Неустойчивые режимы работы компрессора

Помпаж представляет собой автоколебания потока воздуха в проточной части компрессора и воздушно-газовых трактах газо­турбинного двигателя (ГТД), которые вызываются развитием зон срыва потока с лопаток при малых значениях расхода воздуха и/или росте сопротивления за компрессором. Вследствие срыва потока, при малых расходах воздуха, значения давления создаваемые компрессором становится меньшим, чем в воздушном тракте за компрессором. В результате возникает противоток, то есть воздух меняет свое направление на противоположное и начинает двигаться со стороны нагнетания по направлению к всасыванию. После падения давления в воздушном тракте за компрессором, происходит восстановление потока воздуха и возобновляется подача воздуха компрессором, что приводит к росту давления в воздушном тракте за ним, в результате чего явление повторяется.

Частота и амплитуда помпажных колебаний определяется емко­стью воздушно-газового тракта. Помпаж приводит к возникновению ударной волны высокой интенсивности. У ГТД продолжительность одного помпажного цикла, сопровождаемое образованием ударной волны, (возникновение обратного и восстановление нормального течения) длится от 0,1 до 0,5 секунд. Ударная волна характеризуется увеличением статического давления в 2...3 раза и высокой скоростью распространения. Приложенные нагрузки на детали и узлы ГТД от действия ударной волны происходит в виде коротких по времени импульсов и может вызвать погиб лопаток, повреждения корпуса ГТД и подшипников, нарушить узлы крепления и изменить центровку ГТД. Остаточные деформации (прогиб) у корня лопаток вызванные явлением помпажа приводят к развитию усталостных трещин и последующим поломкам лопаток с вытекающими негативными последствиями, связанными с разрушением проточной части компрессоров, турбин, повреждением камер сгорания и других узлов и деталей ГТД. Динамические осевые нагрузки, возникающие при помпаже, являются одной из основных причин повреждений и разрушений упорных подшипников.

Амплитуды продольных колебаний ГТД при помпаже могут дос­тигнуть 10...20мм и приводят к нарушению центровок ротор-корпус ГТД (с последующим задеванием рабочих лопаток о корпус) и ГТД-редуктор.

Для предотвращения помпажа компрессоры снабжают антипомпажным клапаном. Когда режим работы компрессора приближается к границе помпажа, клапан автоматически открывается и сбрасывает часть воздуха за группой ступеней или за компрессором в атмосферу. Сопротивление воздушного тракта за данной группой или через все ступени снижается, и рабочая точка удаляется от границы неустойчивой области работы. Обычно антипомпажные клапаны открываются во время пуска и остановки ГТД.

Расширению диапазона устойчивой работы компрессора спо­собствует применение входного направляющего аппарата с поворот­ными лопатками.

2.6. Конструкции газовых турбин Ротор

Вал, критическая скорость вращения которого выше рабочего, называют жестким. Если критическая скорость вращения ниже рабочего, вал называют гибким.

В установках, рассчитанных на работу при изменяющейся в ши­роких пределах скорости вращения (к таким установкам относятся су­довые ГТУ). роторы, как правило, выполняют жесткими.

Роторы газовых турбин с одной-двумя ступенями иногда делают однодисковыми, консольными. Диск соединяется с валом при помощи болтов, шпилек или радиальных штифтов. Ротор многоступенчатой турбины изготовляют из нескольких дисков, сваренных между собой или собранных на стяжных болтах или шпильках.

На Рис. 34 показаны некоторые наиболее типичные конструкции роторов.

Консольный однодисковый ротор (Рис. 34, а) часто применяют в высокооборотных напряженных турбинах. Рабочее колесо обычно имеет форму диска равного сопротивления без центрального отверстия. В большинстве случаев он выполняется отдельно от вала, соединяется с валом болтами, шпильками или радиальными штифтами, обеспечивающими сохранение соосности при тепловых расширениях.

Для высокооборотного ротора многоступенчатой турбины широ­кое применение находит сварной ротор, состоящий из нескольких сплошных дисков (см. Рис. 34, б).

Рис. 34. Различные типы роторов газовых турбин

Часто многоступенчатый ротор выполняют в виде отдельных дисков (Рис. 34, в) собранных на стяжке 1, проходящей через цен­тральное отверстие. Сохранение соосности дисков при тепловых рас­ширениях обеспечивается радиальными шлицами 2, размещенными по окружности.

Барабанная конструкция ротора (Рис. 34, г) может применяться только в многоступенчатых турбинах при сравнительно низких окружных скоростях.

Цельнокованый ротор (Рис. 34, д) конструктивно достаточно прост.