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

увеличении расхода воздуха описанные тления повторяются в об­ ратном порядке, но с некоторым запаздыванием.

Весьма существенным является то обстоятельство, что как при полном, так и при прогрессирующем срыве зоны отрыва не локали­ зуются около определенных лопаток, а непрерывно вращаются в том же направлении, что и колесо, но с меньшей угловой скоростью. Скорость вращения срывных зон в опытах была получена различ­ ной [54] и составляла в случае прогрессирующего срыва от 40 до 85% угловой скорости вращения колеса, а в случае полного срыва— от 20 до 40% той же скорости. Она оказалась не зависящей от числа зон отрыва и вместе с тем изменялась пропорционально числу обо­ ротов РК. Вращающийся срыв наблюдался в равной степени как в

РК, так и в СА.

Элементарное объяснение вращения зон срыва, приведенное в ряде литературных источников, заключается в следующем. Срыв по­ тока в одном или нескольких рядом расположенных межлопаточных каналах вызывает уменьшение их пропускной способности. Поэтому воздушная струя, встретившись с увеличенным сопротивлением в зоне срыва, растекается в осевом зазоре в обе стороны, стремясь проложить себе путь через соседние, свободные от срыва каналы. Это обстоятельство обусловливает уменьшение угла атаки и, следо­ вательно, создает благоприятные условия обтекания тех лопаток, ко­ торые находятся впереди вихревой зоны. У лопаток же, располо­ женных за вихревой зоной, угол атаки, наоборот, возрастает, что приводит к срыву потока с их выпуклой поверхности. По этой при­ чине срывная зона перемещается из одних каналов РК в другие на­ встречу его вращению, но с меньшей скоростью, чем движется само колесо, в силу чего и возникает описанный выше вращающийся срыв.

Поскольку скорость и расход воздуха в срывных зонах намного ниже их значений в остальной части кольцевого канала, вращаю­ щийся срыв обусловливает непрерывные пульсации потока (в не­ подвижной системе координат), причем в зависимости от типа сры­ ва они занимают или всю площадь поперечного сечения, или только ее часть. В соответствии с числом срывных зон и скоростью их вра­ щения частота пульсаций, регистрируемая неподвижным датчиком, составляет, как правило, (0,2-е0,3)п при полном срыве и доходит до (2-^-3) п при многозонном прогрессирующем срыве. Амплитуда пульсаций скорости может достигать 70% скорости в ядре потока.

При возникновении срыва в одной только первой ступени ком­ прессора вращающаяся возмущенная зона распространяется и на остальные его ступени, вызывая пульсации скорости по всему трак­ ту. Однако по экспериментальным данным [54] большие амплитуды колебаний скорости наблюдаются лишь в первых нескольких сту­ пенях, а затем они резко уменьшаются.

Срывные пульсации отличаются от помпажных несравненно боль­ шей частотой и меньшей амплитудой, а также слабой зависимостью этих величин от емкости сети. Кроме того, вращающийся срыв и

2 6 8

помпаж различаются по характеру сдвига фаз при колебаниях: пер­ вый связан со смещением по фазе пульсаций в одном и том же се­ чении, а второй — по длине проточной части. Согласно опытным данным явление вращающегося срыва не прекращается и в случае наступления помпажа. При этом на него лишь накладываются ха­ рактерные для помпажа низкочастотные колебания потока большой амплитуды.

Вращающийся срыв в условиях эксплуатации так же недопу­ стим, как и помпаж, главным образом потому, что он может яв­ ляться источником возбуждения опасных колебаний и связанных с ними поломок лопаток компрессора. Поскольку и помпаж, и вра­ щающийся срыв присущи работе решеток на больших углах атаки и средства борьбы с ними имеют единую основу, в дальнейшем с целью упрощения эти явления не разграничиваются и условно име­ нуются общим термином «помпаж», или «неустойчивая работа».

Отметим, что момент наступления помпажа в большой степени зависит от равномерности потока на входе в компрессор. Наруше­ ние равномерности может возникать из-за отрыва или сильной турбулизации потока во входной части двигателя, вызываемых слишком большой ее диффузорностью, острыми кромками, поддерживающи­ ми стойками, вмятинами, забоинами и другими обстоятельствами конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Неравномерность поля скоростей перед компрессором может яв­ ляться и следствием значительных углов, составляемых набегающим воздушным потоком с осью входной части при больших углах атаки самолета.

Всякое искажение расчетного распределения скоростей по ра­ диусу или окружности независимо от его происхождения существен­ но сужает диапазон устойчивой работы компрессора. Это объяс­ няется более ранним срывом потока в тех областях, где из-за нали­ чия неравномерности местная скорость становится меньше расчет­ ной и, следовательно, происходит увеличение угла атаки. Поэтому как при конструировании, так и в процессе эксплуатации компрес­ сора необходимо принимать все меры к тому, чтобы поток на входе в него был возможно более равномерным.

Конструкцией и размерами входной части двигателя и воз­ духозаборных каналов самолета определяется, кроме искажения

вид ее характеристики оказывает определяющее влияние на закон изменения входной скорости са , а следовательно, и угла атаки по давлению р а*.

Допустим сначала, что сеть имеет такую характеристику, которая при всех значениях р а* обеспечивает постоянство ско­

2 6 9

ристик занимает все время одно и то же положение и поэтому

репадов давления в реактивном сопле.

Если при дросселировании расход воздуха через сеть умень­

пажа и вероятность последнего снижается.

Таким образом, можно заключить, что для расширения диапа­ зона устойчивой работы компрессора немаловажное значение имеет совершенствование всасывающей системы, которое заключается в уменьшении длины и увеличении диаметра воздухозаборных кана­ лов, более тщательной отделке их стенок, увеличении плавности уча­ стков поворота, устранении источников местной неравномерности потока и т. п.

§ 80. ОСОБЕННОСТИ ПОМПАЖА В МНОГОСТУПЕНЧАТОМ ОСЕВОМ КОМПРЕССОРЕ

Главная особенность развития помпажа в многоступенчатом осевом компрессоре заключается в неодновременности его на­ ступления в отдельных ступенях. В зависимости от значения ппр помпаж появляется сначала в первых или, наоборот, в послед­ них ступенях компрессора. Это объясняется рассмотренным выше влиянием режима работы многоступенчатого осевого ком­ прессора на распределение осевой скорости по его,длине. Как было установлено, в случае е * < е * р на самой низкой относитель­

ной осевой скорости и, следовательно, на больших углах атаки работает первая ступень компрессора, а при е* > е* — послед­

няя. Отсюда вытекает, что на малых приведенных числах обо­ ротов наступление помпажа наиболее вероятно в первых сту­ пенях компрессора. Последние ступени при этом работают на пониженных углах атаки и потому помпаж в них исключен.

270

На больших числах оборотов помпаж должен в первую очередь возникать в последних ступенях.

Следует также отметить, что развитые срывные течения в первой и последней ступенях по-разному оказываются на работе многосту­ пенчатого компрессора. По опытным данным граница устойчивой работы всего компрессора на больших числах оборотов, где интен­ сивный срыв наступает прежде всего в последней ступени, совпа­ дает с собственной границей помпажа этой ступени. Это обстоятель­ ство может быть предположительно объяснено полным отрывом по­ тока в последней ступени из-за большого значения d, разрывом ее характеристики и, как следствие, стимулированием срыва в осталь­ ных ступенях. Необходимо иметь в виду, что в соответствии с харак­ тером изменения осевой скорости по ступеням на больших п макси­ мум степени сжатия при уменьшении расхода достигается сначала в последней ступени и в последнюю очередь в первой. Вследствие этого у компрессора в целом максимум ек* сдвигается по сравне­ нию с последней ступенью в сторону меньших расходов, чем, по-ви­ димому, и можно объяснить наступление помпажа еще на нисходя­ щей ветви напорной характеристики, если считать, что граница устойчивой работы последней ступени располагается вблизи ее мак­ симальной степени сжатия.

На малых числах оборотов, где срывные течения появляются ра­ нее всего в первой ступени, граница помпажа многоступенчатого компрессора оказывается расположенной заметно левее границы помпажа изолированно работающей первой ступени. Для получения неустойчивой работы компрессора в этом случае часто требуется значительное смещение влево от максимума его напорной характе­ ристики. Но так как последний достигается на меньших расходах воздуха, чем максимум степени сжатия первой ступени, то это сви­ детельствует о сохранении устойчивости работы указанной ступени на большом участке восходящей ветви ее напорной характеристики. Отмеченная особенность может быть, по-видимому, связана с про­ грессивным характером отрыва потока в первой ступени, обуслов­ ленным большой длиной ее лопаток, который только совместно с позже возникающим (из-за дальнейшего уменьшения расхода) раз­ витым срывом в последующих ступенях оказывается в состоянии возбудить помпаж в компрессоре.

§ 81. СРЕДСТВА БОРЬБЫ С ПОМПАЖОМ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Несмотря на недостаточную изученность природы помпажа, про­ веденные экспериментальные исследования позволили четко выя­ вить ряд эффективных средств борьбы с этим явлением. Поскольку помпаж возникает в тех случаях, когда рабочая точка в поле харак­ теристик компрессора оказывается лежащей левее границы устойчи­ вой работы, то его устранение может быть достигнуто следующими двумя принципиально различными способами: 1) перемещением ра­ бочей точки по отношению к неизменной границе помпажа в об-

271