4.2. Неустойчивая работа (пом паж) компрессора и способы ее предотвращения

Характерной особенностью многоступенчатых осевых компрессоров является то, что с увеличением полного давления компрессора возрастает опасность перехода на неустойчивый режим работы. Воз­никает явление, называемое помпажом. При помпаже работа двигателя сопровождается повторяющи­мися хлопками или гулом низкого тона и повышением температуры газов перед турбиной. Кроме того, помпаж способен вызвать вибрационные повреждения элементов двигателя и привести к его самовыключению.

а '■арася

v

Треугольники скоростей позволяют выяснить физическую сущность возникновения помпажа комп­рессора и применяемых мер борьбы с ним. На рис. 4.4 представлена картина обтекания лопаток на трех режимах работы компрессора.

Если компрессор работает на расчетном режиме, то направление движения воздушного потока на входе в РК примерно параллельно касательной к средней линии профиля на передних кромках лопаток (рис. 4.4, а).

Уменьшение расхода воздуха по сравнению с расчетным (уменьшение осевой составляющей с_а) приводит к увеличению углов атаки на лопатках (рис. 4.4, б). При больших положительных углах атаки, превышающих критический, возникает срыв потока с выпуклой поверхности профилей, сопро­вождаемый образованием вихревых областей. При сильных срывах эти области нарастают и про­никают внутрь компрессора, заполняя его проточную часть. Происходит периодически повторяющаяся «закупорка» проточной части компрессора вихревыми областями. Через эти области воздух из-за компрессора периодически прорывается обратно, в сторону входа. При этом возникают автоколебания потока, приводящие к неустойчивой работе, т. е. к помпажу компрессора.

Увеличение расхода воздуха через ступень (увеличение осевой составляющей с_а скорости воздуха) вызывает уменьшение углов атаки на лопатках (рис. 4.4, в), при этом угол атаки i становится меньше нуля. Поток воздуха ударяется в выпуклую часть лопатки, а на ее вогнутой части воз­никают вихри. Но в связи с тем, что поток воздуха под действием сил инерции прижимается к вогнутым сторонам лопаток, образовавшиеся вихри не могут распространиться по всему колесу и носят местный характер, не нарушая устойчивой работы компрессора.

Неустойчивая работа многоступенчатого осевого компрессора характеризуется тем, что при не­расчетных режимах имеет место рассогласование в работе его первых и последних ступеней. Сущ­ность рассогласования заключается в том, что при отклонении частоты вращения ротора от рас­четного значения нарушается работа крайних ступеней: уменьшение частоты вращения вызывает срыв потока в первых ступенях, а увеличение—в последних. При уменьшении частоты вращения ротора компрессора осевые составляющие скорости на первых ступенях уменьшаются сильнее, чем на последних. Так как окружные скорости на первых и последних ступенях изменяются одинаково, углы атаки на первых ступенях увеличиваются, а в последних уменьшаются. При этом углы атаки на первых ступенях достигают критических значений раньше, чем на последних, что обусловливает срыв потока на первых ступенях. В этом случае явления срыва на последних ступенях отсут­ствуют, однако при очень больших отрицательных углах атаки на последних ступенях может насту­пить так называемый «турбинный» режим, при котором воздух в этих ступенях не сжимается, а расширяется. При таком режиме работы последних ступеней падает КПД и напор компрессора.

При увеличении частоты вращения ротора компрессора по сравнению с расчетным значением осевая составляющая с_а на последних ступенях будет уменьшаться вследствие увеличения плотности воздуха из-за роста степени сжатия. При этом уменьшение скорости происходит таким образом, что углы атаки лопаток на последних ступенях увеличиваются значительно быстрее, чем на первых. Следовательно, в этом случае срывы потока, вызывающие помпаж, будут возникать прежде всего на последних ступенях.

Рассогласование в работе первых и последних ступеней компрессора и условия возникновения в них помпажа имеют место и тогда, когда частота вращения ротора постоянна, а изменяется лишь температура воздуха на входе в компрессор. Так, увеличение температуры воздуха при посто­янной частоте вращения вызывает уменьшение осевой составляющей скорости на ступенях компрессора, вследствие чего увеличиваются углы атаки лопаток. В этом случае на последних ступенях углы атаки увеличиваются быстрее, в результате чего на этих ступенях критические углы атаки дости­гаются раньше, чем на первых.

При достижении критических углов атаки образуются срывные зоны, которые постепенно уве­личиваются в размерах, охватывают все большее число ступеней до тех пор, пока не наступит неустойчивый режим работы всего компрессора.

При неустойчивой работе (помпаже) многоступенчатого компрессора образующиеся срывы потока и вихри, заполняющие проточную часть, вызывают мгновенную закупорку компрессора и снижение давления за ним. Возникает момент, когда давление за компрессором становится меньше давления

в камере сгорания. В результате часть сжатого воздуха выбрасывается на вход в компрессор через соседние зоны срыва. Этот выброс сопровождается хлопками. Воздух снова движется из компрес­сора в камеру сгорания, снова возникают срывы и вихреобразование, т. е. явление повторяется.

Двухкаскадный высоконапорный компрессор двигателей Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП состоит из двух пос­ледовательно работающих ннзконапорных компрессоров. Суммарная степень повышения давления в компрессоре у обоих марок двигателей при работе на взлетном режиме составляет примерно 18, в то время как степень повышения давления в I каскаде близка к 2, а во II — к 9. Таким образом, каждый из каскадов представляет собой низконапорный многоступенчатый компрессор, что позволяет реализовать преимущество низконапорного компрессора. Важным преимуществом двухкаекадного комп­рессора является также возможность изменения частоты вращения ротора I каскада относительно частоты вращения ротора II каскада.

Возможность снижения окружной скорости на передних ступенях компрессора относительно ок­ружной скорости последних ступеней при постоянном расходе воздуха через компрессор является эффективным средством расширения границ беспомпажной работы компрессора. Одновременно с этим на двигателях Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП для предотвращения неустойчивой работы компрессора высокого давления применены управляемые поворотные лопатки ВНА, а также частичный перепуск воздуха в атмосферу из-за V и VI ступеней. Поворот лопаток ВНА осуществляется в зависимости от при­веденной частоты вращения ротора ВД.

При приведенной частоте вращения ротора ВД ниже 8000 ± 150 об/мин лопатки установлены на исходный угол —35°. В этом случае вектор относительной скорости w\ составляет с хордой рабочей лопатки угол атаки при котором обеспечивается плавное обтекание лопатки (рис. 4.5, а).

Увеличение частоты вращения сопровождается ростом осевой составляющей абсолютной и окружной скоростей (показано пунктирными линиями). В связи с тем, что осевая составляющая абсолютной скорости растет быстрее, чем окружная, вектор относительной скорости на входе в РК будет менять свое направление в сторону уменьшения угла атаки на рабочих лопатках. При этом поток будет уда­ряться в спину лопатки, а со стороны корытца будут возникать срывы потока.

Для обеспечения входа воздуха под наивыгоднейшим углом атаки при увеличении частоты вра­щения необходимо, чтобы относительная скорость сохраняла свое прежнее направление. Для этого лопатки ВНА следует повернуть в сторону увеличения установочного угла, что уменьшит предва­рительную закрутку потока. С этой целью на двигателях Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП в диапазоне изменения частоты вращения ротора ВД от 8000 ± 150 до 9900 ± 150 об/мин осуществляется поворот лопаток ВНА в сторону увеличения угла установки от —35° до —5°. Для сохранения параллельности нап­равлений относительной скорости потока и относительной скорости на расчетном режиме необходимо, чтобы угол поворота лопаток был строго согласован с изменением частоты вращения. При частоте вращения ротора ВД выше 9900 ± 150 об/мин лопатки установлены на угол —5° (рис. 4.5, б).

Таким образом, поворот лопаток ВНА позволяет сохранить оптимальный угол атаки на рабочих лопатках при изменении частоты вращения ротора, благодаря чему обеспечивается бессрывное обте­кание рабочих лопаток и тем самым расширяется диапазон устойчивой работы компрессора.

Предотвращение помпажа перепуском воздуха из ступени компрессора можно объяснить с по­мощью рис. 4.6. На этом рисунке штриховой линией изображен треугольник скоростей на входе в рабочее колесо ступени при помпаже. В результате перепуска части воздуха из промежуточной ступени увеличивается расход воздуха, а следовательно, и осевые скорости в первых ступенях. Бла­годаря этому углы атаки лопаток этих ступеней уменьшаются, приближаясь к расчетным, что не только обеспечивает работу первых ступеней без срыва, но и приводит к возрастанию их КПД. Треугольник скоростей при включенном перепуске воздуха на рисунке показан сплошными линиями.

Расход воздуха через ступени за местом перепуска уменьшится, что снижает осевые скорости на этих ступенях и приводит к увеличению углов атаки. В результате последние ступени будут работать тоже в условиях, близких к расчетным.

Перепуск воздуха в атмосферу экономически невыгоден, так как ведет к снижению тяги двига­теля и увеличению удельного расхода топлива на режимах перепуска. Клапаны перепуска остаются открытыми при запуске двигателя до момента достижения частоты вращения, равной 8600 об/мин, при дальнейшем увеличении частоты вращения клапаны закрываются.