книги из ГПНТБ / Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

прессор, количественная оценка которого значительно удобнее, чем

•сопротивления сети. Поэтому последнее обычно заменяется произ­ водительностью компрессора.

Из изложенного следует, что режим компрессора, имеющего

нии проточной части, потому что они взаимно определяют друг

зависимых параметров вместо весового расхода может служить: относительная плотность тока qa , число М„, скорость са на

входе в компрессор, коэффициент расхода са или объемный расход воздуха в сечении а-а, поскольку Va = F aca.

Число о'боротов компрессора может быть заменено окружной скоростью вращения колеса на внешнем (или любом другом) ра­

диусе.

Если в процессе эксплуатации геометрия компрессора претерпе­ вает изменение, т. е. какие-либо из его элементов регулируются, то число независимых параметров соответственно возрастает. Так, на­ пример, если осуществляется связанное регулирование углов уста­ новки одного ши нескольких рядов неподвижных лопаток, то число аргументов, определяющих режим компрессора, увеличивается до пяти. При раздельном регулировании двух рядов или двух групп ря­ дов лопаток режим работы компрессора будет определяться уже шестью независимыми параметрами. Дополнительный независимый

2 1 0

параметр появляется также при введении перепуска части сжатого воздуха после одного из промежуточных элементов компрессора на вход в него или в атмосферу, при впрыске охлаждающей жидкости в проточную часть и т. п.

§ 67. ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

Всесторонняя оценка свойств компрессора и обоснованный вы­ вод о его пригодности к эксплуатации возможны только при усло­ вии, если будет известно, как сказывается на рабочем процессе и особенно на выходных данных компрессора изменение режима его работы (т. е. условий эксплуатации). Для этого необходимо знать

характеристики компрессора.

В широком смысле слова под характеристиками компрессора по­ нимаются зависимости самых различных показателей его рабочего процесса от независимых параметров, определяющих его режим. Однако для оценки эксплуатационных качеств компрессора необхо­ димо прежде всего знать его степень сжатия и экономичность. По­ этому обычно .при построении характеристик ограничиваются уста­ новлением зависимостей только степени сжатая и к. п. д. компрес­ сора от режима работы, под которыми и понимаются характери­ стики в узком смысле слова.

Важными эксплуатационными параметрами компрессора яв­ ляются также его эффективная (или внутренняя) работа и потреб­ ляемая мощность. Однако, если на различных режимах компрессора известны степень сжатия и к. п. д., то эффективная работа и мощ­ ность определяются простым расчетом и в связи с этим обычно на характеристиках не приводятся.

Если в качестве независимых параметров, определяющих ре­ жим компрессора, принять ра*, Та*, л и С?, то характеристики можно аналитически представить в виде следующих уравнений:

e , * = f ( p a \ ту*, «, G ) ,

"С,- = / ( Р * . та*> га, G).

Вместо степени сжатия на характеристиках могут фигурировать адиабатическая .работа, давление на выходе ив компрессора и т. д.' К. п. д. обычно приводится или эффективный, или адиабатический. В соответствии со оказанным выше параметры, используемые в ка­ честве аргументов для построения характеристик, также могут быть различными.

В зависимости от принятых условий построения характеристики компрессора делятся на нормальные и универсальные, или характе­ ристики в параметрах подобия. ..

§68. ПОНЯТИЕ О НОРМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ

Норм альным и характ ерист икам и ком прессора называют ся

быть заменены и другими, однозначно с ними связанными вели­ чинами. Главным отличительным признаком нормальных харак­ теристик является то обстоятельство, что они строятся приме­ нительно к определенным параметрам состояния воздуха (дав­ лению р а* и температуре 7^*) на входе в компрессор и теряют силу при других значениях этих величин. Как следует из опре­

щих степень сжатия и к.п .д . компрессора, исключить. Величина этого давления при данном объемном расходе воздуха Va ока­ зывает влияние на течение воздуха в компрессоре лишь в связи с изменением чисел Рейнольдса в проточной части. Однако, как известно, роль последних существенна только в области малых их значений. Поэтому согласно опытным данным при больших Re и одновременном постоянстве Va, п и Та* изменение давле­ ния р а* приводит к практически пропорциональному изменению

изменения гидравлических потерь) и температуры воздуха в

Это допустимо тогда, когда числа Рейнольдса в компрессоре составляют не менее примерно (2 ~ 3) 105.

2 1 2

ресуются некоторыми частными параметрами рабочего процесса компрессора, независящими непосредственно от этого давления, а именно: отношениями давлений, температурами, скоростями, объемными расходами воздуха, к. п. д., числами М, адиабати­ ческой и внутренней работой и некоторыми другими. В общем же случае такое исключение недопустимо, потому что удель­ ные веса, абсолютные давления, весовой расход воздуха, мощ­ ность компрессора и другие параметры прямо связаны с давле­ нием ра* на входе в компрессор.

Ввиду большой сложности и недостаточной изученности процессов, протекающих в компрессоре на нерасчетных режи­ мах, разработанные в настоящее время различные теоретиче­ ские методы построения характеристик [24, 57] не отличаются большой достоверностью и не всегда обеспечивают удовлетво­ рительное совпадение расчетных данных с опытными. Поэтому характеристики компрессора обычно получают путем проведе­ ния его испытаний на специально оборудованных 'установках (испытательных стендах).

§ 69. ОСНОВЫ ИСПЫТАНИЙ КОМПРЕССОРА

Устройство установок для снятия характеристик осевых и центро­ бежных компрессоров в значительной мере определяется потребной мощностью.

Испытания малогабаритных центробежных и осевых компрессо­ ров, а также их отдельных ступеней, потребляющих мощности, !не превышающие нескольких сот лошадиных сил, обычно проводятся на установках типа изображенной на рис. 1D4. Привод компрессора во вращение осуществляется, как правило, электромотором Через повышающий редуктор. Иногда для этой цели используется газовая турбина, которая соединяется с компрессором непосредственно. Для изменения сопротивления присоединенной к компрессору сети (а, следовательно, и расхода воздуха) в ней устанавливается поворот­ ная дроссельная заслонка или какое-либо другое устройство, позво­ ляющее изменять площадь проходного сечения выходного трубопро­ вода. Число оборотов компрессора регулируется путем надлежа­ щего изменения мощности источника энергии. Для измерения раз­ личных величин, необходимых для построения характеристик ком­ прессора, установка оборудуется соответствующей измерительной аппаратурой.

213

Испытания компрессоров ГТД, потребляющих при обычных ус­ ловиях громадные мощности, проводятся на так называемых ва­ куумных установках, обеспечивающих создание пониженного дав­ ления на входе в компрессор. Благодаря этому уменьшается весо­ вой расход воздуха через компрессор и соответственно снижается его мощность, а число оборотов и объемный расход, от которых в ос­ новном зависят условия обтекания лопаток, выдерживаются такими же, как и при нормальном давлении.

Рис. 104. Схема установки дли испытания центробежного компрессора:

1 — испытуемый компрессор; 2 — электродвигатель; 3 — дроссельная за­ слонка; 4 — редуктор; 5 — мерное сопло; б — замер расхода воздуха; 7 — замер

Вакуумные установки бывают открытого и закрытого типа. В ус­ тановках открытого типа снижение давления на входе достигается за счет простого дросселирования воздуха перед его поступлением в компрессор. Схема одной из вакуумных установок закрытого типа представлена на рис. 105. Здесь воздух по выходе из испытуемого компрессора проходит через дросселирующее устройство, служащее в основном для регулирования расхода, и затем поступает в тепло­ обменник. После частичного охлаждения в теплообменнике воздух подводится к воздушной турбине, где от него в результате расшире­ ния отнимается основная часть внешней энергии, подведенной ком­ прессором. Из турбины воздух снова попадает в компрессор, и цикл повторяется. Мощность, необходимая для вращения компрессора, частично обеспечивается внешней силовой установкой (электромо­ тором или пазовой турбиной), а частично — воздушной турбиной. Перед запуском установки часть воздуха из ее внутренней полости откачивается вакуум-насосом, благодаря чему в системе создается определенное разрежение и в процессе работы давление на входе в компрессор устанавливается ниже атмосферного. В случае необ­ ходимости давление ниже атмосферного может поддерживаться во

2 1 4

воем воздушном тракте, а не только перед компрессором. Это обес­ печивает значительное снижение мощности компрессора, хотя и тре­ бует хорошей герметизации установки. Регулирование расхода воз­ духа через компрессор осуществляется дросселирующим устрой­ ством. При этом на каждом положении дросселя в системе устанав­ ливается такой расход, при котором повышение давления в компрес­ соре равно суммарному понижению давления на дросселе, в тепло­ обменнике и в воздушной турбине. Число оборотов компрессора ре­ гулируется путем изменения мощности внешней силовой установки.

Одним из важных достоинств рассматриваемой установки яв­ ляется возможность изменения в широких пределах температуры на

Рис. 105. Схема вакуумной установки закрытого типа:

входе в компрессор (за счет соответствующего изменения расхода охлаждающей жидкости через теплообменник), что позволяет ими­ тировать скоростные и высотные условия его работы. В процессе ис­ пытаний эта температура может постоянно поддерживаться на од­ ном и том же уровне независимо от режима работы компрессора.

Следует отметить, что вакуумная установка замкнутого типа мо­ жет осуществляться и без воздушной турбины. Однако постановка последней целесообразна потому, что при этом уменьшается потреб­ ная мощность внешнего источника энергии и, кроме того, снижается перепад давления в дросселирующем устройстве, вследствие чего уменьшаются размеры теплообменника и расход охлаждающей жид­ кости.

При снятии характеристик компрессора на установке любого типа приходится на каждом режиме измерять расход воздуха, число оборотов и величины, необходимые для определения степени сжа­ тия и к. п. д. компрессора.

2 1 5

Если компрессор имеет сравнительно небольшую производитель­ ность, то измерение расхода воздуха производится с помощью мер­ ных сошел или мерных шайб, устанавливаемых на прямолинейных участках всасывающего или нагнетающего трубопроводов, где по­ ток достаточно равномерен. При испытаниях крупных компрессоров для определения расхода воздуха используются специальные на­ садки, измеряющие местные скорости потока в нескольких точках по сечению. Эти насадки устанавливаются в так называемом мерном коллекторе, предшествующем компрессору и представляющем собой цилиндрическую трубу достаточной длины с плавным входом. Число оборотов компрессора измеряется или специальными электрически­ ми тахометрами с повышенной точностью, или суммарными счетчи­ ками. Большая точность измерения числа оборотов требуется в свя­ зи с тем, что его изменение на 1 % сопровождается изменением эф­ фективной работы компрессора примерно на 2%, мощности — на 3 % и производительности — на 1 %.

Измерение полных или статических давлений на входе и выходе из компрессора производится с помощью U-образных жидкостных

прессора основан на измерении полных температур потока на входе

ивыходе из компрессора, по которым вычисляется внутренняя ра­ бота L lK. Температура воздуха измеряется ртутными термометрами или термопарами, причем в целях полного торможения потока они окружаются специальными экранами (трубками с отверстиями). Рассматриваемый способ нахождения к. п. д. отличается исключи­ тельной простотой, но вместе с тем и не очень большой точностью, ввиду наличия отвода некоторого количества тепла от компрессора

иизмерительных приборов в окружающую среду.

К- п. д. компрессора можно определить также путем замера кру­ тящего момента на его валу и последующего подсчета потребляе­ мой им мощности. Для этой цели может быть использовано, напри­ мер, закрепление компрессора или источника энергии на балансир­ ном станке. Такой способ нахождения к. п. д. обеспечивает повышен­ ную точность по сравнению с предыдущим, но из-за большей слож­ ности применяется реже.

В процессе снятия характеристик компрессор заставляют сначала работать на каком-либо одном числе оборотов и, по­ степенно изменяя расход воздуха с помощью дросселирования на выходе (или на входе), производят все необходимые изме­ рения. Таким образом устанавливают зависимость степени сжа­ тия и к. п. д. от расхода при неизменном числе оборотов. Затем переводят компрессор на другое число оборотов и повторяют описанные операции. В результате получают серии кривых из­ менения е* и ifadK по расходу воздуха при разных числах обо­

ротов, которые и представляют собой нормальные характери­ стики компрессора.

2 1 6

§ 70. НОРМАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Типичные нормальные характеристики многоступенчатого осевого компрессора изображены на рис. 106. Как видно, левые ветви кривых изменения степени сжатия ек* и адиабатического к. п. д. 7fadK по весовому расходу G обрываются, не достигая оси

ординат. Это связано с тем, что компрессор работает нормально только в области достаточно больших расходов, а при умень*

Рис. 106. Нормальные характеристики осевого компрессора

шении G ниже определенной величины, зависящей от числа оборотов, его рабочий процесс становится неуст ойчивым. На малых расходах в компрессоре образуются развитые срывные зоны и зачастую возникают интенсивные продольные колебания воздушного столба, которые получили в литературе наимено* вание п ом п аж а. При этом в каждом сечении проточной части давление, скорость и другие параметры воздуха непрерывно изменяются во времени, т. е. поток приобретает отчетливо вы­

217

раженный пульсирующий характер. К. п.д. компрессора при помпаже резко падает.

Расход воздуха, при котором нарушается устойчивость рабочего процесса компрессора, тем меньше, чем ниже я. Линия, соединяю­ щая точки начала неустойчивой работы на разных числах оборотов, называется границей устойчивых реокимов, или, не вполне строго, границей помпажа (штрих-пунктирная кривая на рис. 106). Вправо от ^той лиишз располагается область устойчивой работы компрес­

G

Рис. 107. Построение линий равных к. п. д.

сора, влево— неустойчивой. У выполненных осевых компрессоров неустойчивая работа на расчетном числе оборотов (при расчетных условиях на входе) наступает при расходе воздуха, составляющем 75—90% от его расчетного значения.

Эксплуатация компрессора в области неустойчивых режимов, особенно при наличии помпажа, недопустима. Сильные вибрации, всегда наблюдающиеся при помпаже, связаны с опасностью поло­ мок лопаток компрессора и других его деталей. Даже сравнительно непродолжительная работа компрессора в области помпажа может привести к самовыключению камеры сгорания ГТД и в результате к его остановке. Поэтому экспериментальное снятие характеристик компрессора обычно производится только до границы устойчивых режимов.

218

к. п. д. Это обстоятельство дает возможность нанести на нижней половине рис. 106 линии равных к.п. д. и тем самым избежать необходимости в отдельном построении зависимости v\ldK от

Рис. 108. Нормальные характеристики осевого компрессора с линиями равных к. п. д.

расхода и числа оборотов. Для построения какой-либо из ука­ занных линий необходимо, как это показано на рис. 107, пере­ сечь кривые к. п. д. горизонтальной прямой, соответствующей принятому значению yfadK, снести точки пересечения на напор­

ные характеристики и затем соединить их плавной кривой. Такое изображение характеристик компрессора весьма удобно и получило большое распространение. Примером могут служить характеристики многоступенчатого компрессора, представленные на рис. 108.

В протекании нормальных характеристик различных многосту­ пенчатых осевых компрессоров имеется ряд общих закономерностей.

219