11.4.2 Нерасчетные режимы многоступенчатых компрессоров

В Теме 9 уже отмечалось, что компрессор имеет очень сложный внешний вид и форму, так как давление внутри него изменяется (возрастает в направлении потока). Если рост давления для ступени или для целого компрессора становится слишком большим по отношению к частоте вращения (или ко всей конструкции), в компрессоре может произойти срыв потока с лопаток, что приведёт к останову компрессора. На рисунках 11.5 и 11.6 показана линия срыва потока с лопаток для двух компрессоров. Срыв потока с лопатки это колебательные движения воздуха, которые обычно достаточно интенсивны; вращающийся срыв - это неравномерное состояние, связанное с уменьшением скорости потока и увеличением давления. И срыв потока с лопаток, и вращающийся срыв компрессора это недопустимые рабочие состояния, которые необходимо избегать, но на практике и в реальных ситуациях это становится трудно достижимо, особенно при учёте того фактора, что общая отношение давлений в компрессоре возрастает. В этом разделе мы попытается объяснить, почему это происходит. Срыв потока с лопатки или помпаж в многоступенчатых компрессорах сложнее чем в одноступенчатом вентиляторе, потому что различные ступени компрессора при осуществлении процесса повышения давления могут работать при различных условиях и состояниях в одно и то же время.

Чтобы лучше понять поведение компрессора обратимся к схеме, изображённой на рисунке 11.9, которая схематично отражает полную и ступенчатую характеристики многоступенчатого компрессора в различных ступенях от первой до последней. Также на рисунке изображена зависимость общей степени повышения давления от безразмерного массового расхода . Здесь принимается, что компрессор состоит из большого числа подобных (или одинаковых) ступеней. Для каждой ступени безразмерное повышение давления аналогично безразмерной функции , где U – окружная скорость лопаток ротора, а V_Х – осевая скорость. На рисунке 11.9 так же показано повышение давления на первой и последней ступенях компрессора. С точки зрения конструкции передняя и задняя ступени одинаково работают в диапазоне отношений так как высота кольца ступени в компрессоре от передней части к задней уменьшается, что в свою очередь компенсируется повышением плотности. Уменьшение величины отношения ведёт к увеличению заторможенного давления, растущего до тех пор, пока поток не начнёт срываться со ступени; дальнейшее продолжение срыва потока приведёт к уменьшению роста давления. Здесь, как и в теме 9, предполагается, что рост давления на ступени пропорционален U ².

Рисунок 11.9. Полная и по ступеням характеристики многоступенчатого компрессора.

На расчётном режиме все ступени работают в диапазоне одной и той же точки, обозначенной на рисунке 11.9, как «a». На графике зависимости степени повышения давления по , рабочая линия проходит через расчётную точку. Эта рабочая линия должна обеспечиваться дросселем на испытательном стенде (или турбиной, в реальном двигателе). Уменьшенная частота вращения, но остающаяся вдоль расчетных точек рабочей линии, ставит компрессор сначала на точку «b», затем в точку «c». Чтобы понять, как происходит этот процесс, необходимо проанализировать график функции от , для передних и задних ступеней. С уменьшением частоты вращения уменьшается доля повышения давления и коэффициент отношения , также при этом наблюдается соответствующее понижение роста плотности в ступени. Из-за того, что реальный рост плотности меньше того, который предполагался при конструировании ступеней, уменьшение объёма потока от передней части к задней становится большим по мере уменьшения скорости. Совокупность этих фактов приводит к увеличению осевой скорости на задних ступенях. Это продемонстрировано для точек «b» и «c». Таким образом, для точки «b» можно заметить, что величина отношения возрастает по сравнению с расчётной точкой «a» (по величине отношения задние ступени сдвигают передние к более низким значениям). К тому времени, когда достигается необходимое значение точки «c», задние ступени виртуально запираются, а величина отношения на передних ступенях падает до точки, на ступени которой происходит срыв потока (при низкой частоте вращения передних ступеней часто происходит явление срыва потока).

Учитывая изменения вдоль линии постоянных скоростей, эффект уменьшения массового расхода связан с точкой «d», принадлежащей линии нормальной работы двигателя (его рабочей линией), изображенной на рисунке 11.9. По сравнению с точкой «a», работа в точке «d» для первой ступени принимает более низкое значение величины отношения ; вследствие этого повышается давления (и как следствие из этого, завышенный рост плотности), по сравнению с величиной заложенной при конструировании. Рост плотности означает, что следующая ступень имеет более низкое значение величины отношения , чем предыдущая ступень, даже при большой величине значения роста плотности. Этот эффект обобщён, то есть, допускается случай, когда при запертой последней ступени, передняя ступень только слегка изменилась (или приработалась). Подобный эффект происходит при уменьшении скорости, когда рассматривается совместная комбинация дросселей и эффект изменения скорости, описанные в разделе выше.

Срыв потока при вращении передних ступеней происходит при малых скоростях, угол срыва потока с лопаток, при этом, увеличивается. Когда расчётная отношение давлений компрессора превышает 6, тогда появляется необходимость установки регулируемых статоров на передние ступени. Даже при наличии нескольких рядов регулируемых статоров несоответствие при низких скоростях становится настолько очевидным и грубым, что отношение давлений, достигающее значения 20, на практике рассматривается крайне редко.

Как отмечалось выше, проблема согласования скоростей возникает из-за склонности задних ступеней к запиранию. Этот процесс может быть облегчён, когда при низких скоростях величина эффективности не достигает своего критического значения, с помощью отвода некоторого количества воздуха от центра компрессора (газогенератора) и выброса его во внешний контур. Если передние ступени работают более эффективно (то есть большему увеличению давления соответствует меньший рост температуры), тогда появляется возможность прохождения большей массы потока воздуха через задние ступени. Все многоступенчатые компрессора авиационных двигателей при работе на низкоскоростных режимах и при запуске используют эффект перепуска.