ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ АКАДЕМИЯ

имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина

кафедра АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (№ 34)

(полное наименование кафедры)

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры № 34

полковник М. Немичев

« » 2010 г.

дисциплина:

ТЕОРИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

(полное наименование дисциплины)

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ Эксплуатация самолетов, вертолетов и авиационных двигателей.

КАФЕДРАЛЬНЫЙ ТЕКСТ ЛЕКЦИИ

РАЗДЕЛ 1. Параметры и характеристики элементов

авиационных силовых установок

Лекция № 11

Характеристики компрессоров и их регулирование

Обсуждено на заседании ПМК

«____»_______________2010г.

протокол № ___

г. Москва

УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

1. Изучить условия возникновения и формы проявления срывных и неустойчивых режимов работы МОК.

2. Усвоить понятия рабочих режимов (рабочей точки, рабочей линии) и запасов устойчивой работы.

Время: 2 часа

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Тема №5. Характеристики компрессоров и их регулирование.
6	Срывные и неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров	55 мин.
7	Рабочие режимы и запас устойчивости компрессора в системе ГТД	35 мин.

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

ЛИТЕРАТУРА:

1. Теория авиационных двигателей. Часть 1. Под ред. Ю.Н. Нечаева. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2006., стр. 145-153.

5.6. Срывные и неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров

Рассмотрим более подробно процесс нарушения устойчивой работы компрессора. При значениях > 0,8 ... 0,85, как указы­валось, срыв потока, возникший в каком-либо одном из лопаточных венцов компрессора, быстро распространяется на все ступени и при­водит к самопроизвольному скачкообразному падению расхода воз­духа и степени повышения давления, как показано на рис. 5.17 (кривая ). На рис. 5.18 показана типичная осциллограмма такого процесса потери устойчивости. Здесь линия 1 представляет собой запись изменения давления воздуха непосредственно за компрессором, линия 2 — давление на входе в первую ступень, а линия 3 — перепад давлений в мерном входном коллекторе (см. рис. 5.1), служащем для измерения рас­хода воздуха, т.е. . На осциллограмме линией 4 записано также изменение проходной площади дросселя, установленного за комп­рессором.

Как видно из рис. 5.18, при уменьшении площади сечения дрос­селя до момента, отмеченного на осциллограмме линией А  А, р_к, р_в и р_вх испытывают только высокочастотные колебания малой амплитуды. По мере прикрытия дросселя расход воздуха через компрессор уменьшается и в момент А возникает срыв потока. При этом р_к и расход воздуха резко падают, а р_в (статическое давление на входе в компрессор), наоборот, возрастает из-за резкого уменьшения расхода и выброса сюда части сжатого воздуха через зоны срыва. Этот выброс внешне сопровождается обычно сильным звуковым эффектом (“хлопком”).

Процесс падения р_к протекает очень быстро (в данном случае он занимает около 0,1 с) и завершается формированием вращаю­щегося срыва, наличие которого проявляется на рис. 5.18 в виде периодических пульсаций р_к и р_в сравнительно высокой частоты (обычно от нескольких десятков до сотен герц). Первоначальный выброс воздуха на вход в компрессор сопровождается кратковре­менными колебаниями расхода, которые длятся в данном случае всего около 0,15 с и затем исчезают. Средние значения р_к и р_в, на которые наложены пульсации, вызванные вращающимся срывом, также не испытыва­ют при этом заметных колебаний. Таким образом, в данном случае после перехода на срывную ветвь характеристики компрессор работает далее устойчиво, но с существенно пониженными значениями степени повышения давления, расхода воздуха и КПД.

Аналогичный характер может иметь процесс нарушения устой­чивости и при пониженных значениях приведенной частоты враще­ния с той лишь разницей, что в области устойчивых режимов ра­боты на осциллограмме могут наблюдаться пульсации давления, вызванные наличием вращающегося срыва в первых ступенях ком­прессора. Кроме того, необходимо иметь в виду, что по мере сни­жения “хлопок” становится все более слабым.

В эксплуатации такой процесс потери устойчивости часто ха­рактеризуется термином “срыв в компрессоре” или “помпажный срыв” (его не следует отождествлять со срывом потока в отдель­ных лопаточных венцах). В результате падения тяга двигателя резко снижается (практически до нуля). При этом, как и для ступеней с короткими лопатками, в характеристике компрессора наблюдается гистерезис, и для вывода компрессора из срывного режима необходимо сделать сопротивление сети значительно меньшим, чем оно было в момент возникновения срыва.

В эксплуатации может наблюдаться и другая форма неустойчивой работы компрессора, характеризуемая термином “помпаж” и от­личающаяся от описанной возникновением сильных низкочастотных колебаний давления и расхода воздуха во всем газовоздушном тракте, в котором работает компрессор.

На рис. 5.19 приведена осциллограмма помпажа, полученная для того же компрессора, к которому относилась ос­циллограмма рис. 5.18. Цифры на линиях имеют здесь прежнее значение. Как видно, в этом случае первоначально наблюдается примерно такое же скач­кообразное падение р_к и расхода воздуха, как и на рис. 5.18. Но уже примерно через 0,2 с восстанавливаются высокие значения р_к и р_вх, близкие к имевшим место до потери устой­чивости. Затем весь процесс повторяется снова и снова, т. е. в ком­прессоре возникают периодические колебания давления и расхода воздуха, имеющие большую амплитуду и сравнительно малую частоту. Исследования показывают, что эта частота зависит от объема (массы) воздуха, заключенного в компрессоре и в при­соединенных к нему трубопроводах (элементах тракта двигателя). Обычно она составляет несколько герц и сравнительно слабо за­висит от частоты вращения ротора компрессора. Внешне возникновение помпажа проявляется как сильный шум и тряска двигателя, сопровождающиеся падением тяги. Кроме того, как при срыве, так и при помпаже резко растет температура газов в турбине и возникает опасность её перегрева. Наконец, на­личие вращающегося срыва может стать источником возбуждения опасных вибраций лопаток. Поэтому сколько-нибудь длительная эксплуатация двигателя на этих режимах недопустима

Исследования показывают, что первопричиной помпажа, так же как и срыва является возникновение и развитие срыва потока с ло­паток компрессора. Поэтому основным способом борьбы с неустой­чивой работой компрессора в различных условиях эксплуатации яв­ляется уменьшение углов атаки в тех ступенях или в той части ло­паток, где эти утлы оказываются слишком близкими к критиче­ским (см. ниже).

5.7. Рабочие режимы и запас устойчивости компрессора в системе ГТД

При определении характеристик компрессора на стенде можно получить почти все возможные режимы работы компрессора. При работе компрессора в системе ГТД той .или иной схемы реализует­ся лишь часть этих возможных режимов, занимающая некоторую область в поле характеристики компрессора — область рабочих ре­жимов. Значения и , соответствующие какому-либо конк­ретному рабочему режиму, изображаются на характеристике комп­рессора рабочей точкой. Важное значение в теории ГТД имеют рабочие точ­ки, соответствующие установившимся режимам работы двигателя, т. е. постоянным во времени значениям частоты вращения, подачи топлива и других параметров и факторов, которые могут влиять на работу элементов двигателя.

Для большинства схем авиационных ГТД каждому значению приведенной частоты вращения на установившихся режимах соот­ветствует только одна рабочая точка. Соединив такие ра­бочие точки, относящиеся к различным значениям , получим ра­бочую линию (линию рабочих режимов). Таким образом, рабочая линия представляет собой совокупность всех установившихся ре­жимов работы компрессора в системе конкретного ГТД.

Форма и расположение рабочей ли­нии в поле характеристики компрессо­ра зависят от расчетных параметров компрессора, типа двигателя и усло­вий ("закона") его регулирования. Спо­собы ее построения будут рассмотрены ниже. Для примера на рис. 5.20 показано типичное располо­жение рабочей линии на характеристи­ке нерегулируемого компрессора (с вы­сокой расчетной степенью повышения давления), работающего в системе ТРД. Как видно, в этом случае рабочая линия пересекает гра­ницу устойчивой работы компрессора в двух точках н и в. Первая из них ле­жит в области значений , меньших расчетного, и поэтому соответствую­щее ей нарушение устойчивой работы компрессора называется “нижним срывом”. Неустойчивая работа компрессора в системе двигателя, соответтвующая точке в, “верхним срывом”. (Конкретные формы потери устойчивости этими терминами не опре­деляются). У компрессоров с ма­лыми расчетными значениями нижний срыв обычно отсутствует.

Удаленность рабочей точки от границы устойчивой работы предоставляет собой запас, который имеется в данной рабочей точке (при данном значении ) по отношению к возможному смещению её положения или положения границы устойчивости, при котором устойчивая работа компрессора еще не будет нарушена. Количественную оценку этого запаса принято производить следующим образом.

Если и есть степень повышения давления и приведенный расход воздуха в рабочей точке, а и — то же на границе устойчивости при том же значении , то отношение

(5.8)

называется коэффициентом устойчивости компрессора, а величина

% , (5.9)

(определяемая в процентах), называется запасом устойчивости.

.

При расчетном значении приведенной частоты вращения запас устойчивости ком­прессора в авиационных ГТД обычно составляет не менее 15 … 20%.