Файл: Наумец С.М. Основы теории и устройства авиационных силовых установок конспект лекций.pdf

Рис. 30. Схема обтекания рабочих лопаток компрессора при различных значениях осевой скорости потока Сх и числа оборотов (окружной скорости и)

Аналогичная картина обтекания (турбинный режим) на­ блюдается при уменьшении числа оборотов (окружная ско­ рость уменьшается) при условии сохранения расчетной вели­ чины С| (см. в).

Наиболее опасным режимом работы компрессора является режим, при котором воздушный поток подходит к лопатке под большим положительным углом атаки (см. г). Такой режим обусловливается уменьшением абсолютной скорости потока С\ и сопровождается срывом потока на спинке лопатки, вихревая зона которого полностью закупоривает межлопаточный канал. Такой срыв называют помпажным.

При помпажном срыве компрессор полностью теряет рабо­ тоспособность, т. е. резко падает тс*, двигатель, как правило,

останавливается. Эго явление называют помпажом, или не­ устойчивой работой компрессора.

Непосредственной причиной неустойчивой работы компрес­ сора является рассогласование в работе первых и последних ступеней его при изменении оборотов и температуры воздуха.

Для анализа этого явления (рассогласования) напишем уравнение неразрывности для входа и выхода компрессора:

GBl= 0 B,

48

или

= ®L_ { £*Л' = ( К Г ,

1. Уменьшение числа оборотов при V—const. Уменьшение п приводит к уменьшению it*, а следовательно, к уменьше-

п Ь V с г f I .

скорости воздуха С, на входе и увеличения на выходе из ком­ прессора С2.

Физически это явление можно объяснить так: при уменьше­ нии п уменьшается расход воздуха через компрессор, а значит, уменьшается скорость потока на входе Ci и уменьшается тс*.

и более по сравнению с расчетным режимом, т. е. менее сжато­ му воздуху надо пройти через малые сечения последних ступе­ ней, что возможно за счет увеличения скорости воздуха С2.

Увеличение С2 при уменьшении U приводит к деформации треугольника скоростей на последних ступенях и отклонению вектора относительной скорости W2 в сторону уменьшения угла атаки лопаток.

Одновременно с ростом скорости потока растут гидравличе­ ские потери на последних ступенях (растет сопротивление дви­ жению воздуха), что передается вверх по потоку. За счеК, этих потерь абсолютные скорости потока на всех ступенях, в том числе и на первых, уменьшаются.

Следовательно, уменьшение абсолютной скорости потока на первых ступенях обусловливается, с одной стороны, паде­ нием расхода воздуха через двигатель из-за уменьшения числа оборотов, с другой, — ростом гидравлических потерь на послед­ них ступенях компрессора. Вследствие этого темп уменьшения составляющей С\ опережает темп уменьшения составляющей U в треугольнике скоростей первых ступеней компрессора, так как U является функцией только числа оборотов. Треугольник деформируется так, что угол атаки лопаток первых ступеней увеличивается.

Таким образом, с уменьшением числа оборотов двигателя происходит уменьшение абсолютной скорости потока С\ на пер­ вых ступенях компрессора, и они работают в помпажном режи­ ме (см. г), и увеличение скорости С2 на последних ступенях, и они работают в турбинном режиме (см. б). Компрессор в целом работает неустойчиво.

2. Увеличение температуры воздуха Т* на входе в компрес­

сор. Температура воздуха на входе в компрессор может расти или за счет повышения температуры окружающего воздуха Т„ или за счет скоростного сжатия во входном устройстве:

Т1^Т*н= Тн(1+0,2 АР).

50

С ростом Т\ уменьшается я*, так как нагретый воздух

труднее сжать, и при неизменных оборотах воздух от ступени к ступени недосжимается. Это приводит к рассогласованию сту­ пеней, аналогичному тому, какое имеет место при уменьшении оборотов (помпажный срыв на первых ступенях и турбинный режим — на последних).

3. Понижение температуры воздуха на входе при /i = copst (или уменьшении числа М полета). Понижение температуры на

расход воздуха, а значит, увеличивается скорость потока Сi на входе в компрессор.

Вто же время скорость потока на выходе из компрессора С2 уменьшается, так как более сжатый воздух на выходе, проходя через одни и те же сечения, имеет меньшую скорость, чем менее сжатый.

Вэтом случае также наступает рассогласование в работе первых и последних ступеней компрессора: первые ступени ра­

ботают в турбинном режиме (см. б), а последние — в помпажном (см. г).

Неустойчивая работа компрессора в эксплуатации недопу­ стима, так как в результате ее двигатель может остановиться или даже разрушиться.

В то же время режим и эксплуатационные условия работы двигателей в поЛете непрерывно меняются. Возникает необхо­ димость принимать специальные конструктивные меры, направ­ ленные на ликвидацию рассогласования в работе первых и последних ступеней как источника неустойчивой работы (помпажа) осевого компрессора.

Основными способами борьбы с явлением помпажа много­ ступенчатых осевых компрессоров являются следующие:

корпуса компрессора проделать отверстие и часть сжатого воз­ духа выпускать в атмосферу, то скорость потока на входе уве­ личится, а на выходе, уменьшится. Это как раз и требуется для обеспечения устойчивой работы компрессора, и такой мерой пользуются на практике.

Конструктивно устройство перепуска воздуха в атмосферу выполнено следующим образом. По периметру корпуса комп­ рессора делается ряд окон, прикрываемых специальной сталь­ ной лентой (рис. 31). Окна делаются за одной из средних сту­ пеней компрессора (обычно за 4-й или 5-й), а иногда в 2 ряда.

Рис. 31. Принципиальная схема устройства перепуска воздуха из проточной части двигателя в атмосферу

На расчетном режиме работы двигателя лента плотно за­ крывает отверстия. В случае снижения оборотов до величины, соответствующей началу неустойчивой работы компрессора, лента открывает отверстия, и начинается перепуск воздуха в атмосферу.

Управление лентой сблокировано с системой тяг управления числом оборотов двигателя или производится специальной автоматикой. На компрессорах современных двигателей в автоматике перепуска воздуха в качестве чувствительного эле­ мента используется датчик степени сжатия, который реагирует не только на число оборотов, а и на температуру воздуха на входе в компрессор и на число М полета, так как степень сжа­ тия я* зависит от этих параметров.

2. Применение поворотных направляющих аппаратов перед первыми и последними ступенями компрессора.

Как было показано выше, непосредственной причиной срывных явлений на лопатках рабочего колеса является изменение угла подхода {5 воздушного потока к лопаткам РК. Сущность данного способа предотвращения помпажа заключается в том, что перед первыми и последними ступенями устанавливается специальный ряд поворотных профилированных лопаток, с по­ мощью которых можно менять направление потока воздуха путем их поворота в нужную сторону (рис. 32).

Управление поворотным направляющим аппаратом (НА) производится с помощью автоматики, аналогичной автоматике управления лентой перепуска.

При \уменьшении расхода воздуха (уменьшение скорости воздуха на входе в НА Ci) угол установки лопаток НА надо

52

уменьшать для обеспечения безударного входа воздуха в ра­ бочее колесо, как показано па рис. 32.

Ленты перепуска воздуха и поворотные направляющие ап­ параты часто используются на двигателях одновременно, что позволяет обеспечивать устойчивую работу компрессоров на всем диапазоне оборотов. Однако оба эти способа регулирова­ ния имеют существенные недостатки, такие, как потери энергии при применении ленты перепуска (так как в атмосферу выпу­ скается сжатый воздух, на который уже затрачена работа) и сложность конструкции поворотных направляющих аппаратов.

В настоящее время ' широкое распространение получили двигатели двухроторной конструкции, не требующие специаль­ ной автоматики регулирования компрессоров.

3. Применение двухроторной схемы компрессора — наиболее экономичный и эффективный способ расширения диапазона устойчивых режимов работы компрессора.

Компрессор у двухроторных двигателей (двухвальных, двухкаскадных) состоит из двух, стоящих друг за другом кас­ кадов ступеней, рабочие колеса которых приводятся во враще­ ние от отдельных механически не связанных между собой тур­ бин (рис. 33).

53