3.10 Работа компрессора в нерасчетных условиях. Регулирование компрессоров.

3.10.1 Характеристики компрессора в условиях неравномерного и нестационарного потока на входе

П еред компрессором расположен воздухозаборник, предназначенный для частичного преобразования скоростного напора в потенциальную энергию давления и создания приемлемых радиальных и окружных полей скоростей на входе в компрессор. В эксплуатации возможны случаи, когда поток к воздухозаборнику притекает не вдоль оси, а под некоторым углом ₁ (полёт самолета на нерасчётных углах атаки или со скольжением на крыло, работа на старте при боковом ветре и т.д.). При этом со стороны скоса потока в воздухозаборнике возникает местная повышенная диффузорность, сопровождающаяся отрывом (рис. 6.10).

В сверхзвуковом воздухозаборнике происходит значительное преобразование скоростного напора в давление, например, при числе M_п = 2,2 статическое давление в воздухозаборнике увеличивается примерно в 10 раз. Такое преобразование сопровождается появлением радиальной и окружной неравномерности полей скоростей, а также пульсаций (турбулентности) потока. Поток, имеющий стационарные радиальные и окружные поля скоростей, называется неравномерным, а если имеется турбулентность, то поток будет называться неоднородным (рис. 6.11).

На газодинамическую устойчивость компрессора окружная неравномерность оказывает большее влияние, чем радиальная. Это установлено экспериментальным путем и объясняется, по-видимому, тем, что радиальная неравномерность изменяет характер течения в каждом канале по высоте лопатки одинаковым образом и не приводит к изменению взаимодействия между каналами.

В отличие от радиальной, окружная неравномерность изменяет взаимодействие соседних каналов, что сказывается отрицательно на работе последующих лопаточных венцов. Такое изменение взаимодействия может проявляться, например, в виде растекания потока за лопаточным венцом из зоны повышенного давления в зону пониженного давления, что приводит к увеличению угла атаки и, следовательно, к возникновению срывных явлений (рис. 6.12). Видно, что растекание потока против вращения рабочего колеса увеличивает углы атаки и срывная зона (если она возникает) будет вращаться с меньшей скоростью, чем колесо.

Рассмотрим особенности работы двух частей лопаточного венца ступени, одна из которых расположена в зоне с повышенным давлением на входе p₁^*, а другая - в зоне с пониженным давлением. Анализ выполним для случаев с различной крутизной характеристики: ступень работает на правой ветви напорной характеристики; ступень работает на левой ветви характеристики. При этом под крутизной понимается отрицательная величина производной (^*_ст)^ = ^*_ст/с_а, где c_a = c_1a/u_к - коэффициент расхода.

Р ассмотрим первый случай, когда ступень работает на правой ветви характеристики (рис. 6.13). При неравномерном входном потоке статическое давление мало изменяется в поперечном сечении перед компрессором, поэтому величины осевых скоростей будут следовать за величинами полных давлений. На этом основании при переходе от равномерного потока к неравномерному режимы работы изменяются следующим образом: в той части лопаточного венца, на входе в которую будет повышенное давление, режим сместится в сторону больших значенийc_a с соответствующим снижением ^*_ст, т.е. будем иметь ^*_ст < 0; в другой части лопаточного венца, перед которой давление будет пониженное, режим сместится в сторону меньших значенийc_a и соответственно увеличится ^*_ст, т.е. получим ^*_ст > 0. В результате неравномерность давления за ступенью p₃^* = p₁^* ^*_ст будет меньше, чем перед ней.

Принято считать, что ступень, работающая на правой ветви напорной характеристики, обладает выравнивающей способностью. При прохождении через ступень неравномерность потока уменьшается.

Р ассмотрим второй случай, когда ступень работает на левой ветви характеристики (рис. 6.14). При анализе используем те же обозначения, что и на рис. 6.13. При переходе от равномерного потока к неравномерному в первой части лопаточного венца (см. рис. 6.14, а), на входе в которую поступает поток с повышенным давлением из-за смещения режима в сторону больших величинc_a, получим ^*_ст > 0; во второй части лопаточного венца, перед которой давление понизится из-за смещения режима в сторону меньших величинc_a, получим ^*_ст > 0. Следовательно, давление за ступенью p₃^* = p₁^* ^*_ст будет иметь большую неравномерность, чем перед ступенью.

Таким образом, ступень, работающая на левой ветви напорной характеристики, усиливает неравномерность потока при его прохождении через ступень.

Крутизна напорной характеристики зависит от газодинамической нагруженности решёток профилей и от их геометрических особенностей. Так, с увеличением изгиба профилей крутизна уменьшается и может проявиться левая ветвь характеристики, например, втулочных частей ступеней вентилятора, профили которых из-за малых окружных скоростей приходится выполнять с повышенными изгибами. Значительные неравномерности приводят к значительным углам атаки в зонах с пониженным давлением. Если неравномерность достигает сильно нагруженных, например средних ступеней, то увеличение углов атаки приводит к ранним срывам и может привести к помпажу двигателя, когда срыв охватит значительную часть лопаточных венцов. Неравномерность также деформирует характеристики, делая их менее крутыми.

Нестационарность в основном влияет как мгновенная неравномерность, усиленная дополнительными влияниями колебательных явлений в воздушном столбе, находящемся в проточной части силовой установки. В результате неоднородность потока по сравнению с неравномерностью может приводить к более раннему срыву и, соответственно, к помпажу.