Материал: Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

повременному изменению степени сжатия, расхода воздуха и к .п. д. компрессора, 2) применение поворотных лопаток в неподвижных элементах — в направляющем и спрямляющем аппаратах в случае осевого компрессора и в неподвижном направляющем аппарате ил» лопаточном диффузоре в случае центробежноах) 'компрессора; пово­ рот лопаток при данной характеристике сети приводит к такому же эффекту, как и регулирование числа оборотов. Совместное измене­ ние числа оборотов и угла установки неподвижных лопаток позво­ ляет регулировать степень сжатия и к. п. д. компрессора независимо друг от друга; при этом расход воздуха через сеть с данной характе­ ристикой по-прежнему однозначно определяется степенью сжатия.

Регулирование компрессоров авиационных ГТД в подавляющем большинстве случаев осуществляется наиболее простым способом — изменением числа оборотов. Наряду с этим заметное распростране­ ние, особенно в последние годы, получили также поворотные лопат­ ки спрямляющих аппаратов.

Из числа методов регулирования, имеющих целью воздействие на присоединенные к компрессору устройства (всасывающую или нагнетающую системы), основным является изменение сопротивле­ ния сет»; этот метод позволяет при данном числе оборотов получать различные степени сжатия, но сопряжен с одновременным измене­ нием расхода воздуха и к. п. д. компрессора. На авиационных ГТД регулирование сопротивления сети .применяется достаточно широко (в частности, при форсировании двигателей сжиганием топлива за турбиной). В сочетании с изменением числа оборотов и поворотны­ ми . лопатками изменение сопротивления сети позволяет регулиро­ вать степень сжатия, расход воздуха и к. п. д. независимо друг от друга.

§ 79. ВНЕШНИЕ ПРИЗНАКИ И ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИЯ

ПОМПАЖА. ВРАЩАЮЩИЙСЯ СРЫВ.

Как указывалось в предыдущей главе, работа компрессора в об­ ласти пониженных расходов воздуха сопряжена с появлением раз­ витых срывных зон, а нередко и с наступлением помпажа. Внешние признаки помпажа заключаются в следующем.

При приближении к границе помпажа происходит изменение нор­ мального тона работы компрессора. Он становится более высоким и, кроме того, возникает характерный шум. После наступления пом­ пажа шум резко усиливается и приобретает вибрирующий характер, в воздушной системе появляются интенсивные хлопки и удары. Помпаж вызывает также сильную тряску компрессора и всех связанных с ним элементов. Устойчивые и неустойчивые режимы работы ком­ прессора внешне разграничены между собой весьма отчетливо.

Появление помпажа можно обнаружить и по показаниям изме­ рительных приборов. При наличии помпажа в потоке воздуха, про­ текающего через компрессор, происходят сильные периодические ко­ лебания давлений и скоростей, которые обусловливают и «епрерыв-

261

ное колебание расхода воздуха около некоторого среднего его зна­ чения. Подача воздуха из компрессора в сеть совершается толчками, причем в случае развитого помпажа наблюдается периодический выброс части сжатого воздуха в обратном направлении — на вход в компрессор. Последнее обстоятельство приводит к значительному росту температуры перед компрессором. Среднее давление воздуха за компрессором на режимах помпажа резко падаетч

Для определения частоты и амплитуды колебаний давления и скорости потока используются специальные высокочувствительные датчики (пьезокварцевые датчики, термоанемометры и др.), пока­ зания которых обычно передаются на осциллограф. Типичные осцил-

Рис. 136. Осциллограммы давления и скорости на выходе из компрессора: а) на нормальном режиме; б) при помпаже

лограммы изменения давления и скорости потока на выходе из ком­ прессора при нормальной и неустойчивой его работе приведены на рис. 136 [57]. Как видно, колебания давления и скорости имеют ме­ сто и при отсутствии помпажа (рис. 136а), но в этом случае они со­ вершаются с очень малой амплитудой и большой частотой, не вы­ зывая каких-либо ненормальностей в работе компрессора. Лишь с приближением к границе помпажа в потоке воздуха начинают появ­ ляться отдельные резкие отклонения давления и скорости от их средних значений, которые вначале носят характер случайных, не­ регулярных всплесков. Затем эти отклонения постепенно учащаются и переходят'в периодические колебания давления и скорости со сравнительно'большой амплитудой и малой частотой (рис. 1366), которые и представляют собой помпажные колебания. Следует за­ метить, что на малых оборотах в связи с меньшим подводом энергии к воздуху интенсивность пульсаций потока при помпаже заметно снижается.

Явление помпажа имеет место в самых различных турбомаши­ нах нагнетающего действия и было обнаружено несколько десятков лет тому-назад, з'адолго до применения центробежных и осевых ком­ прессоров на авиационных двигателях. Неустойчивая работа кбм-

2 6 2

прессорных турбомашин обычно наблюдалась в области левее мак­ симумов напорных характеристик при разных числах оборотов. По­ этому возникновение помпажа в течение длительного времени свя­

зывалось исключительно с характером изменения степени сжатия

d& ^

компрессора по расходу, т. е. со знаком производной - — ■. Прове­

денный анализ показал, что на правых, нисходящих ветвях напор­ ных характеристик система компрессор—сеть статически устойчива, а на левых, восходящих ветвях — неустойчива, чем и было объяс­ нено наличие помпажа на малых расходах. Однако основанная на этом обстоятельстве теория помпажа не вскрывала с должной глу­

характеристик, было об­ наружено, что при некоторых свойствах сети и характеристик са­

мого компрессора даже очень сильное уменьшение расхода воз­ духа все же не приводит к помпажу. Работа на левой ветви харак­ теристики при этом, правда, сопровождается заметным снижением степени сжатия и к. п. д. компрессора., но, несмотря на возрастание ек* по расходу, помпажа не возникает. Переход от правой ветви к левой у одних компрессоров осуществляется плавно, с постепен­ ным уменьшением степени сжатия (рис. 137а), а у других — очень резко, вследствие чего характеристика в точке перехода как бы претерпевает разрыв (рис. 1376). Следует заметить, что и в тех случаях, когда в определенной зоне расходов в компрессоре на­ ступает помпаж, у него, как правило, имеется вторая беспомпажная ветвь напорной характеристики в области очень малых расхо­ дов воздуха, на которой компрессор снова работает устойчиво.

Многочисленными испытаниями различных осевых и центробеж­ ных компрессоров было установлено, что при переводе компрессора в зону помпажа и затем обратно в область устойчивой работы всегда наблюдается своеобразный гистерезис (рис. 1376). Обратный пере­ ход, совершается с известным запаздыванием, т. е. помпаж прекра­ щается на заметно большем расходе воздуха по сравнению со зна­ чением G, соответствующим его первоначальному появлению. По­

2 6 5

этому граница ликвидации помпажа оказывается расположенной правее границы его возникновения.

Несостоятельность старой теории помпажа перед лицом обнару­ женных особенностей его протекания обусловила проведение в пос­ леднее десятилетие ’большого числа теоретических и эксперименталь­ ных исследований как в СССР, так и за границей, которые во мно­ гом способствовали вокрытию физической природы и причин, появ­ ления помпажных колебаний. Однако изучение этого сложного и многообразного явления далеко не закончено и стройная, логически завершенная теории помпажа еще не разработана.

В настоящее время можно считать достоверно установленным,

что по физической сущности помпаж представляет собой автоколе­ бания воздушного столба в системе, состоящей из всасывающих трубопроводов, компрессора и сети, в которой источником энергии является компрессор.

Как известно, под автоколебаниями понимаются установившиеся (незатухающие и неусиливающиеся) колебания, которые совер­ шаются в системе при отсутствии внешней возмущающей силы. Для осуществления автоколебаний поступление энергии от источника за период колебаний должно в точности равняться потере энергии, вы­ зываемой силами трения. Характерным при этом является наличие обратного воздействия колебательного движения в системе на вели­ чину подводимой энергии. Применительно к компрессору это озна­ чает влияние пульсаций скорости потока на характер обтекания ло­ паток РК и, следовательно, на внутреннюю работу компрессора.

Справедливость предположения об автоколебательном характере помпажа подтверждается -многочисленными экспериментальными данными, согласно которым частота и амплитуда помпажных коле­ баний в значительной степени определяются емкостью и другими геометрическими параметрами сети (в том числе и всасывающих трубопроводов), но вместе с тем -их частота практически не зависит от числа оборотов компрессора.

Что касается условий, необходимых для наступления помпажа, то в их совокупности первостепенная роль принадлежит характеру обтекания лопаток компрессора и, в частности, срывным течениям. Согласно одной из распространенных гипотез источником возбужде­ ния помпажных колебаний как в осевом, так и в центробежном ком­ прессоре являются периодические нарушения нормального течения воздуха, вызываемые сильно развитыми срывами потока с лопаток на малых расходах. Упрощенную картину возникновения помпаж­ ных колебаний при интенсивных срывах можно представить себе следующим образом.

В осевом компрессоре.уменьшение расхода воздуха при /z=const приводит, как было установлено выше, к такому изменению направ­ лений скоростей До[ и с2, при котором угол атаки лопаток РКиСА увеличивается. Благодаря этому значительное снижение расхода по

2 6 4

степенно становится все более интенсивным. Увеличенные углы поворота потока и связанные с этим большие перепады давления на профилях решеток при их работе на больших углах атаки создают благоприятные условия для образования и развития вихрей. При повороте поток прижимается к вогнутой поверхности лопаток, что спо­ собствует его отрыву от спинки и расширению вихревой зоны. По­ этому при развитом срыве распространяющиеся в глубь межлопа­ точных каналов вихри периодически заполняют их почти целиком (рис. 138а), вызывая резкое уменьшение эффективного сечения по­ тока и мгновенное возрастание гидравлических потерь в проточной части, вследствие чего давление, создаваемое компрессором, вне­ запно падает. Однако из-за инерции заполняющего сеть воздушного

Рис. 138. Срыв потока в рабочем колесе осевого компрессора:

а) при уменьшении расхода; б) при увеличении расхода

столба давление на входе в нее снижается не сразу, а остается 8 первый момент более высоким, чем в состоянии обеспечить компрес­ сор. Вследствие этого появляется тенденция к обратному течению воздуха из сети в компрессор, причем благодаря значительным пе­ репадам давлении оказывается возможным выброс части сжатого воздуха через срывные зоны на вход в компрессор. Одновременно продолжается истечение воздуха из полости за компрессором и в прямом направлении — к месту потребления.

В результате указанных течений давление в полости за компрес­ сором постепенно уменьшается и в конце концов достигает такой ве­ личины, при которой воздух снова устремляется из компрессора в сеть. В силу инерции потока перемена направления его движения совершается только после того, как давление на входе в сеть стано­ вится ниже давления, создаваемого компрессором. Поэтому перво­ начально компрессор нагнетает воздух в сеть в количестве, превы­ шающем ее пропускную способность. Когда же вследствие возра­ стания противодавления расход воздуха уменьшается до значения* соответствующего равновесному режиму работы сети и компрессора* система возвращается в исходное состояние, и если подвод внешней энергии за период колебания равен её потреблению, то цикл повто­

265

ряется. Чем больше емкость сети, тем длительнее процесс снижения и последующего восстановления давления воздуха перед сетью и по­ этому тем меньше частота и больше амплитуда помпажных колеба­ ний.

Иначе сказывается на работе осевого компрессора увеличение расхода воздуха по сравнению с расчетным значением. В этом слу­ чае угол атаки вследствие возрастания осевой скорости умень­ шается, что вызывает срыв потока с вогнутой поверхности лопаток. Однако образующиеся при этом вихри прижимаются основным по­ током к профилю, благодаря чему они локализуются вблизи перед­ ней кромки, не распространяясь в глубь компрессора (рис. 1386).

Рис. 139. Срыв потока в колесе и лопаточном диффузоре центробежного компрессора при уменьшении и увеличении расхода воздуха

Кроме того, малые перепады давления на решетках, связанные с от­ рицательными углами атаки, исключают и возможность обратных течений воздуха через вихревые зоны. Поэтому срывы потока в об­ ласти больйиих расходов воздуха не нарушают устойчивость рабо­ чего .процесса компрессора.

Аналогично ведет себя на малых и больших расходах центробеж­ ный компрессор.

Уменьшение расхода при п = const обусловливает такое откло­ нение скоростей W\ и с3 от их расчетных направлений, при котором срыв потока возникает либо с выпуклой поверхности лопаток ВНА

В направляющем аппарате поток воздуха под действием центробеж­ ных сил стремится оторваться от выпуклой стороны лопаток, а в межлопаточных каналах диффузора он в силу естественного стрем­ ления двигаться по более пологим траекториям, близким к логариф­

266

мическим спиралям, отрывается от вогнутой поверхности. Поэтому в области малых расходов в одном из упомянутых элементов или в обоих одновременно создаются неустойчивые вихревые зоны и, как следствие, благоприятные условия для наступления помпажа.

При увеличении расхода поток срывается с вогнутых поверхно­ стей лопаток ВНА (рис. 139в) или с выпуклых сторон лопаток диф­ фузора (рис. 139г), но так как появляющиеся при этом вихри носят местный характер, то особых изменений, за исключением некоторого увеличения потерь, в работе компрессора не происходит.

Необходимо подчеркнуть, что возникновение помпажных колеба­ ний не следует рассматривать как результат непосредственного воз­ буждающего действия вихрей, сбегающих с лопаток при развитом срыве. В действительности связь между помпажом и срывом более сложна и осуществляется не непосредственно, а через вызываемые срывными течениями изменения свойств компрессора, как источника энергии.

Детальные экспериментальные исследования структуры потока в осевом компрессоре на малых расходах, проведенные в самые по­ следние годы, привели к обнаружению явления так называемого вращающегося срыва. Было установлено, что при уменьшении рас­ хода срыв потока никогда не возникает сразу на всех лопатках РК. или СА. Благодаря неизбежным различиям в форме и расположении лопаток, а также отсутствию строгой осесимметричности потока срыв вначале появляется в одном или двух-трех местах по окруж­ ности, охватывая в каждой зоне небольшое число межлопаточных каналов. При этом в зависимости от относительного диаметра втул­ ки срыв наступает или одновременно по всей длине лопатки, или

только на ее части. В ступенях с большими й, т. е. с короткими ло­ патками, срыв захватывает сразу всю их длину и поэтому приводит к разрыву характеристик (рис. 1376). При этом типе срыва, полу­ чившем наименование полного, образуется, как правило, всего лишь

одна срывная зона в кольцевом сечении. В случае, малых d срывные зовы большей частью располагаются только на концах лопаток или, реже, возле втулки и число их первоначально составляет от одной до трех. По мере уменьшения расхода воздуха число срыввых зон по­ степенно увеличивается, доходя до семи-восьми и более, и одновре­ менно срыв распространяется на все большую часть длины лопаток, в связи с чем он называется частичным, или прогрессирующим. При этом типе срыва характеристики ступени разрыва не претерпевают (рис. 137а). Области срыва при большом их числе располагаются по окружности симметрично; однако в начальный момент, когда число зон не превышает двух-трех, их распределение может быть и не­ равномерным. На очень малых расходах многозонный частичный срыв нередко сменяется одной, более широкой зоной полного отры­

ва. В ступенях с промежуточными значениями d эта смена может происходить при еще небольшом числе зон прогрессирующего сры­ ва и, как следствие, вызывать резкое падение степени сжатия. При

267