Срывные и неустойчивые режимы работы компрессора

Вращающийся срыв в компрессорах, надроторные устройства.

На рис. 6.15 сплошными линиями показаны треугольники скоростей на пониженном режиме. Видно, что при переходе от исходного к пониженному режиму углы атаки на входе в первую ступень увеличиваются, а на входе в последнюю ступень умень­шаются. На входе в среднюю ступень углы атаки практически не изменяются. Иными словами, при снижении частоты вращения ротора первые ступени нагружаются, а последние разгружаются по углам атаки.

При увеличении частоты вращения картина будет обратной: ­ разгружаются передние и нагружаются задние ступени. Та­кой характер изменения режима обтекания лопаточных венцов обусловливает и особенности возникновения и развития срывных течений в многоступенчатых компрессорах.

При высоких частотах вращения значительное дроссели­рование приводит к появлению критических углов атаки в по­следних ступенях и при дальнейшем дросселировании - к срыву потока в этих ступенях. Возникновение срыва в одной из по­следних ступеней сопровождается образованием срывной зоны значительных размеров вследствие больших относительных диаметров втулок (d_вm = 0, 7...0, 85 и более), при которых тре­угольники скоростей почти не изменяются по высоте лопатки и углы атаки достигают критических значений сразу по всей её высоте.

Срывная зона создает сильный дросселирующий эффект, который приводит к распространению срыва на все остальные ступени. В результате образуется мощная срывная зона, прони­зывающая все ступени и охватывающая в отдельных случаях около половины окружности. Вращается срывная зона с относи­тельной угловой скоростью ω = 0, 1...0, 4, где ω = ω /Ω; со - угло­вая скорость вращения срывной зоны; Ω - угловая скорость вращения ротора компрессора.

Через срывную зону (как через своеобразную “газодина­мическую трубу”) происходит выброс сжатого и нагретого воз­духа с выхода на вход в компрессор.

При пониженных частотах вращения срывные явления разви­ваются следующим образом. Дросселирование компрессора приводит к появлению критически углов ата­ки на первых ступенях. Поскольку они имеют относительно длинные лопатки или, по-другому, малые относительные диаметры втулок (d_m = 0, 3...0, 6), то на критических углах атаки срывные зоны первоначально имеют небольшие размеры, захватывающие часть высоты лопаток первых ступеней, что не нарушает устой­чивую работу всего компрессора. Такая картина определяется значительными отличиями треугольников скоростей по высоте лопаток. Дальнейшее дросселирование приводит к развитию срывной зоны, увеличению углов атаки в нескольких ступенях и к одновременному срыву потока во всем компрессоре.

Таким образом, на характеристике компрессора можно выделить три диапазона частот вращения, в каждом из которых срыв потока в компрессоре определяется первоначальным (ини­циирующим) срывом в различных группах ступеней (рис. 6.16).

В первом диапазоне граница устойчивости определяется срывом потока в последних ступенях.

Во втором диапазоне нарушение устойчивости вызывает­ся срывом в одной из первых или средних ступеней.

В третьем диапазоне срыв возникает в первых ступенях, причем вначале (в заштрихованной области) компрессор в целом работает устойчиво. Срыв проявляется в виде повышенных пульсаций потока, особенно за первыми ступенями. Это область вращающегося срыва.

Надроторное устройство (НУ) турбины, отвечает за радиальный зазор (РЗ) – расстояние между концом подвижной лопатки турбины и элементом статора.

Радиальный зазор на работающем двигателе изменяется при различном изменении размеров ротора и статора, а также изменяется при эволюциях самолёта. Стараются заложить в конструкцию двигателя такой РЗ, при котором лопатки не касаются корпуса. РЗ на различных режимах изменяется по-разному, в связи с этим возникают сложности с выбором РЗ и управлением в процессе работы двигателя.

Для турбины с лопатками без бандажных полок существует линейная зависимость: увеличение на 1% относительной величины РЗ (величина зазора, отнесённая к средней высоте лопатки) приводит к уменьшению на 1-2% КПД турбины [1]. Вследствие наличия зазора и разности давлений газа на спинке и корыте лопатки происходит перетекание газа через зазор. Перетекающий газ не вносит свой вклад в мощность турбины, а создаваемый вихрь за лопаткой ухудшает режим обтекания последующий лопаточных венцов.

Таким образом, для увеличения КПД турбины необходимо отсутствие РЗ, а для предотвращения касания лопаток о статор - наличие выбираемого зазора.

Рассматриваемое НУ используется в турбине высокого давления (ТВД). Величина РЗ в холодном состоянии двигателя составляет 1-2 мм, рабочий зазор составляет около 0, 6 мм.

На рисунке 1 представлено НУ в окружении соседних элементов двигателя: корпус ТВД 1, рабочая лопатка ТВД 2, корпус надроторного устройства 3 и проставка 4. Полости 5 и 6, транслирующие охлаждающий воздух, разъединены клапаном 7.

Рисунок.1 – Конструкция надроторного устройства

В полость 8 воздух поступает через пистоны 9. Для равномерного распределения воздуха над проставкой, в этой полости установлены два типа дефлекторов – перфорированных пластин 10. Из полости 8 охлаждающий воздух через отверстия в проставке 4 проходит в проточную часть. Кожух 11 является тепловым экраном фланца ТВД и препятствует резкому изменению температуры фланца.