3.6. Помпаж компрессора

Рис. 3.19. Схема обтекания лопаток

К ак было показано в подразд. 3.4, при определенных условиях работа компрессора оказывается неустойчивой. Неустойчивая работа возникает при срывном обтекании лопаток отдельных ступеней компрессора и проявляется в виде периодических пульсаций потока, колебаний лопаток и двигателя и др.

Как видно из рис. отклонение режима от расчетного при­водит к изменению направления потока (скорость с изменяется пропорционально изменению расхода воздуха). Увеличение расхо­да сопровождается ударом потока о спинку лопатки, а уменьше­ние — ударом в корытце, при этом с противоположной стороны лопаток возникает срыв потока. Повышенное давление у корытца н меньшее у спинки способствует развитию вихревой зоны в слу­чае уменьшения расхода воздуха. Она распространяется как по высоте лопатки, так и в направлении от задней к передней ее кром­ке. Вихревая зона заполняет проточную часть компрессора, умень­шая сечение для прохода воздуха, в результате чего расход воз­духа уменьшается в большей степени, а вихреобразование увели­чивается. При этом возможен прорыв воздуха с повышенным дав­лением из-за компрессора в обратном направлении в сторону вхо­да в компрессор. Вихревая зона нестабильна, она периодически срывается с лопаток, что вызывает неустойчивость потока, неустой­чивость работы ступени и всего компрессора.

Появление неустойчивой работы также возможно на увеличен­ных, по сравнению с расчетным, расходах воздуха, на режиме «запирания» компрессора, при отрицательных углах атаки. Но в этом случае неустойчивая работа проявляется реже и слабее, чем при малых расходах.

Сильные низкочастотные колебания давления и расхода воздуха в компрессоре и прилегающих к нему элементах двигателя назы­ваются помпажем. Вызванное им уменьшение КПД компрессора приводит к снижению тяги и ухудшению экономичности двигателя. Пульсация потока может привести к срыву и затуханию пламени в камере сгорания и к выключению двигателя. Пульсация потока вызывает вибрации лопаток и тряску двигателя, которая может привести к поломкам компрессора, двигателя и силовой установки. Внешними проявлениями помпажа являются периодические силь­ные хлопки, резкое повышение температуры газов и снижение ча­стоты вращения ротора двигателя. Помпаж компрессора в экс­плуатации недопустим.

Возможно также появление другой формы неустойчивой рабо­ты — вращающегося срыва. Вследствие различия в геометрии про­точной части воздушный поток не строго симметричен. Поэтому срыв появляется вначале не по всей окружности ступени, а в не­скольких или даже в одном месте. При этом срыв охватывает в каждом месте по нескольку межлопаточных каналов. Из-за умень­шения пропускной способности каналов, где возник срыв потока с лопаток, зона срыва перемещается по окружности* направлении вращения РК, но с меньшей скоростью.

Расчетный режим компрессора отличается согласованностью между площадями проходных сечений, плотностями и скоростями воздуха, а также углами установки лопаток.

При отступлении от расчетного режима согласованность рабо­ты ступеней нарушается. Отступление от расчетного режима со­провождается изменением степени повышения давления по сравнению с расчетной, что приводит к перераспределению осевых ско­ростей по длине проточной части, отклонению режимов работы ступеней (особенно первых и последних) от оптимального режима.

Уравнение расхода воздуха для входа в компрессор (сечение в—в) и выхода (сечение к—к) записывается следующим обра­зом:

где - осевые скорости воздуха на входе в компрессор и на выходе из него

Из уравнения расхода получаем

(n- показатель политропы), то уравнение неразрывности течения воздуха в компрессоре записывается так:

Поэтому как увеличение, так и уменьшение π_K (из-за изменения частоты вращения n) должно вызвать изменение с_ак/с_ав, а значит и режима течения в ступенях, так как проходные сечения для воздуха при этом не изменяются.

Гак, при n<n_расч уменьшается π_к*, р и ϱ воздуха, что вызыва­ет увеличение с_ак/с_ав. Но так как при уменьшении n уменьшается c_в и осевые скорости во всех ступенях, то увеличение с_ак/с_ав озна­чает, что с_ав уменьшается сильнее, чем с_ак. Так как и во всех сту­пенях изменяется одинаково, то углы атаки i в первых ступенях (где c_а уменьшилась сильнее) возрастут, а в последних уменьшат­ся. Возрастание i приводит к срыву потока, а так как эти ступени отличаются малой величиной , срыв охватывает периферийные сечения лопаток.

Аналогично, в области n>n_расч срыв потока наступает в послед­них ступенях, а так как они имеют большую величину , то срыв охватывает всю высоту проточной части, что вызывает потерю ус­тойчивости по всему компрессору.

Улучшение условий работы компрессора на нерасчетных режи­мах обеспечивается путем его регулирования. Наиболее распро­странены использование поворотных лопаток НА, перепуск возду­ха из компрессора и применение двух- и многовальных компрес­соров.

На рис. 3.20 пунктирными линиями показан треугольник скоростей для первых ступеней, соответствующий помпажу. При по­ворачивании лопаток НА изменяется направление ω₁, угол атаки i

Рис. 3.21. Применение перепуска воздуха из компрессора

уменьшается, что обеспечивает безударный вход воздуха на РК. Применяется также поворот лопаток ВНА и нескольких НА.

Применение перепуска воздуха из средних ступеней компрес­сора (рис. 3.21) в атмосферу через отверстия в корпусе компрес­сора приводит к увеличению объемного расхода воздуха через сту­пени, расположенные до перепуска, из-за уменьшения сопротивле­ния для прохода воздуха. В результате увеличивается скорость воздуха, проходящего через эти ступени, и происходит уменьше­ние углов атаки.

Для того чтобы на пониженных n углы атаки i не отклонялись от расчетного значения, одновременно с уменьшением c_а должна изменяться соответственно и u. Избежать изменения c_а/и при переменной n можно было бы, снабдив каждую ступень компрессора независимым приводом. Практически оказывается достаточным разделение компрессора на две группы ступеней (каскадов) — каскад низкого давления (КНД) и каскад высокого давления (КВД), приводимые во вращение каждый от своей турбины (см. рис. 6).

Из плана скоростей (см. рис. 3.9) видно, что при уменьшении с_1а, а следовательно, и с₁, угол а₁ остается не­изменным (он определяется формой лопаток ВНА или НА), следовательно, уменьшится и предварительная за­крутка воздуха в РК c_1и. При n = const это приводит к уменьше­нию угла β₁ при постоянном β₂ (он в основном определяется фор­мой лопаток РК). В результате увеличивается закрутка воздуха в РК Δc_u = c_2u - c_1u и работа ступени. Поэтому, если n = const для всех ступеней (компрессор не разделен), то у ступеней, у которых уменьшается работа ступени оказывается больше, чем у ступеней, у которых не изменяется или растет. Поэтому при уменьшении u от расчетного значения работа первых ступеней уменьшается в меньшей степени, чем последних, т. е. первая ступень на вращение требует большей мощности — она «затяжеляется», а при увеличении «затяжеляется» последняя ступень. Поскольку при изменении n распределение мощности между тур­бинами обоих каскадов не изменяется, то при уменьшении n КНД «затяжеляется» и его частота вращения n₂ будет уменьшаться сильнее, чем у КВД n₂. Поэтому, если на расчетном режиме часто­ты вращения обоих роторов одинаковы, то на пониженном режи­ме n₁<n₂, а на максимальном — n₁>n₂. Снижение n₁ у КНД при­ведет к уменьшению углов атаки в ступенях КНД и к устранению помпажа.