Вопрос №17. Характеристика компрессора. Граница устойчивой работы. Помпаж.

В условиях эксплуатации высота, скорость полета и часто­та вращения изменяются в широких пределах, что становится причиной значительного изменения , , и т.д., а в некоторых случа­ях — появления неустойчивости в его работе. Поэтому возникает необходимость в определении указанных параметров и в проверке устойчивости работы компрессора на нерасчетных режимах. При этом для выбора рациональных условий работы компрессора в системе двигателя, для опреде­ления влияния различных условий эксплуатации на основные пара­метры, на устойчивость работы компрессора и т.п. необходимо распола­гать данными о всей совокупности нерасчетных режимов работы компрессора, которые могут встретиться при эксплуатации двигателя. Это относится как к компрессору в целом, так и к его каскадам. В дальнейшем в данной главе под термином компрессор будет подразумеваться однокаскадный компрессор или отдельный каскад.

Зависимости, показывающие, как изменяются основные параметры компрессора (степень повышения давления и КПД ) при изменении частоты вращения n, расхода воздуха и условий на входе в него, называются характеристикой компрессора.

Характеристика компрессора может быть получена либо рас­четным путем, либо экспериментально. Взаимодействие лопаточных венцов и ступеней в многоступенчатом компрессоре на нерасчетных режимах работы носит весьма сложный характер. Поэтому точность расчетных методов определения харак­теристик компрессоров в настоящее время, несмотря на использо­вание ЭВМ, еще не всегда отвечает потребностям практики и наибо­лее надежным способом получения характеристик является опре­деление их в процессе испытания компрессоров на специальных стендах. Простейшая схема подобного стенда показана на рис. 5.1. Компрессор 2 приводится во вращение электродвигателем 5 через мультипликатор 4. Воздух поступает в компрессор через коллектор 1, который имеет специально спрофилированный плавный вход для создания равномерного поля скоростей перед компрессором и ис­пользуется одновременно для определения расхода воздуха путем измерения разности между полным и статическим давлением в коллекторе.

И з ком­прессора воздух поступает в ресивер 3, за которым находится дрос­сельная заслонка 6. имитирующая сопротивление газового тракта двигателя. Надлежащим изменением мощности электродвигателя и положения дроссельной заслонки можно устанавливать на испы­туемом компрессоре режимы с различными значениями частоты вращения п и расхода воздуха . Стенд оснащается измерительной аппаратурой, позволяющей в процессе испытаний определять, поми­мо расхода воздуха и частоты вращения, также значения полных давлений и температур воздуха на входе и выходе — . По этим величинам могут .быть определены значения степени повышения давления и КПД . Более подробные сведения о методах испы­таний компрессоров излагаются в специальной литературе.

П о данным испытаний компрессора на подобном стенде строится его характеристика в виде зависимости степень повышения давления и КПД от расхода воздуха при нескольких значениях частоты вращения n и при имевших место в процессе испытаний значениях и , как показано на рис. 5.2.

Рассмотрим характер изменения по в зависи­мости от положения дросселя на выходе из компрессора сперва при расчетной (для данной ) частоте вращения п = 100% (см. рис. 5.2). Пусть при этой частоте вращения и при неко­тором среднем положении дросселя 6 (см. рис. 5.1) ре­жим работы компрессора соответствует расчетному и отмечен на рис 5.2 точкой р. При прикрытии дросселя расход воздуха (вследствие уменьшения проходного сечения дросселя) падает. Соответственно уменьшается и осевая скорость потока воздуха в ступенях компрессора. Но при неизменной частоте вращения и соответственно неизменной окружной скорости рабочих лопаток это приведет к увеличению углов атаки на лопатках рабочих колес (см. рис. 3.9) и, следовательно, к росту усилий, необходимых для их вращения. В результате работа, затрачиваемая на вращение компрессора и передаваемая проходящему через него воздуху, возрастет, что приведет к росту работы сжатия воздуха, т.е. . Таким образом, прикрытие дросселя приведет к уменьшению и к возрастанию . При дальнейшем прикрытии дросселя это будет продолжаться до тех пор, пока режим компрессора не пере­местится в соответствующий точке г, после чего работа комп­рессора становится неустойчивой (см. ниже). Точка г является границей устойчивой работы компрессора при данной частоте вращения.

Диапазон частот вращения (от 60% до 110% расчетного значения), для которого приведены на рис. 5.2 напорные кривые и линии , охватывает основную часть эксплуатационных режимов компрессора авиационного ГТД. Линия гг, соединяющая здесь точки, соответствующие границе устойчивой работы на каждой напорной кривой,  граница устойчи­вых режимов работы (ГУР) компрессора. Линия зз, соединяющая точки, соответствующие режимам запирания компрессора по выходу при различных п  гра­ница "запирания" компрессора по вы­ходу, а линия вв  линия "запирания" компрессора по в­ходу (при пониженных значениях n запирание по выходу достигается раньше, чем по входу). Линия оо, соединяющая точки на напорных кривых, в которых при каждом значении п до­стигается максимальная величина , носит название линии оптимальных ре­жимов.

Помпажом осевых компрессоров принято называть явления автоколебаний малой частоты (порядка нескольких герц) всей массы рабочего тела в системе компрессор-сеть. Колебания по своей форме могут быть близкими к гармоническим. В режиме помпажа поток рабочего тела в пределах проточной части осевого компрессора может иметь самые различные формы движения, хотя наиболее характерными являются обратные токи [13].

Помпаж как таковой возникает при срыве потока на лопатках компрессора под влиянием больших положительных углов атаки. Например, если при неизменной частоте вращения увеличивать давление в нагнетательном патрубке, то прежде всего в последней ступени компрессора будет снижаться коэффициент расхода. При этом углы атаки на лопатках будут возрастать и в некоторый момент времени в последней ступени произойдет срыв потока и уменьшится напор компрессора.

Уменьшение напора должно восполниться за счет работы прежде всего предпоследней ступени. Но предпоследняя ступень сама уже работает вблизи неустойчивой зоны. Она не может обеспечить двойную нагрузку. Поэтому срыв потока произойдет и предпоследней ступени тоже. Поток воздуха устремится из нагнетательной линии в сторону всасывающей, что приведет к падению давления в нагнетательной камере. В какой-то момент времени давление в нагнетательной линии упадет настолько, что, вращаясь, ступени компрессора будут в состоянии вновь нагнетать воздух и поток вновь изменит направление своего движения. Таким образом, будут возникать колебания воздуха, вихри, различные направления движения воздуха в пределах проточной части компрессора.

Помпажные явления в осевом компрессоре могут охватить компрессор в целом и проявляться в виде периодического изменения давления воздуха на линии нагнетания, температуры воздуха, частоты вращения, а также повышенной вибрации агрегата и шума.

Меры борьбы с помпажом можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся мероприятия, применяемые при проектировании компрессоров с целью увеличения его рабочей зоны (d_к/dG <0). Сюда относятся выбор малых окружных скоростей, увеличение густоты решетки, выбор профилей лопаток с большой относительной толщиной и большим радиусом скругления входной кромки.

Ко второй группе относятся мероприятия, используемые в работающих установках. Сюда относятся регулирование работы компрессора с помощью поворотных лопаток направляющего аппарата, вдувание воздуха в поток рабочего тела через щели в профиле лопаток, перепуск воздуха.

Наименее экономичным, но весьма простым и эффективным способом, получившим широкое распространение на практике, является перепуск воздуха (противопомпажный сброс воздуха).