Срывные и неустойчивые режимы работы компрессора

Площадь проходных сечений проточной части компрессора на проектном режиме вычисляют таким образом, чтобы обеспечить оптимальные осевые скорости и соответственно углы потока на входе в лопаточные венцы. При этом площади от входа к выходу будут уменьшаться вследствие увеличения плотности газа. В нерегулируемом компрессоре при изменении частоты вращения ротора будут изменяться работа сжатия, степень повышения давления p_к^* и соответственно отношение плотностей и осевых скоростей в различных ступенях компрессора. Это следует из того, что расход воздуха через все сечения проточной части одинаков. Из условия постоянства расхода для сечений на входе и произвольно выбранного внутри компрессора можно записать:

F ₁ r_{м 1} c_{a 1} = F_i r_{м i} c_{a i}. (6.15)

Равенство (6.15) легко преобразуется в другое соотношение:

, (6.16)

так как r_{м 1}/r_{м i} = (p ₁^*/ p_i ^*)^{1/ n} = 1/(p _i ^*)^{1/ n}, где n - показатель политропы процесса сжатия в компрессоре; r_м - массовая плотность воздуха в рассматриваемых сечениях. Из (6.16) видно, что отношение скоростей c_{a i} / c_{a 1} в основном определяется величиной p _i ^*. Из соотношения между c_{a i} и p _i ^* вытекает, что при изменении частоты вращения будут изменяться и скорости в каждом сечении проточной части.

Рассмотрим, например, изменение c_a при уменьшении частоты вращения. В связи с уменьшением p _i ^* (из-за уменьшения работы сжатия) отношение скоростей c_{a i} / c_{a 1} будет увеличиваться. С другой стороны, при уменьшении частоты вращения отношение окружных скоростей u_i / u ₁ = D_i / D ₁ изменяться не будет. Следовательно, треугольники скоростей в различных сечениях будут преобразовываться различным образом и, что важно, не будет их подобного преобразования. Для иллюстрации рассмотрим треугольники скоростей на среднем радиусе на входе в рабочее колесо первой, средней и последней ступеней (рис. 6.15). При уменьшении частоты вращения n будет уменьшаться расход воздуха через компрессор и соответственно (почти пропорционально) уменьшится осевая скорость.

Р и с. 6.15. Треугольники скоростей на среднем радиусе на входе: а - в рабочее колесо первой ступени; б - средней ступени; в - последней ступени; - - - - - треугольники на проектном режиме; ¾¾¾ - треугольники на нерасчётном режиме с n < n _р; - × - × - - линия, соответствующая изменению скоростей с _{1 а} пропорционально изменению n

Как отмечалось, отношение скоростей c_{a i} / c_{a 1} увеличится. Это означает, что скорости c_a уменьшатся непропорционально уменьшению скорости u: c_{a 1} - в большей степени, а c_{a z} (на входе в последнюю ступень) - в меньшей степени. Скорость c_{a ср} (на входе в среднюю ступень) изменится примерно пропорционально окружной скорости u. Направления скоростей c ₁ определяются, в основном, конструктивными углами лопаток на выходе из направляющих аппаратов предыдущих ступеней, и поэтому практически не изменяются.

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 _вт = 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`w = 0,1...0,4, где`w = w/W; w - угловая скорость вращения срывной зоны; W - 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 _вт = 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

Р и с. 6.16. Диапазоны изменения границы устойчивой работы в зависимости от частоты вращения

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.

Дата добавления: 2014-01-05