8. Характерные отказы и неисправности квд

Причиной неустойчивой работы компрес­сора является срыв потока со спинок лопаток и рассогласование условий совместной работы его крайних ступеней. Используя треугольни­ки скоростей, рассмотрим этот вопрос более подробно.Если компрессор работает на расчетном режи­ме, то направление движения воздушного потока на входе в РК примерно параллельно касатель­ной к средней линии профиля.

Уменьшение расхода воздуха по сравнению с расчетным (уменьшение осевой составля­ющей абсолютной скорости - с_а) приводит к увеличению углов атаки на лопатках. При положительных углах атаки, превышающих критические, возникает срыв потока со спинки профилей, сопровождающийся образовани­ем вихревых областей.

При сильных срывах эти области нарастают и проникают внутрь компрессора, заполняя его проточную часть. Происходит периодически повторяющаяся быстрая «закупорка» проточной части ком­прессора вихревыми областями 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 компрессора через соседние зоны

срыва. Этот выброс сопровождается хлопками. На ка­кое-то время бессрывной характер обтекания лопаток восстанавливается, и воздух снова дви­жется из компрессора в камеру сгорания, далее вновь возникают срывы и вихреобра зование, т.е. явление повторяется.

Увеличение расхода воздуха через ступень (увеличение осевой составляю щей абсолют­ной скорости - с_а ) вызывает уменьшение углов атаки на лопатках, при этом угол атаки становится меньше нуля. Поток воздуха ударяется в выпуклую часть лопатки, а на ее вогнутой части (корытце) 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.

Отмеченные изменения расхода воздуха вы­зывают деформацию треугольников скоростей на первых и последних ступенях по-разному, т.е. имеет место рассогласование в условиях их работы. 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 на 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 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. В этом случае на последних ступенях углы атаки увеличивают­ся быстрее, в результате чего на этих ступенях критические углы атаки достигаются раньше, чем на первых.

Отечественный и зарубежный опыт создания авиадвигателей свидетель ствует о том, что при п^к > 12 - 16 обеспечение устойчивой работы компрессора во всем диапазоне эксплуатационных режимов становится невозможным без

использования специальных методов его регулирования, к которым следует отнести:

использование поворотных направляющих аппаратов;

использование перепуска воздуха из-за средних ступеней;

использование многовальной схемы компрессора.

В двигателе ПС-90А все эти методы на­шли свое применение. Конечным результатом их использования является обеспечение оп­тимальных углов атаки потока при обтекании первых и последних ступеней компрессора.

Физическую сущность процесса регулирова­ния поворотом лопаток направ ляяющих аппара­тов поясним на примере поворотных лопаток ВНА. При приведенной частоте вращения ротора высокого давления ниже 8400 об/мин лопатки установлены в исходное положение, соответствующее максимальному значению угла поворота ВНА - 45°. В этом случае вектор относительной скорости составляет с хордой рабочей лопатки угол атаки, при котором обеспечивается бессрывное обтекание лопатки.

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

Для обеспечения входа воздуха под опти­мальным углом атаки при увеличении частоты вращения необходимо, чтобы относительная скорость сохраняла свое прежнее направле­ние. Для этого лопатки ВНА следует повернуть в сторону увеличе ния установочного угла, что уменьшить предварительную закрутку по­тока. С этой целью на двигателе ПС-90А осу­ществляется поворот лопаток ВНА в сторо­ну увеличения угла установки от - 45° до 0° при изменении приведенной чистоты вращения ротора ВД от 8400 до 12000 об/мин. Для сохранения неизменным направления относительной скорости потока на нерасчетном и расчетном режимах необходимо, чтобы угол поворота лопаток был строго согласован с изменением частоты вращения ротора.

Предотвращение помпажа путем перепуска воздуха из-за средних ступеней компрессора можно пояснить из треугольника 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 на них уменьшаются, а на последних ступенях, напротив, возрастают, поскольку часть воздуха до них не дошла. Треугольник скоростей при включенном перепуске воздуха на рисунке будет показан сплошными линиями.

Перепуск воздуха из-за средних ступеней компрессора экономически невыго ден, так как ведет к снижению тяги двигателя и увеличению удельного расхода

топлива на режимах пере­пуска.

Поэтому на двигателе ПС-90А перепуск воздуха из-за VI и VII ступеней прекращается при достижении приведенной частоты враще­ния ротора ВД 10560 об/мин.

Наряду с другими способами регулирования двухвальная схема двигателя позволяет обеспе­чить протекание линии рабочих режимов (ЛРР) на харак теристике компрессора в зоне высоких значений КПД и поддержать в допу стимых пределах запас газодинамической устойчивос­ти. Помимо этого, улучшаются также характе­ристики запуска и приемистости двигателя, а система управления становится более гибкой.