5 2. Атакоустойчивость профиля и решетки профилей компрессоров и турбин. Характеристика компрессора по потерям (кпд). Факторы, определяющие атакоустойчивость.

Потери в компрессорной решетке оцениваются коэффициентом потерь

Характер течения в решетке и подводимую (отводимую) величину работы в ней оценивают углом поворота потока , где угол кривизны профиля, угол атаки, угол отставания потока. Если , решетка называется диффузорной, конфузорной. Закрутка потока (а с ней и подводимая работа ) прямо пропорциональна углу поворота потока:

Атакоустойчивость профиля при малых скоростях потока . Влияние и не учитывается.

П ри некотором угле атаки сопротивление решетки имеет наименьшее значение, но с точки зрения работы на РК, является невыгодным. При увеличении угла атаки возрастает угол поворота потока, закрутка потока, а следовательно и подводимая к воздуху работа. КПД решетки при этом растет, т.к. сопротивление решетки растет медленнее, чем . Максимальному КПД соответствует угол атаки , лежащий недалеко от резкого подъема кривой . Дальнейшее увеличение угла атаки до и выше приведет к срыву потока, резкому возрастанию сопротивления решетки и уменьшению . Для создания запаса устойчивости профиля к изменению угла атаки, номинальное значение , которое находится в пределах 1-3⁰ от .

Номинальный угол поворота потока увеличивается с увеличением густоты решетки и угла выхода . Увеличение приводит к усилению воздействия решетки на поток, т.е. к увеличению и .

Атакоустойчивость профиля с учетом влияния .

П ри увеличении в пределах достижения местной скорости звука на поверхности профиля характеристики профиля меняются не сильно и вызваны изменением сжимаемости и распределением давлений по контуру профиля. Кривая возрастает более резко по сравнению с малыми скоростями потока, поэтому лежит в узких пределах . Пунктиром показаны характеристики при , сплошной линией .

Д альнейшее увеличение скорости потока ведет к образованию местных зон сверхзвуковых скоростей. Последующее торможение потока сопровождается скачками уплотнения, волновыми потерями и отрывом пограничного слоя. С некоторого значения числа наблюдается резкое увеличение и уменьшение угла поворота потока Δβ. Наибольшие значения соответствуют нулевому углу атаки, при котором . соответствует случаю, когда область местных сверхзвуковых скоростей занимает все поперечное сечение межлопаточного канала.

53. Зависимость работы ступени компрессора от расхода воздуха. Характеристика компрессора по напорности (степени повышения полного давления). Основные режимы работы компрессоров и границы области рабочих режимов.

- масса воздуха, проходящего через контрольную поверхность в единицу времени.

Работа затрачиваемая на вращение данного элемента ступени, в расчете на 1 кг проходящего через него воздуха. Если окружная скорость лопаток колеса есть , то секундная работа вращения лопатки равна . Отнеся ее к расходу воздуха через рассматриваемую контрольную поверхность , получим:

Таким образом, работа вращения элемента колеса ступени осевого компрессора при цилиндрической поверхности тока пропорциональна окружной скорости и закрутке воздуха в колесе.

В центробежных и диагональных ступенях, а также в осевых ступенях со значительным изменением диаметра втулки или корпуса в пределах рабочего колеса поверхности тока существенно отличаются от цилиндрических. В этих случаях для определения следует использовать теорему Эйлера о моменте количества движения. Применим эту теорему к кольцевому объему воздуха, заключенному между поверхностями тока ab и a’b’ и сечениями 1 - 1 и 2 - 2 (рис 2.11)

П оверхности тока будем считать асимметричными. Аэродинамические силы, возникающие на элементах всех лопаток рабочего колеса, расположенных внутри выделенного кольцевого объема, создают относительно оси вращения колеса некоторый суммарный момент , воздействующий на воздушный поток. Все силы давления, действующие на рассматриваемую контрольную поверхность, являются центральными (проходят через ось вращения колеса). Поэтому, если пренебречь незначительной разностью моментов сил внутреннего трения воздуха на близких друг к другу поверхностях ab и a’b’, то приложенный к потоку со стороны лопаток момент должен быть равен согласно : приращению момента количества движения потока в единицу времени, т.е.

Где , - окружные составляющие скорости воздуха перед и за колесом на радиусах

- массовый расход воздуха через рассматриваемый элемент ступени.

Если угловая скорость вращения колеса есть , то секундная работа вращения данного элемента колеса равна .Отнеся эту величину к расходу воздуха , найдем работу вращения элемента колеса в расчете на 1 кг воздуха:

Или, поскольку Полученное выражение для работы, затрачиваемой на вращение элемента колеса ступени компрессора, носит название формулы Эйлера.

Работа и мощность, затрачиваемые на вращение колеса, для ступени в целом. Заметим предварительно, что между работой L, расходом рабочего тела G и мощностью N существует очевидное соотношение: N=LG.

Среднее значение работы вращения колеса в расчете на единицу массы воздуха:

Работа трения диска зависит от конструктивной схемы рабочего колеса и его окружной скорости.

В осевых компрессорах роль работы трения диска ничтожна (менее 0,5 % ) и практически ею можно пренебречь, полагая

Режимы работы компрессора

При определении характеристик компрессора на стенде можно получить почти всевозможные режимы работы компрессора. При работе компрессора в системе ГТД той или иной схемы реализуется лишь часть этих возможных режимов, занимающая некоторую область в поле характеристики компрессора - область рабочих режимов. Значения , соответствующие какому-либо конкретному рабочему режиму, изображаются на характеристике компрессора рабочей точкой. Важное значение в теории ГТД имеют точки, соответствующие установившимся режимам работы двигателя, т.е. постоянным во времени значениям частоты вращения, подачи топлива и других параметров и факторов, которые могут влиять на работу элементов двигателя.

Для большинства схем авиационных ГТД каждому значению приведенной частоты вращения на установившихся режимах соответствует при заданных условиях регулирования двигателя только одна рабочая точка. Соединив такие рабочие точки, относящиеся к различным значениям , получим рабочую линию (линию рабочих режимов). Таким образом, рабочая линия представляет собой совокупность всех установившихся режимов работы компрессора в системе конкретного ГТД при заданных условиях его регулирования.

Форма расположения рабочей линии в поле характеристики компрессора зависит от расчетных параметров компрессора, типа двигателя и условия (закона) регулирования. На рис 4.32 показано типичное расположение рабочей линии на характеристике нерегулируемого компрессора (с высокой расчетной степенью повышения давления).

Р абочая линия пересекает границу устойчивой работы компрессора в двух точках н и в. Первая из них лежит в области значений ,меньших расчетного, и поэтому соответствующее ей нарушение устойчивой работы компрессора (при ) «называется нижним срывом». Неустойчивая работа компрессора в системе двигателя, возникающая при увеличении до , называется «верхним срывом».

Нарушение устойчивой работы компрессора ГТД (часто называемое потерей газодинамической устойчивости) является одним из наиболее опасных отказов авиационной силовой установки. Поэтому в эксплуатации работа на режимах, где рабочая точка располагается вблизи границы устойчивости, т.е. где запас устойчивости мал, недопустима.

Количественную оценку запаса устойчивости компрессора при каждом значении принято производить по соотношению значений в рабочей точке и на границе устойчивости. Если есть степень повышения давления и приведенный расход воздуха в рабочей точке, а - то же на границе устойчивости при том же значении , то соотношение называется коэффициентом устойчивости компрессора, а называется запасом устойчивости.

Если напорная линия на характеристике компрессора при данном близка к вертикали, то и , т.е значение или характеризует запас устойчивости по . Если напорная линия близка к горизонтали, то собственно эти величины характеризуют запас устойчивости по расходу воздуха. В общем случае значения или характеризуют запас устойчивости как по так и по .

Для предотвращения неустойчивой работы двигателя при высоких необходимо, чтобы значения было выше, чем самое высокое значение , которое может встретиться в эксплуатации. Если это условие не выполняется, то приходиться вводить ограничение максимально допустимого значения либо с помощью автоматических устройств, либо в инструкции по эксплуатации двигателя. Исключить в эксплуатации двигателя режимы, лежащие в области , нельзя, т.к. они должны неизбежно использоваться в процессе запуска двигателя и вывода его на основные эксплуатационные режимы. Поэтому в двигателях с высоким значением компрессор выполняется регулируемым.