Тема №12 АД. Лекция Общие сведения о компрессорах. Учебные и воспитательные цели в результате изучения данной темы студенты должны

• Название: Лекция Общие сведения о компрессорах. Учебные и воспитательные цели в результате изучения данной темы студенты должны
• Дата: 04.10.2021
• Размер: 1.78 Mb.
• Имя файла: Тема №12 АД.docx
• Тип: Лекция; #241128
• страница: 1 из 5

Лекция № 2. Общие сведения о компрессорах.
Учебные и воспитательные цели: В результате изучения данной темы студенты должны:

Иметь представление: Об общей компоновке компрессоров авиационных ГТД.

Знать: Основные технические данные и удельные параметры компрессора;

Уметь: Применять полученные знания при практической эксплуатации авиационной техники.
Учебное время: 2 часа.

Место проведения: Класс.
Литература:

1. Лебедев А.А. «Основы авиационной техники», ч. I, – М.: Воениздат, 2007 г.

2. Тихомиров Ю.П. «Основы конструкции и эксплуатации авиационного турбореактивного двигателя», М.: Воениздат, 1972 г.

3. Нечаев Ю.Н. «Теория авиационных двигателей», – М.: Воениздат, 2006 г.

№ п/п	Наименование	Отведенное время, мин
I	Вводная часть	5
II	Основная часть	75
1.	Схема и принцип действия ступени осевого компрессора.	25
2.	Характеристики компрессоров.	25
3.	Срывные и неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров.	25
III	Заключительная часть	10
1.	Подведение итогов занятия	3
2.	Ответы на возникшие вопросы	5
3.	Задание на самоподготовку	2

I. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин.
Перед началом занятия проверить наличие и внешний вид курсантов. Пояснить порядок изучения темы. Особое внимание обратить на качество ведения конспектов. Объяснить, что изучение данной темы является важным этапом при освоении новой специальности.
II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ – 75 минут
Довести учебную цель, вопросы, выносимые на данное занятие.
Вопрос № 1. Схема и принцип действия ступени осевого компрессора.
Компрессором ГТД называется лопаточная машина, в которой воздуху сообщается энергия, идущая на повышение полного давления.

Классификация компрессоров.

Классификация по направлению течения воздуха:

- осевые (течение воздуха примерно параллельно оси компрессора);

- центробежные (течение воздуха в радиальном направлении от оси
к периферии);

- диагональные (течение воздуха в промежуточном направлении, между осевым и радиальным);

- комбинированные, то есть сочетающие ступени двух
из вышеперечисленных типов, например, осевые ступени и одна центробежная, диагональная и осевая ступени.

Классификация компрессоров по количеству каскадов.

По числу каскадов осевые компрессоры подразделяются на следующие виды:

- однокаскадные;

- двухкаскадные;

- трехкаскадные.

Классификация осевых компрессоров по схеме проточной части.

С постоянным наружным диаметром. При такой схеме компрессор имеет технологичный цилиндрический корпус; к последним ступеням компрессора средний диаметр увеличивается и поэтому увеличивается средняя окружная скорость, возрастает напорность ступеней и уменьшается их потребное число. Однако лопатки последних ступеней получаются короткими, что ведет к снижению КПД.

С постоянным внутренним диаметром. Достоинством является технологический цилиндрический ротор; кроме того, более длинные лопатки последних ступеней, чем в схеме Dк = const, позволяет повысить КПД. Недостатки схемы – увеличение радиального зазора при осевых перемещениях ротора; уменьшение среднего диаметра, а, значит,
и уменьшение напорности от первой к последней ступени.

С постоянным средним диаметром. Это конструктивная схема компрессора занимает промежуточное положение между двумя рассмотренными выше и часто обуславливается удобством конструктивной компоновки компрессора, особенно в ТРДД.

С комбинированной схемой проточной части. Например, первые ступени имеют схему Dср = const, последние ступени – Dк = const.
При использовании этой схемы компрессор обладает достоинством
и недостатками, свойственными компрессорам с проточными частями его составляющих.

Классификация ступеней осевого компрессора по режиму течения
в межлопаточном канале.

Ступени компрессора подразделяются на дозвуковые, трансзвуковые
и сверхзвуковые.

В дозвуковой ступени относительная скорость воздуха на входе в РК
и абсолютная скорость на входе в НА меньше скорости звука по всей высоте лопатки, а в сверхзвуковой ступени – больше скорости звука,
а в трансзвуковой ступени указанные скорости изменяются по высоте лопатки от скорости, меньшей скорости звука, до скорости, большей скорости звука.

Компрессор со сверхзвуковыми ступенями имеет меньше число ступеней, чем с дозвуковыми, для создания одного и того же значения Пк^*, следовательно, и меньшую массу, но обладает менее благоприятным протеканием характеристик. Поэтому требуется более трудоемкая доводка для обеспечения необходимой газодинамической устойчивости.

Рассмотрим физику процесса повышения давления воздуха в осевом компрессоре. В современных ГТД применяют многоступенчатые осевые компрессоры. Поскольку принцип сжатия воздуха в ступенях компрессора остается одним и тем же, достаточно рассмотреть работу одной ступени осевого компрессора.

Ступень осевого компрессора состоит из вращающегося рабочего колеса (РК) и расположенного за ним неподвижного направляющего аппарата (НА).

Рабочее колесо ступени осевого компрессора представляет собой вращающийся лопаточный венец, передающий энергию потоку воздуха.

Направляющий аппарат представляет собой неподвижный лопаточный венец, установленный за рабочим колесом ступени и предназначен
для изменения величины и направления скорости потока воздуха.

Перед первым рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА).

Все струйки воздуха, входящие в ступень, например, на среднем радиусе "R_кр", движутся по поверхности тока, близкой по форме цилиндрической.

Рассечем ступень этой цилиндрической поверхностью, которую затем мысленно разрежем по образующей и развернем на плоскости (показать
на макете двигателя), получим при этом решетку профилей РК и НА.

Перед вычерчиванием профиля лопаток необходимо пояснить,
что расстояние между передними кромками двух соседних лопаток равно расстоянию между задними кромками, но, за счет кривизны профиля, оказывается, что площадь проходного сечения на входе меньше, чем на выходе (канал диффузорный).

Показать на рис. 5, что f_1PK < f_2PK у РК. Тоже самое и в НА, т.е. f_2НА < f_3НА.


Рис. 3. Схема ступени осевого компрессора.
Принцип построения треугольников скоростей.

Воздух, проходя через вращающееся РК с абсолютной скоростью (с) участвует в двух движениях:

• 
  относительном движении (относительно стенок межлопаточных каналов РК) с относительной скоростью (w);
  
• 
  в переносном движении (вместе с вращающими РК) с окружной скоростью (u).
  

Рис. 4. Треугольники скоростей воздуха в ступени.
Абсолютная скорость (С) равна векторной сумме относительной (W) и окружающей (U) скоростей: .

Построить на рис. 5 треугольник скоростей в сечении (1-1). Вектор W образует с касательной к средней линии профиля лопатки угол "" – угол атаки.

Принцип работы ступени.



Рис. 5. Схема течения воздуха в ступени осевого компрессора.

А) в РК: С₂>C₁, т.к.

, т.к.

, т.к. и

Сопровождать объяснение построением диаграммы ниже решетки профилей РК.

Построить треугольник скоростей на выходе из РК.

Б) в НА: , т. к.

, т.к. (кинетическая энергия, накопленная в РК, преобразуется в энергию давления).

Построить диаграмму для НА. Показать С3

Для многоступенчатого осевого компрессора

, т.к. для выполнения , необходимо

;



Рис. 6. Усилия на лопатках рабочего колеса.
При обтекании потоком лопаток РК, на них возникают (на каком то радиусе) аэродинамическая сила, осевая составляющая которой Р_а передается на упорный подшипник вала и участвует в создании силы тяги, а окружная составляющая Р_к препятствует вращению РК.

Для преодоления силы к валу РК и должен подводится крутящий момент от турбины.

Работа сверхзвуковой ступени

Характерным параметром ступени, определяющим особенности обтекания лопаток РК является число М_W потока на внешнем диаметре РК , где W и , соответственно, относительная скорость, и местная скорость звука в потоке воздуха перед РК на внешнем диаметре.

В зависимости от величины числа М осевые ступени подразделяются на:

• 
  дозвуковые (М_W1=0,85…0,90);
  
• 
  околозвуковые (М_W1=0,9…1,3);
  
• 
  сверхзвуковые (М_W1=1,3…1,35).
  

Известно, что при обтекании тела сверхзвуковым потоком возникает скачек уплотнения. В сверхзвуковой ступени возникает скачек уплотнения перед каждой лопаткой.

Лопатки РК сверхзвуковой ступени имеют острые передние кромки.

Пройдя через скачок уплотнения, поток становится дозвуковым, давление при этом растет.

В современных ГТД сверхзвуковых самолетов применяются достаточно широко, т.к. степень повышения давления воздуха у них выше, чем у дозвуковых.

Для сравнения

Таким образом, при заданном значении π_к потребное количество сверхзвуковых ступеней меньше, чем дозвуковых, что уменьшает осевые размеры компрессора.

У современных ГТД не все ступени ОК являются сверхзвуковыми,
а только первые (например, у двигателя Р11Ф-300 из 6 ступеней первые три сверхзвуковые).

Это связано с тем, что по мере роста давления по ступеням, растет и температура воздуха. А так как а=20,1 ,то при росте температуры будет расти и местная скорость звука.

Темп роста "а" на последних ступенях опережает темп роста "W", поэтому последние ступени ОК как правило дозвуковые.

Вывод: В изученном вопросе познакомились с принципом работы ступени осевого компрессора.

Вопрос №2 Характеристики компрессоров.
Уравнение энергии для компрессора: L_вк = C_р*(T_к^*-T_в^*)

К основным параметрам компрессора относятся:

- степень повышения давления – π_к;

- секундный расход воздуха - Gв;

- коэффициент полезного действия - _{ад. к}

1) Степенью повышения давления π_к (напорностью) компрессора называется отношение давления воздуха на выходе из компрессора (P_к)
к давлению на входе в компрессор (P_в): π_к = р_к/р_в или π_к^* = р_к^*/р_в^*.

Для современных ГТД π_к = 3…35. Обычно π_к в одной ступени осевых компрессоров не превышает значений π_ст^*=1,3…1,5. В одноступенчатых вентиляторах ТРДД она она может достигать 1,6…1,7 и более [1].

Для двигателя Р25-300 π_к = 9,1, для АЛ-31Ф π_к = 23,0.

2) Секундный расход воздуха через компрессор современных ГТД достигает 200 кг/с, для двигателя P25-300 Gв = 68 кг/с, для АЛ-31Ф
Gв = 112 кг/с.

3) Коэффициент полезного действия компрессора характеризует совершенство процесса сжатия. Адиабатический КПД _к^*= L_ад.к^*/L_к [2 с. 70]

где L_ад.к.^* - адиабатическая работа, необходимая для сжатия воздуха
(в идеальном процессе, без потерь)

L_к - работа, необходимая для сжатия в реальном процессе (с учетом потерь).

Значение _к^* в первых ступенях компрессора современных ГТД имеют порядка 0,83…0,85, а в средних ступенях достигают 0,88…0,92, что свидетельствуют об их достаточно высоком совершенстве.

КПД компрессоров с дозвуковыми ступенями обычно достигает 0,86…0,84 [1 с. 112].

Для двигателей: Р25-300 _к^*_кнд=0,84; _к^*_квд=0,835;

АЛ-31Ф _к^*_вент=0,81; _к^*_квд=0,888.

Основными требованиями к компрессорам ГТД являются [1 с. 57]:

– минимально возможные габариты и масса при данном расходе воздуха;

• 
  устойчивая работа во всем диапазоне режимов работы и условий полета;
  
• 
  минимальные гидравлические потери;
  
• 
  высокий КПД;
  
• 
  высокая надежность и живучесть;
  
• 
  технологичность. Выполнение этого требования особенно важно потому, что компрессор имеет большое число однотипных деталей – лопаток;
  
• 
  удобство контроля технического состояния. Техническое совершенство компрессора в значительной степени определяет качество
  и эффективность всего двигателя.
  

Проектирование компрессора производится для определенного режима его работы, который называется расчетным режимом, и определенных условий полета. В условиях эксплуатации компрессор работает на различных режимах и в различных условиях полёта. Отсюда возникает необходимость определения параметров компрессора во всём диапазоне эксплуатационных условий. Для этого широко применяются характеристики компрессоров.

В зависимости от способа изображения различают нормальные и универсальные характеристики.

Характеристиками компрессора называются зависимости степени повышения давления и КПД компрессора от частоты вращения и расхода воздуха.

Характеристика компрессора может быть получена либо расчетным путем, либо экспериментально. Наиболее надежным способом получения характеристик является эксперимент. Простейшая схема стенда для определения характеристики компрессора приведена на рис. 1. Компрессор 6 приводится во вращение электродвигателем 5 через мультипликатор 4. Воздух поступает в компрессор через коллектор 1, который имеет специально спрофилированный плавный вход для создания равномерного поля скоростей перед компрессором и используется одновременно для измерения расхода воздуха. Из компрессора воздух поступает в ресивер 3, за которым находится дроссельная заслонка 2, имитирующая сопротивление газового потока тракта двигателя.

Рис. 1. Схема стенда для экспериментального определения характеристики компрессора.
Изменяя положение дроссельной заслонки при постоянной частоте вращения ротора, получают зависимость степени повышения давления π_к^* от расхода воздуха G_в, которую называют напорной кривой.

Расход воздуха через компрессор уменьшают до наступления неустойчивой работы. При этом появляются резкие колебания давлений и скоростей потока воздуха в компрессоре, характерный шум и вибрация компрессора.

По данным испытаний компрессора можно построить его характеристику по расходу воздуха, т. е. зависимость π_к^* и _к^* от G_в при имевших место в процессе испытаний значениях n, р_в* и Т_в* (рис. 2).
При некотором среднем положении дросселя режим работы компрессора изображается на рис. 2 точкой а. При прикрытии дросселя давление за компрессором и соответственно π_к^* обычно растут, а расход воздуха падает, режим компрессора перемещается в точку «б». При еще более значительном уменьшении G_в работа компрессора становится неустойчивой - точка «г», являющейся границей устойчивой работы при данной частоте вращения. Если открывать дроссель, давление воздуха за компрессором и π_к^* будут падать,
a G_в увеличиваться. Режим работы компрессора перейдет, например, в точку «в». При еще большем открытии дросселя падение π_к^* продолжается, но G_в возрастает незначительно или даже остается неизменным — на характеристике появляется вертикальный участок. Если и дальше продолжать открывать дроссель, снижение π_к^* будет происходить только до значения, отмеченного на рис. 2 точкой «з», в которой из-за увеличения скорости воздуха на выходе из компрессора скорость в горловинах каналов выходного (спрямляющего) аппарата последней ступени достигает скорости звука и поэтому дальнейшее открытие дросселя уже не изменяет режима работы компрессора (происходит «запирание» компрессора по выходу).

Если провести испытания компрессора при нескольких значениях частоты вращения, получим полную характеристику компрессора при данных условиях на входе (рис. 3). Чем выше частота вращения, тем круче становятся характеристики и протяженнее их вертикальные участки.

В условиях эксплуатации значения р_в* и Т_в* могут изменятся в достаточно широких пределах. Изменение давления р_в* приводит к пропорциональному изменению давления р_к*, и степень повышения давления в компрессоре π_к^* не изменится. Изменится только расход воздуха через компрессор, и напорная кривая на характеристике компрессора будет смещаться эквидистантно. Изменение температуры воздуха Т_в* на входе в компрессор приведет к изменению как расхода воздуха G_в,, так и степени повышения давления в компрессоре π_к^*. При увеличении температуры плотность воздуха уменьшается, вследствие чего и уменьшается и расход воздуха. Нагретый воздух занимает большой объем, и при постоянной частоте вращения ротора (т.е. при постоянной работе сжатия) его сжать до меньшего давления – π_к^* уменьшается. Следовательно, нормальные характеристики будут справедливы только для условий на входе в компрессор, при которых они снимались. Для всесторонней оценки экспериментальных качеств компрессора необходимо иметь множество таких характеристик, снятых при различных условиях на входе. Поэтому нормальные характеристики широкого практического применения не нашли, а служат лишь основанием для построения универсальных характеристик, которые можно использовать при любых условиях на входе в компрессор.

Универсальные характеристики строятся на основе теории подобия газовых потоков.

Подобными режимами работы компрессора называются такие режимы, на которых поля скоростей, давлений и температур воздуха в одних и тех же сечениях будут пропорциональны. Режимы работы компрессора будут подобными, если они имеют одинаковые числа М, вычисленные по окружной скорости – М_и = , и по осевой скорости М_а = . На подобных режимах значенияπ_к^* и_к^* остаются постоянными, так как они выражаются только через отношения давлений и температур на входе и выходе из компрессора. Поэтому если построить характеристики компрессора не в параметрахG_в и п, а в параметрах подобия М_а и М_и, то они не будут зависеть от условий на входе и будут универсальными. Но для практического использования параметры подобия М_а и М_и не всегда удобны. Поэтому для построения характеристик используют пропорциональные им величины:
G_Впр=G_В ;
n_пр=n ,
называемые приведённым расходом воздуха и приведённой частотой вращения.

По этим формулам любой режим работы компрессора "приводится" к стандартным атмосферным условиям: Тн = 288К, Рн = 101300 Па.

Параметры G_Впр и n_пр имеют размерность расхода воздуха и частоты вращения.

Вывод: По внешнему виду универсальные характеристики не отличаются от нормальных. Они пригодны не только для компрессора, на котором снимались, но и для других, геометрически подобных ему компрессоров. Это позволяет строить характеристики компрессоров на основе испытаний их моделей, а также использовать существующие характеристики для создания новых компрессоров.
Вопрос № 3. Срывные и неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров


Расчетный режим характерен тем, что только на этом режиме лопаточный аппарат наилучшим образом соответствует кинематике потока, т.е. обеспечивает беспрерывное обтекание лопаток рабочих колес
и направляющих аппаратов ступеней компрессора.

На рис.1 точка "Р" – это расчетный режим.

Параметры: G_Впр = G_{Впр "Р"}, π_к^* = π_к^*_"Р", α = α_опт, α_опт = 0…5°

Однако в процессе эксплуатации компрессор может работать
в условиях, отличных от расчетного режима, то есть на нерасчетных режимах. Отклонения режима работы компрессора от расчетного режима может быть вызвано изменением частоты вращения ротора, скорости и высоты полета самолета и т.д.

Таким образом, в условиях эксплуатации параметры воздушного потока перед компрессором Р_В и Т_В, а также частоты вращения n и расход воздуха G_В изменяются в широком диапазоне. Соответственно изменяются π_к^* и η_ад.к^*.

Изменяются также углы атаки набегающего потока на профиль лопаток и треугольники скоростей. В ряде случаев эти отклонения режима работы компрессора от расчетного сопровождаются его неустойчивой работой.

Анализ влияния изменения расхода воздуха на работу компрессора при постоянной частоте вращения его ротора

Анализ будем проводить при стандартных условиях на входе в компрессор (Т_В=288 К, Р_В=101300 Па). Тогда G_ВПР=G_В, n_ПР=n.

1) Допустим, что расход воздуха через компрессор увеличился (открыли заслонку), тогда режим работы компрессора (точка "Р") переместится вниз по напорной линии в точку "а" (см. рис.1).

Условия в точке "а": n_пр"а"=n_пр"Р", G_Впр"а"> G_Впр"Р", ,

Увеличение расхода воздуха через компрессор приведет к тому, что осевые скорости потока воздуха на всех ступенях будут возрастать, так как

G_В=С_n_nF_n отсюда

Возрастание осевых скоростей С_n будет проходить не только за счет увеличения секундного расхода воздуха, но также и за счет снижения плотности воздуха _n.

Снижение плотности воздуха _n объясняется тем, что увеличение расхода G_В приводит к снижению степени повышения давления воздуха в компрессоре _К^* (см. рис. 1) так как при той же подводимой к потоку воздуха работе (n=const) массовый расход его увеличится. Причем возрастание осевых скоростей С_n будет сопровождаться их увеличением от первой до последней ступени, т.е. С₁<C₂<…<C_z; z – ступень компрессора. Это объясняется тем, что воздух "недожимается" от ступени к ступени, а, следовательно, его плотность _n от ступени к ступени снижается, т.е. ₁>₂>…_z.

Рост осевых скоростей С приведет к уменьшению углов атаки _n на профилях лопаток всех ступеней компрессора. Треугольник скоростей, соответствующий режиму работы компрессора в точке "а", изображен на рис.2.

На этом рисунке с целью его упрощения расчетный угол атаки _n=0. Угол атаки, соответствующий режиму в точке "а" - _"а"<_"Р" – стал отрицательным. Если и дальше увеличивать расход воздуха, то угол атаки, особенно на профилях лопаток "последних ступеней" компрессора, по своей абсолютной величине может превзойти критический, т.е.



В этом случае произойдет "срыв" с вогнутой части профиля лопатки (см.рис.2) вверху. Компрессор в этом случае будет работать устойчиво, хотя и с меньшим КПД, чем на расчетном режиме.



Характер изменения углов _n при G_В<G_ВР показан на рис.3.

2) Допустим, что расход воздуха через компрессор уменьшается (прикрыли заслонку), тогда режим работы компрессора (точка "Р") переместится вверх по напорной линии в точку "б" (см.рис.1)

Условия в точке "б":

Уменьшение расхода воздуха через компрессор приведет к тому, что осевые скорости C_n потока воздуха на всех ступенях уменьшается,

так как:

Уменьшение осевых скоростей будет происходить не только за счет уменьшения массового секундного расхода воздуха G_В, но также и за счет увеличения плотности воздуха _n.

Увеличение плотности воздуха _n объясняется тем, что уменьшение расхода воздуха приводит к росту степени повышения давления воздуха
в компрессоре _К^* (см.рис.1). Причем уменьшение осевых скоростей С_n
не будет одинаковым на всех ступенях компрессора. В большей степени
это уменьшение будет наблюдаться на последних ступенях компрессора,
в меньшей – на первых. Это объясняется возрастанием плотности воздуха _n от первой ступени до последней ступени: ₁<₂<…<_z.

Уменьшение осевых скоростей С_n приведет к росту углов атаки _n
на профилях лопаток всех ступеней компрессора.

Характер изменения углов атаки _n при G_ВПР"б"<G_ВПР"Р" показан
на рисунке 3.

Треугольник скоростей, соответствующий режиму работы компрессора в точке "б" изображен на рис.4.



Рис.4 Рис. 5

На этом рисунке видно, что угол атаки набегающего потока воздуха _"б" положительный и больше расчетного _"Р". Если и дальше уменьшать расход воздуха, например до точки "г", то углы атаки на профилях лопаток, особенно последних ступеней компрессора, возрастут настолько, что станут больше критических . В этом случае произойдет "срыв" потока с выпуклой части профиля ("спинки" – см. рис. 4 вверху). Срыв потока с одного или нескольких профилей будет распространятся на всю ширину межлопаточного канала, загромождая его. Гидравлическое сопротивление этого канала резко возрастает (канал дросселирует поток). Набегающий поток воздуха перед срывным каналом начнет растекаться в стороны.
Это приведет к срыву в соседних (рис.5) каналах в направлении обратном вращению колеса.

Таким образом, срывная зона распространится на весь лопаточный венец. Расход воздуха через срывную зону лопаточного венца резко падает – это приведет к срыву как в последующем лопаточном венце по причине уменьшения расхода воздуха и осевой скорости на его входе и, соответственно, роста углов атаки на его профилях, так и к срыву потока в предыдущем лопаточном венце по причине торможения потока перед ним срывным лопаточным венцом.

Таким образом, срыв, возникший на одном или нескольких профилях лопаток, распространится на весь компрессор. При этом резко снижается степень повышения давления воздуха в компрессоре _К^* и его плотность _n
и увеличивается его объем: , где  – плотность воздуха, v – объем удельный.

Тот объем воздуха, который не в состоянии пройти через компрессор, выбрасывается наружу. Этот выброс сопровождается хлопком (произошел выброс сжатого воздуха). После выброса избыточного объема воздуха происходит восстановление первоначальной (досрывной) картины течения,
а затем процесс повторяется.

Процесс периодического срыва компрессора носит автоколебательный характер и называется "помпажем".

Помпаж – неустойчивый режим работы компрессора, характеризующийся сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в его проточной части. Частота повторения процесса срыва зависит от объема воздуха, заключенного в проточной части компрессора и обычно составляет несколько герц.

Помпаж компрессора сопровождается повышением вибрации и тряски двигателя, что может привести к разрушению элементов его конструкции; резким повышением температуры газов в камере сгорания, что может привести к прогару лопаток турбины, кроме того помпаж может привести
к самовыключению двигателя. Поэтому помпаж недопустим.

Управлять заслонкой, изменяя при этом расход воздуха через компрессор, можно при испытаниях изолированного компрессора
на специальном стенде.

Если компрессор работает в режиме газотурбинного двигателя, то роль такой "заслонки" могут выполнять камера сгорания и турбина
при совместной их работе. Например, резкое увеличение подачи топлива
в камеру сгорания приведет к росту температуры газов перед турбиной
и увеличению их объема (газ стремится расшириться). Увеличившийся объем газов не способен мгновенно пройти через турбину, а это равносильно прикрытию заслонки на выходе из компрессора, что может привести
к помпажу. Такое явление носит название "теплового дросселирования" двигателя.

И, наоборот, может уйти от помпажа резко, на короткое время (сотые доли секунды) прекратив подачу топлива в камеру сгорания. Современные двигатели снабжены автоматическими системами ликвидации помпажа, которые работают по принципу кратковременной отсечки топлива (изд.55, изд.88, изд.99).

2. Анализ влияния изменения частоты вращения ротора компрессора n на режим его работы. (Анализ проводится при стандартных условиях на входе в компрессор)

1) Допустим, что частота вращения ротора n уменьшилась
по сравнению с расчетной.

Уменьшение частоты вращения n приведет к уменьшению расхода воздуха G_В, так как G_В=f(n, _К^*), так как с уменьшением n уменьшится
и подведенная к потоку воздуха работа L_u=f(n). Режим работы компрессора будет соответствовать точке "с" на характеристике компрессора (см. рис.1). Причем данному конкретному значению частоты вращения n, соответствует в начале определенное значение расхода воздуха G_В"с", следовательно, вполне определенное значение степени повышения давления воздуха _К"с"^* - то есть единственная точка на данной напорной линии, которая называется "рабочей точкой" (точка "Р" при n_пр21 , точка "с" при n_пр1и т.д.).

Условия в точке "с":

Уменьшение расхода воздуха G_В, связанное с уменьшением частоты вращения n приводит к снижению осевых скоростей С_В на всех ступенях, так как и если бы в этом случае плотность воздуха _n не менялась, то треугольники скоростей, соответствующие режиму работы компрессора в точке "с" оставались бы подобными треугольникам скоростей на расчетном режиме (в точке "р"). То есть соблюдалось бы геометрическое подобие течений воздуха, а углы атаки _n оставались бы равными расчетным (см.рис.6: треугольник 0-1'-2' подобен треугольнику 0-1-2).

Н о так как одновременно с уменьшением G_В снижается и степень повышения давления воздуха _к^* (т.е. воздух от ступени к ступени недожимается), то это приводит к падению плотности воздуха _n, особенно на последних ступенях. Таким образом, нарушается пропорциональность в изменении G_в, U_cz и С_cz из-за того, что С_сz падает менее интенсивно, чем U_cz – появляется некоторая величина +С (см. рис.6), то углы атаки при этом уменьшаются и могут стать отрицательными.





Таким образом, последние ступени с отрицательными углами атаки практически не сжимают воздух, а выполняют роль дросселя, то есть резко увеличивают гидравлическое сопротивление компрессора, как если бы уменьшили площади проходных сечений последних ступеней компрессора. Нарушается пропорциональность в изменении U_с1 и С_с1 из-за того, что С_с1 падает более интенсивно, чем появляется некоторая величина -С (см. рис.7), то атаки при этом возрастают.



Вследствие противоположного изменения углов атаки на первых и последних ступенях компрессора – на средних ступенях они почти не изменяются (см. рис.8).



Дальнейшее уменьшение частоты вращения приведет к тому, что режим работы компрессора может сместиться в точку "НП" (нижний помпаж). На этом режиме углы атаки на первых ступенях настолько возрастут, что могут превзойти критические, а это приведет к срыву потока сначала на первых ступенях, а потом к срыву и всего компрессора и его помпажу.

Помпаж компрессора при уменьшении частоты вращения по сравнению с расчетной называется "нижним помпажем".

Допустим теперь, что частота вращения n ротора компрессора увеличилась по сравнению с расчетной.

Увеличение частоты вращения n приведет к увеличению расхода воздуха G_в и степени повышения давления ^*_к. Режим работы компрессора будет соответствовать точке "д" на характеристике компрессора (см. рис.1).

Условия в точке "д":

Увеличение расхода воздуха G_в приведет к увеличению осевых скоростей С_n на всех ступенях компрессора, но треугольники скоростей, соответствующие режиму работы компрессора в точке "д", не будут подобны расчетным.

Подобие не соблюдается потому, что одновременно с увеличением расхода воздуха G_в, увеличивается и _к^*, а значит, и растет от ступени к ступени плотность воздуха .

В результате осевая скорость С_z на последних ступенях растет менее интенсивно, чем U_z (появляется некоторая величина -С), углы атаки на последних ступенях растут (см.рис.9).





Таким образом, напористость последних ступеней увеличивается (они как бы "отсасывают" воздух из-за первых ступеней) – это оказывает такое же влияние на первые ступени, как если бы увеличили площади проходных сечений последних ступеней. Нарушается пропорциональность в изменении u_д1 и С_д1 из-за того, что С_д1 – растет более интенсивно, чем u_д1 – появляется некоторая величина +С (см.рис.10), углы атаки при этом уменьшаются.

Характер изменения углов атаки по ступеням компрессора при n > n_Р показан на рис.8.

Дальнейшее увеличение частоты вращения приведет к тому, что режим работы компрессора может сместиться в точку "ВП" (верхний помпаж) на этом режиме углы атаки на последних ступенях настолько возрастут, что могут превзойти критические, а это приведет к срыву компрессора и его помпажу. Помпаж компрессора при увеличении частоты вращения по сравнению с расчетной называется "верхним помпажем".

Если теперь соединить рабочие точки: НП…с; р; д; ВП на характеристике компрессора, то получим кривую, называемую "линией рабочих режимов" (ЛРР). Различные точки ЛРР находятся на различных расстояниях от границы устойчивой работы, и чем больше это расстояния, тем выше запас устойчивости по помпажу.

Расположение ЛРР относительно границы устойчивой работы, пересекающей эту границу в точках "НП"( нижний помпаж) и "ВП" (верхний помпаж), характерно для современных высоконапорных компрессоров, у которых ^*_КР>5.

Вывод: Анализ влияния изменений расхода воздуха и частоты вращения ротора на работу компрессора позволяет сделать вывод о том, что даже при стандартных условиях на входе в компрессор его режим работы может существенно изменяться (изменяются: ^*_К;G_В;^*_К; запас устойчивости по помпажу) и даже возникать неустойчивая работа, приводящая к помпажу.