5.3. Характеристики ступени осевого компрессора

Характеристики одноступенчатого компрессора обычно изображаются в тех же координатах и имеют в общем такой же вид, как и рассмотренные выше характеристики многоступенчатых компрессоров. Но для анализа условий работы ступени в многоступенчатом компрессоре их часто изображают в виде зависимости коэффициента адиабатного напора и КПД ступени от коэффициента рас­хода при постоянных значениях , как показано для примера на рисунке.

Параметр является критериальным, так как согласно треугольнику скоростей:

(5.4)

и, следовательно, при и угол будет оставаться постоянным, а если при этом также постоянна, то и , т.е. режим работы ступени будет подобным. При этом будут неизменными не только и , но и значение коэффициента адиабатного (изоэнтропического) напора .

Таким образом, на рис. 5.5 эта характеристика ступени изображена в критериальных параметрах и не зависит (при данном ) от условий на входе в неё. При изменении эта характеристика изменяется. Так, например, при увеличении из за роста чисел Маха, с которыми обтекаются решетки профилей, значения и при изменении изменяются более резко, а при достижении режима "запирания" на ней появляется вертикальный участок. Но в целом при таком изображении характеристика ступени гораздо меньше зависит от , чем это было бы при её изображении в координатах, аналогичных обычно применяющихся при представлении характеристик компрессоров. Это следует из того, что при (т.е. при пропорциональной ) и , как следует из формул

и ,

и вместе с ней , будут примерено пропорциональны квадрату окружной скорости, поскольку угол слабо зависит от . А тогда при также будет изменяться мало.

При пониженных числах Маха их влияние на течение воздуха в ступени становится пренебрежимо малым и тогда характеристика ступени в координатах, изображенных на рис. 5.5, вообще перестает зависеть от окружной скорости.

Для анализа и объяснения протекания характеристик ступени рассмотрим зависимость от при неизменном значении (зависимость от будет аналогичной). При этом для простоты будем полагать вход воздуха в ступень осевым и .

На рис. 5.6 изображены треугольники скоростей для рабочего колеса такой ступени на некотором его радиусе при трех различных значениях осевой ско­рости. Здесь через обозначено значение , при котором угол атаки i на лопатках рабочего колеса (на данном радиусе) равен нулю. Как видно из этого рисунка, изменение осевой скорости непосредственно ска­зывается на величине угла атаки i и на величине закрутки воздуха в колесе . Увеличение при­водит к увеличению , т.е. к уменьшению угла атаки. Направление вектора скорости за колесом при этом изменяется мало, т.е. . В результате при увеличении закрутка воздуха в колесе уменьшается. Уменьшение осевой скорости, наоборот, ве­дет к увеличению как i, так и . Из треугольника скоростей ступени (см. лекцию № 1) видно, что при осевом входе и, следовательно, согласно формуле (3.2)

. (5.5)

Таким образом, поскольку , работа, затрачиваемая на вращение каждого элемента РК и, следовательно, ступени в целом, будет практически линейно уменьшаться с ростом , как показано на рис. 5.7, а. Аналогичный результат получается и при .

Согласно уравнению Бернулли для ступени

.

Пренебрегая здесь величиной по сравнению с и учитывая, что

,

будем иметь

. (4.6)

Следовательно, кривая пройдет на характеристике ступени рис. 5.7, а ниже линии на величину потерь . Как известно, потери в решетке профилей РК равны , где коэффициент существенно зависит от угла атаки (см. рис. 3.10). Минимальное значение достигается про угле атаки, близком к нулю, т.е. при (см. рис. 5.6). При значительном уменьшении потери растут (несмотря на уменьшение ) вследствие резкого роста . При потери растут как вследствие роста , так и в результате увеличения . Аналогично изменяются и потери в решетке профилей НА. Соответствующий характер изменения по для ступени в целом показан на рис. 5.7, а штриховой линией. Значение соответствует достижению критического угла атаки, превышение которого приводит к срывному режиму течения в ступени (см. ниже).

Если ординаты кривой на рис. 5.7, а вычесть из ординат линии , то согласно (4.6) получится кривая , а частное от деления на даст значения . Соответствующие кривые также изображены на рис. 5.7. Проанализируем их.

При уменьшении по сравнению с потери растут сначала медленно, а возрастает заметно. Поэтому максимум КПД ступени достигается при некотором значении , меньшем, чем , а максимум напора (максимум ) располагается еще левее. Рабочий диапазон значений ограничен здесь слева значением , а справа  значением , при котором из-за падения и одновременного возрастания гидравли­ческих потерь адиабатический напор, а вместе с ним и КПД ступени обра­щаются в нуль.

Рассмотрим далее влияние типа ступени на её характеристики. Можно показать, что чем выше коэффициент нагрузки ступени , тем слабее падает c ростом . У центробежной ступени с радиальными лопатками коэффициент нагрузки, как указывалось в лекции № 5, близок к единице, угол близок к 90^о и поэтому . Но тогда согласно формуле (2.30) при осевом входе и при практически не зависит от , как показано на рис.5.7, б. В этом случае максимумы и будут достигаться при одном и том же значении .