2.7. Характеристики компрессорной ступени.

Характеристика осевой компрессорной ступени представляет графические зависимости коэффициента напора и изоэнтропийного КПД от коэффициента расхода полученные при постоянной частоте вращения (окружной скорости). Такие зависимости получают в результате испытаний ступеней на экспериментальных установках и используют при проектировании компрессоров.

На рис.2.5 представлены характеристики осевой компрессорной ступени со степенью реактивности ρ=0,5 . Из рисунка следует, что коэффициент напора ψ увеличивается с уменьшением коэффициента расхода φ. Снижение φ вызывает уменьшение угла потока β₁ в связи с уменьшением осевой составляющей скорости c_а (уменьшением расхода) при неизменной окружной скорости и_п. При этом увеличивается угол атаки i= β_1л-β₁ и растет угол поворота потока Θ=β₂-β₁, что вызывает повышение коэффициента напора.

Из рис.2.5 б) следует, что для каждой частоты вращения ротора (окружной скорости) существует оптимальное значение коэффициента расхода φ_opt, соответствующее максимальному значению изоэнтропийного КПД. Отклонения от φ_opt приводят к уменьшению η_а, что является следствием увеличения потерь энергии в решетках профилей от угла атаки. Особенно неблагоприятны положительные углы атаки, вызывающие отрыв потока от выпуклой части компрессорного профиля.

2.8. Неустойчивая работа компрессора. Помпаж.

При малых расходах газа в компрессоре или повышенной частоте вращения ротора (увеличенной окружной скорости) на выпуклой поверхности рабочей лопатки образуется обширная вихревая зона, вызванная срывом потока. Эта вихревая зона при увеличении положительных углов атаки быстро заполняет весь межлопаточный канал, что приводит к неустойчивой работе компрессора, называемой помпажем. Уменьшение расхода и увеличение окружной скорости вызывает уменьшение углов потока β₁ и α₂ (см.рис.2.4). Одновременно возрастает угол поворота потока в каналах решеток и увеличивается разность проекций относительных и абсолютных скоростей на окружное направление, что вызывает увеличение коэффициента напора. Коэффициент расхода ступени в рассмотренных случаях становится меньше оптимального (φ<φ_opt).

Для каждой ступени существует своё минимальное значение коэффициента расхода, обозначаемое φ_пом , при котором ступень входит в режим помпажа_.. Опыты показывают, что значение φ_пом для ступени практически мало или совсем не зависит от окружной скорости лопаток.

В момент предшествующий началу помпажа, ступень имеет наибольший коэффициент напора, что соответствует наибольшей скорости повышения давления.

В компрессорах явление помпажа сопровождается резким увеличением шума, подача компрессора уменьшается, а создаваемое давление носит пульсирующий характер. В многоступенчатых компрессорах с большой подачей к указанным явлениям прибавляется сильная вибрация компрессора, объясняющая периодическое движение воздуха в проточной части. При помпаже воздух периодически движется то из камеры нагнетания в камеру всасывания, то движется в противоположном направлении. Работа компрессора в зоне помпажа опасна, так как может привести к серьезной аварии (поломка лопаток, подшипниковых узлов, корпуса). В процессе эксплуатации компрессора его рабочую линию выбирают таким образом, чтобы на всех режимах работы не возникали условия, приводящие к помпажу.

Для компрессоров, работающих в широких диапазонах режимов, не всегда представляется возможным обеспечить такие условия. В этом случае в конструкции компрессора предусматривается противопомпажные клапаны, работающие по принципу предохранительных клапанов. Его устанавливают за ступенью, которая при уменьшении расхода первой входит в помпаж и настраивают на давление, которое немного меньше давления соответствующего началу помпажа. Такой ступенью в компрессоре чаще всего является последняя. При открытом противопомпажном клапане сохраняется повышенный расход воздуха через ступень и часть воздуха через этот клапан отводится во всасывающий патрубок компрессора.

Другим видом неустойчивой работы компрессора является вращающийся срыв, возникающий в отдельных межлопаточных каналах из-за технологических отклонений в лопаточных углах при установке лопаток на роторе или неравномерности потока перед рабочим колесом. Вращающийся срыв вызывает колебания потока, которые, в свою очередь, являются причиной дополнительных динамических усилий на лопатки.