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

дасть больших расходов воздуха; это перемещение осуществляется за счет изменения только характеристики сети без воздействия на характеристики компрессора, 2) смещением самой границы помпа- ж а в область меньших расходов воздуха при неизменном положе­ нии рабочей точки; в этом случае необходимое воздействие оказы­ вается на характеристики компрессора, а характеристики сети оставляются прежними.

Необходимость в использовании различных средств борьбы с помпажом возникает, с одной стороны, при доводке компрессора, так как в процессе проектирования определение границы помпажа, а также и характеристики сети возможно лишь приближенно, а с другой стороны, при эксплуатации компрессора.

Уменьшение сопротивления сети

Если на каком-либо числе оборотов компрессора рабочая точка а (рис. 140а) при исходном сопротивлении сети попадает в область неустойчивых режимов, то 'ее перемещение в положение, например, Ь, необходимое для прекращения помпажа, может быть осуществле­ но путем уменьшения сопротивления сети (достигаемого в случае

Рис. 140. Устранение помпажа уменьшением сопро­ тивления сети

ТРД за счет увеличения площади реактивного сопла или изменения площади соплового аппарата турбины), так как при этом характе­ ристика последней становится более пологой. Рассматриваемый спо­ соб ликвидации помпажа связан с увеличением количества воздуха, поступающего к местам потребления, что иногда может оказаться нежелательным. Кроме того, при одинаковом для всех режимов ком­ прессора уменьшении сопротивления сети расход воздуха увеличи­ вается не только на тех числах оборотов, где это действительно не­ обходимо, но и на всех других значениях п, вызывая падение сте­ пени сжатия и к. п. д. компрессора. В связи с последним обстоятель­

?7 2

ством более целесообразным является плавное иши в крайнем слу­ чае ступенчатое регулирование сети, при котором ее сопротивление уменьшается не на всех, а лишь на опасных с точки зрения помпажа режимах (рис. 1406).

Перепуск воздуха за компрессором

Перепуск части сжатого воздуха на выходе из компрессора • в атмосферу или обратно на всасывание и его влияние на поло­

Следовательно, расход воздуха через компрессор увеличивается до значения G / — G'c + AG, благодаря чему рабочая точка пере­ мещается из исходного положения а в & и помпаж устраняется. Достоинства перепуска за компрессором состоят в сохранении преж­ него поступления воздуха к местам потребления и в возможности включения перепуска лишь на тех числах оборотов, где наблюдается помпаж. Недостатком является значительная потеря энергии, обус­ ловленная выпуском в атмосферу сильно сжатого воздуха, в связи

1 Некоторое изменение расхода воздуха через основную сеть обусловли­ вается изменением давления р** на выходе из компрессора, связанным с его переходом на новый режим работы.

с чем перепуск за компрессором наиболее целесообразно использо­ вать в случае возникновения помпажа в последних ступенях, т. е. в области высоких степеней сжатия.

Промежуточный перепуск воздуха

У современных ТРД с высокой степенью сжатия компрессора помпаж наиболее часто наблюдается на пониженных по сравнению с расчетным значением приведенных числах оборотов, на которых «источником неустойчивой работы являются первые ступе'ни. В этом

корпуса, пропуская часть сжатого воздуха в атмосферу (рис. 142). В отличие от двух первых мероприятий промежуточный перепуск оказывает воздействие не на характеристики сети, а на характери­ стики-самого компрессора и в том числе на расположение границы помпажа. Для выявления этого воздействия сравним условия ра­ боты отдельных ступеней при закрытой и открытой ленте, считая в обоих случаях одинаковым расход воздуха через сеть, что может

быть обеспечено должным изменением ее сопротивления.

...- При принятом условии постоянства расхода на выходе из ком­ прессора открытие ленты увеличивает весовой расход воздуха через все расположенные до нее ступени. Это обстоятельство вызывает возрастание осевой скорости на входе в первую ступень и, если она работает на нисходящей ветви своей напорной характеристики, при-

2 7 4

водит к падению ее степени сжатия. Еще в большей степени из-за одновременного увеличении расхода и уменьшения удельного веса воздуха увеличиваются при этом осевые скорости на входе в после­ дующие ступени, благодаря чему степень сжатия всех предшествую­ щих ленте ступеней снижается. Одновременно вследствие некоторого роста осевых скоростей, обусловленного уже только уменьшением удельного веса, уменьшается степень сжатия и группы ступеней, на­ ходящихся за лентой. Следовательно, общая степень сжатия ком­ прессора при открытии ленты падает, что и отражено на рис. 142, где характеристики компрессора построены в функции весового рас­ хода на выходе из него. Помпаж первых ступеней компрессора на­ ступает в случае открытой ленты на меньших весовых расходах (на выходе), чем при закрытой. Поэтому промежуточный перепуск, кро­ ме снижения степени сжатия, сдвигает также влево границу пом-

.пажа компрессора (рис. 142).

Следует заметить, что в отдельных "случаях открытие антипомпажной ленты может сопровождаться и увеличением степени сжатия компрессора. Это возможно, в частности, на очень малых числах оборотов вблизи границы помпажа, где, как указывалось, устойчи­ вая работа первых ступеней иногда наблюдается на режимах, распо­ ложенных значительно левее максимумов их напорных характери­ стик. На этих режимах промежуточный перепуск в связи с располо­ жением рабочих точек первых ступеней навосходящих ветвях ха­ рактеристик приводит к повышению их степени сжатия, что может вызвать и возрастание е.* компрессора.

Достоинства промежуточного перепуска, как средства -борьбы с неустойчивой работой компрессора на малых числах оборотов, за­ ключаются в следующем. Во-первых, промежуточный перепуск

впротивоположность перепуску на выходе увеличивает осевые ско­ рости не во всей проточной части компрессора, а в основном только

впервых ступенях, где это действительно необходимо для устране­ ния помпажа. Последние ступени в области низких, чисел оборотов

ибез того работают на высокой осевой скорости и поэто'му 'дИЛьней1шее ее увеличение только ухудшило бы условий 'их ' работь!,

вызвав падение степени сжатия и к. п. д. Во-вторых, при промежу­ точном перепуске воздух выбрасывается в атмосферу с более низким давлением, благодаря чему на его сжатие затрачивается меньшая мощность, чем при перепуске после компрессора. Указанные преиму­ щества и определили -широкое использование промежуточного пере­ пуска на авиационных осевых компрессорах.

Для обеспечения устойчивой работы компрессора во всем диапа­ зоне режимов, встречающихся в эксплуатации, часто приходится устанавливать не одну, а несколько антипомпажных лент после раз­ личных ступеней компрессора. Потребное число лент, их местополо­ жение, последовательность открытия и количество перепускаемого воздуха определяются опытным путем.

Изменение углов установки неподвижных или рабочих лопаток

Одним из часто используемых при доводке компрессора средств борьбы с помпажом является изменение конструктивных углов уста­ новки лопаток спрямляющих (а также направляющего) аппаратов или рабочих колес. Это изменение производится с таким расчетом, чтобы при данном расходе воздуха было обеспечено уменьшение уг­ ла атаки иа входе в решетки профилей отдельных элементов ком­ прессора. Поэтому выходные кромки, например, лопаток НА силь­ нее наклоняются в сторону вращения ротора (рис. 143а), благодаря чему поточный угол Pi увеличивается, а угол атаки на входе в ко­ лесо соответственно уменьшается. Необходимое направление пово­

Рис; 143. Устранение помпажа изменением углов уста­ новки неподвижных или рабочих лопаток

рота лопаток РК и СА показано также на рис. 143а. При таком из­ менении углов установки лопаток компрессора большие углы атаки, соответствующие сильноразвитому срыву потока со спинки про­ филя, достигаются на меньших расходах воздуха и потому граница помпажа смещается влево. Одновременно при данном расходе из-за уменьшения угла атаки снижается закрутка потока в колесе, что приводит к падению степени сжатия компрессора (рис. 1436).

На практике для устранения помпажа при доводке компрессора большей частью используется изменение углов установки лопаток НА или СА, как наиболее простое в конструктивном отношении.

Применение спрямляющих аппаратов с поворотными лопатками

Этот способ борьбы с помпажом основан на том же принципе, что и предыдущий. Разница заключается только в том, что в данном случае лопатки СА (или НА) не закрепляются в фиксированном по­ ложении, а имеют возможность поворачиваться вокруг своей оои в

276

соответствии с изменением режима компрессора. Поворотные ло­ патки СА и НА обеспечивают не только сдвиг точки начала помпажа в сторону меньших расходов воздуха, но одновременно и более бла­ гоприятное протекание характеристик компрессора. В области ма­ лых расходов воздуха, в которой углы атаки превосходят наивыгод­ нейшие значения, поворот лопаток используется для их уменьшения. Благодаря этому к. п. д. компрессора повышается, а его степень сжатия из-за уменьшения внутренней работы несколько падает. В области же больших расходов воздуха за счет поворота лопаток достигается увеличение углов атаки, так как это дает возможность

с помпажом, но и удобным способом регулирования выходных дан ­ ных компрессора при постоянном числе оборотов. Практическое ис­ пользование поворотных лопаток СА может оказаться, особенно це­ лесообразным тогда, когда температура Та* на входе в компрессор изменяется в широком диапазоне, а регулирование режима работы компрессора за счет изменения его фактического числа оборотов по каким-либо соображениям нежелательно. В этом случае приведен­ ное число оборотов изменяется в очень широких пределах, что не­ редко приводит к неприемлемым значениям к. п. д., .числа Мв на входе в компрессор и других его параметров. Один из возможных способов устранения этого недостатка и заключается в постановке на компрессор спрямляющих аппаратов (одного или нескольких) с поворотными лопатками.

Выполнение компрессора по двухроторной схеме

К числу главных достоинств двухроторного осевого компрессора, определивших его сравнительно широкое применение в авиационных двигателях, относится меньшая склонность этого компрессора к пом-

2 7 7

•пажу, т. е. более широкий диапазон устойчивой работы по расходу воздуха. Отмеченное преимущество двухроторной схемы объяс­ няется возможностью несинхронного изменения числа оборотов двух групп ступеней, которые мы в дальнейшем будем называть компрес­ сорами низкого (КЫД) и высокого давления (КВД). Раздельное изменение числа оборотов КНД и КВД позволяет добиться лучшей согласованности работы отдельных ступеней на нерасчетных режи­ мах и за счет этого расширить зону устойчивой работы компрессора.

Целесообразный закон изменения числа оборотов роторов в за­ висимости от требуемой степени сжатия и его влияние на располо­ жение границы помпажа нетрудно установить, исходя из выявлен-

Рис. 145. К сравнению однороторной и двухроторной схем осе­ вого компрессора

ного ранее распределения осевых скоростей по ступеням одноротор­ ного компрессора на нерасчетных режимах и, в частности, на гра­ нице помпажа.

Перемещению рабочей точки в поле характеристик одноро­ торного компрессора вдоль границы помпажа соответствует определенная зависимость между приведенным числом оборотов Ппр и степенью сжатия, изображенная в качестве примера на рис. 145а кривой 1. В нижней части этой кривой, где ппр меньше расчетного значения, помпаж, как указывалось, вызывается пер­ выми ступенями, что связано с наиболее быстрым снижением осевык скоростей в этих ступенях и, следовательно, с их рабо-

тому что. в,.игре., осевые скорости уменьшаются медленнее, чем окружная. .Для..того чтобы восстановить нарушенное соответст­ вие между . .скоростями са и гг в первых ступенях, число обо­ ротов их требуется уменьшить. Но поскольку это приведет к

2 7 8