуха GB, что вызовет пропорциональное уменьшение осевой скорости на всех ступенях. Снижение к приведет к тому, что скорость на последних ступенях увеличится. Взаимное влияние этих двух факторов вызовет небольшое увеличение осевой скорости на последних ступенях.
Рис. 6.13. Изменение характера обтекания лопаток РК первой и последней ступеней компрессора при увеличении частоты вращения ротора
— треугольник скоростей на расчетном режиме работы (n=nрасч)
---- треугольник скоростей на нерасчетном режиме работы (n<nрасч)
Из треугольников скоростей на рис.6.12 видно, что снижение приведенной частоты вращения вызывает увеличение углов атаки на первых ступенях и уменьшение на последних. При значительном снижении n могут быть достигнуты критические углы атаки, что приведет к появлению отрыва.
При увеличении приведенных оборотов картина изменения углов атаки изменяется на обратную – увеличиваются углы атаки на последних ступенях и уменьшаются на первых.
Рис. 6.14. Изменение характера обтекания лопаток РК первой и последней ступеней компрессора при увеличении частоты вращения ротора
— треугольник скоростей на расчетном режиме работы (n=nрасч)
---- треугольник скоростей на нерасчетном режиме работы (n>nрасч)
Неустойчивые режимы работы компрессора.
Отрыв потока на лопатках компрессора приводит к появлению обратного течения воздуха из компрессора. Этот процесс нестационарен. Возникающее при срыве обратное течение сбрасывает давление в компрессоре, и режим работы восстанавливается, но затем отрыв появляется снова и т.д. Этот режим называется помпажом. Помпаж сопровождается сильной вибрацией с частотой от2 до 15 Гц и большой амплитудой. Помпаж недопустимый режим работы. Различают нижний помпаж, когда срыв происходит при понижении режима и верхний помпаж, когда срыв происходит при повышении режима по сравнению с расчетным.
Ограничения по устойчивой работе компрессора
Необходимость их введения диктуется тем, что запас устойчивости компрессора может, при некоторых условиях, снижаться до недопустимо малых значений.
1. Одной из причин наступления опасных с точки зрения срыва и помпажа режимов работы компрессора является значительное изменение в условиях полета приведенной частоты вращения, связанное с изменением температуры воздуха. Изменение приведенной частоты вращения может быть достаточным для того, чтобы возникла неустойчивая работа компрессора.
2. На характеристики газодинамической устойчивости компрессора отрицательное влияние оказывает уровень неравномерности и нестационарности потока на входе в двигатель. В самолетной компоновке этот уровень определяется конструкцией и условиями работы входного устройства. С ростом числа М полета, углов атаки и скольжения самолета неравномерность потока перед двигателем (особенно при коротких входных каналах) возрастают и могут достигать такого уровня, при котором даже на установившихся режимах работы двигателя запас газодинамической устойчивости компрессора оказывается меньше минимально допустимых значений. Это заставляет вводить ограничения по максимальным перегрузкам самолета (т.е. углам атаки и скольжения) в области больших чисел М полета, а в отдельных случаях ограничивать и максимальную высоту полета самолета значениями, меньшими статического потолка (где углы атаки достигают особенно больших значений).
3. К числу ограничений по устойчивой работе компрессора на некоторых двигателях относится запрещение вывода ТРД на максимальный режим без прогрева. Снижение запаса устойчивости при максимальной частоте вращения двигателя в этом случае объясняется увеличением радиальных зазоров на последних ступенях компрессора (тонкий корпус компрессора нагревается быстрее, чем ротор), а также тем, что поток воздуха, интенсивно отдавая тепло элементам конструкции, сам охлаждается. Снижение температуры воздуха на выходе из компрессора приводит к увеличению плотности и снижению скорости воздуха на последних ступенях. По указанным причинам возможно появление "верхнего срыва" при приведенной частоте вращения менее максимальной, тогда как у прогретого двигателя при этом обеспечивается достаточный запас устойчивости.
==========================================
Л.12
==========================================