Напорная характеристика ступени компрессора

Размеры проточной части компрессора, число ступеней, па­раметры ступеней и решеток определяются при газодинамиче­ском проектировании только для одного режима, который назы­вается расчетным или проектным. Соответственно, параметры на этом режиме также называются проектными.

В процессе эксплуатации рабочий режим газотурбинных ус­тановок и двигателей может меняться в широких пределах. Это может быть вызвано изменением потребной тяги или мощности, внешних условий, высоты полета и т.п. Особенно в широком диапазоне меняются режимы работы ГТД авиационного приме­нения. В результате условия работу компрессоров входящих в состав двигателей меняются в широких пределах. Это приводит к изменению частоты вращения, степени повышения давления в компрессоре, расхода воздуха, скоростей потока и углов натека­ния воздуха на лопатки. В результате изменяется мощность, по­требляемая ком­прессором, и его КПД, а в некоторых случаях возможно появле­ние неустойчивых режимов, нежелательных в эксплуатации.

Поэтому, как отмечалось в разделе 1.1, одним из важнейших требований к компрессору является благоприятное протекание характеристик. То есть, достаточно высокий КПД и степень сжа­тия, а также отсутствие неустойчивых режимов на всех эксплуа­тационных режимах.

Зависимость параметров, характеризующих работу компрес­сора, от параметров, характеризующих режим его работы, назы­вается характеристикой компрессора. Работка компрессора ха­рактеризуется двумя параметрами: степенью сжатия и КПД . Режим работы компрессора определяется частотой вращения РК n и расходом воздуха G_в, либо комплексами, связанными с ним ( и т.п.).

Знание характеристик необходимо для выбора оптимальных условий работы компрессора в составе установке, оптимального регулирования турбокомпрессора, обеспечивающего работу в об­ласти характеристик с высокими КПД при условии достаточно­сти запасов газодинамической устойчивости компрес­сора.

Характеристики можно определять расчётным путём. Од­нако вследствие сложности процессов, протекающих в компрес­соре, современные методы расчета не обеспечивают с достаточ­ной точностью получение характеристик в области, примыкаю­щей к границе устойчивой работы. Особенно значительная по­греш­ность имеет место при определении границы устойчивой работы или, как ее часто называют, границы срыва. В связи с этим наи­более надежным методом получения характеристик яв­ляется экспериментальный.

Рассмотрим, как меняются параметры характеризующие ра­боту компрессора при изменении расхода воздуха при постоян­ной частоте вращения ротора n=const. С этой целью мысленно рас­сечем вход­ной направляющий аппарат (ВНА) и РК цилинд­риче­ской по­верхностью диаметром . Поверхность сечения раз­вер­нем на плос­кость, получив элементарную решетку профи­лей (рис. 1.23).

Постоянство частоты вращения обуславливает неизменность окружной скорости . Учитывая, что мощность приводной тур­бины прямо пропорциональная крутящему моменту на ней:

который в свою очередь зависит от частоты вращения и пе­репада давлений на турбине, то можно заключить, что при n=const мощность турбины неизменна.

На рис. 1.23 пунктирной линией изображен треугольник ско­ростей на входе в РК на расчетном режиме. Обратите внимание, что на этом режиме угол потока в относительном движении близок к входному конструктивному углу РК .

Пунктир – треугольник скоростей на расчетном режиме;

Сплошная линия – треугольник скоростей при увеличенном расходе ра­бочего тела

Рис. 1.23. Изменение треугольника скоростей на входе в РК ЦБК при увеличении расхода воздуха относительно расчетного значения

Рассмотрим, каким образом влияет на работу ступени ком­прессора увеличение расхода рабочего тела относительно значе­ния на расчетном режиме.

Как отмечалось в разделе 1.2, расход рабочего тела через компрессор определяется проекцией скорости перпендикуляр­ной сечению, через которое осуществляется истечение. Для се­чения на входе в компрессор это осевая проекция . Поэтому с увеличением растет пропорционально ему. При этом направ­ление вектора остается неизменным, поскольку оно опре­деляется конструктивными углами ВНА, которые не меня­ются. Зная направление вектора и его осевую проекцию легко найти значение скорости соответствующее увеличенному рас­ходу. Учитывая, что окружная скорость не меняется ( ) легко найти и скорость потока на входе в РК в относительном движении Треугольник скоростей на входе в РК при увеличен­ном расходе воздуха изображен на рис. 1.23 сплошной линией.

Как видно из рис. 1.23 рост расхода рабочего тела приводит к росту угла потока в относительном движении . Угол натекания на лопатки РК отклонится от расчетного, угол атаки i стано­вится отри­цательным, что приведет к возникновению отрыва потока с рабочей стороны лопатки (ко­рытца). Вращение РК будет при­жимать срыв­ную зону к стенке лопатки и локализовывать ее. Из-за отклонения угла атаки от оптималь­ного значения и возмож­ного наличия от­рыва КПД ступени умень­шается.

Поскольку при n=const, мощность, подводимая к компрес­сору, не меняется, то рост расхода рабочего тела приведет к тому, что работа, подводимая к одному килограмму рабочего тела уменьшится, а это согласно (14) приведет к снижению сте­пени сжатия . Сказанное можно подтвердить изменением пла­нов скоростей ступени осевого компрессора, приведенным на рис. 1.24. Видно, что увеличение расхода при n=const снижает , что говорит о снижении затраченного напора .

При существенном увеличении расхода в «горле» (самом уз­ком месте) лопаточного венца относительные скорости стано­вятся равными скорости звука и “горло” “запирается”, т.е. не может пропустить больший объемный расход воз­духа. За “гор­лом” возникает сверхзвуковая область те­чения, которая замыка­ется скачками уплотнения с присущими им волновыми поте­рями. Это и приводит к снижению напора и КПД, при этом правые ветви зависимостей становятся приближа­ются к вертикальному направлению.

а) – расчетный режим;

б) – увеличенный расходе рабочего тела

Рис. 1.24. Изменение плана скоростей осевого компрессора при увеличении расхода воздуха относительно расчетного значения

Таким образом, увеличение расхода рабочего тела по срав­нению с расчетным значением приводит к уменьшению как КПД компрессора, так и степени сжатия .

При уменьшении расхода воздуха относительно расчетного значения осевая составляющая скорости уменьшается. Направ­ление скорости с₁ не изменяется. По­этому при неиз­мен­ной частоте вра­щения угол b₁ умень­шится и угол атаки i станет положи­тельным (рис. 1.25). Это приводит к воз­никновению от­рыва по­тока с нерабочей стороны лопатки (спинки). При этом лопатка, вращаясь, стремится “уйти” от срыва. В результате, об­ласть срыва стремится занять всю об­ласть межлопа­точного ка­нала и «загромож­дает» его проходное се­чение. Таким образом, отрыв со спинки гораздо более опасен и в большей мере снижает КПД ступени .

Пунктир – треугольник скоростей на расчетном режиме;

Сплошная линия – треугольник скоростей при уменьшенном расходе ра­бочего тела

Рис. 1.25. Изменение треугольника скоростей на входе в РК ЦБК при уменьшении расхода воздуха относительно расчетного значения

Из-за сниже­ния расхода G_В при n=const увеличивается ра­бота, передаваемая каждой еди­нице массы воздуха, что сопрово­ждается ростом степени сжатия . Сказанное можно подтвер­дить изменением планов скоростей ступени осевого компрес­сора, показанным на рис. 1.26. Видно, что уменьшение расхода при n=const увеличивает , что говорит о росте затраченного на­пора . В то же время значительное увеличение потерь из-за от­рыва на спинке снижает подводимую к рабочему телу ра­боту и при достижении неко­торого значения расхода воздуха G_В сте­пень сжатия начинает умень­шаться. В конечном итоге уменьшение расхода приведет к полномасштабному срыву, который проявля­ется в виде повышен­ных пульсаций потока и приводит к резкому снижению напора и КПД. Эксплуатация при расходах меньших, чем в точке срыва невозможна.

а) – расчетный режим;

б) – увеличенный расходе рабочего тела

Рис. 1.24. Изменение плана скоростей осевого компрессора при увеличении расхода воздуха относительно расчетного значения

Это приводит к тому, что макси­мум находится левее расчет­ного режима.

Проведенный анализ позволяет построить зависимость, па­раметров характеризующих работу компрессора от расхода воз­духа через него при n=const, показанную на рис. 1.27. Характеристика компрессора, полученная при n=const, также называется напорной линией или напорной характеристи­кой.

Рис. 1.27. Типовой вид напорной характеристики ступени компрессора