Работы многоступенчатых компрессоров

Срывные и неустойчивые режимы

Рассмотрим особенности возникновения срыва в нерегулируемом компрессоре при высоких значениях , близких к расчётным (≈1).

В этом случае рассогласование ступеней невелико и на оптимальном режиме работы компрессора углы атаки на лопаточных венцах во всех ступенях близки к расчётным.

При уменьшении расхода потока наиболее резко будут увеличиваться углы атаки в последних ступенях компрессора и поэтому в данном случае критические углы атаки будут достигнуты, прежде всего, в последних ступенях. Однако вследствие малого рассогласования ступеней углы атаки в остальных ступенях также близки к критическим.

Возникновение срыва в какой-либо из последних ступеней обычно сопровождается образованием срывных зон значительных размеров и резким падением напора.

Дросселирующий эффект, оказываемый срывной зоной на поток приводит к очень быстрому (за несколько сотых долей секунды) распространению срыва на весь компрессор.

В результате быстрого распространения срыва на все ступени и G _в резко и самопроизвольно подают, т.е. характеристика компрессора терпит разрыв (рис. 35).

Рис. 35

Одновременно можно наблюдать выброс сжатого и нагретого рабочего тела на вход в компрессор. При этом, как и для ступеней с короткими лопатками (рис. 29), в характеристики компрессора наблюдается гистерезис, и для вывода компрессора из срывного режима необходимо сделать сопротивление сети значительно меньшим, чем оно было в момент возникновения срыва.

Однако в первых ступенях, имеющих относительно длинные лопатки, срывные зоны первоначально имеют небольшие размеры, и вызванные ими возмущения могут оказаться недостаточными для распространения срыва на другие ступени, имеющие углы атаки значительно меньше критических. Лишь при дальнейшем уменьшении расхода потока срывные зоны постепенно увеличиваются в размерах и захватывают всё большее число ступеней, пока увеличение углов атаки не приведёт к срыву потока уже во всём компрессоре.

На характеристики нерегулируемого компрессора можно отметить три диапазона , в каждом из которых возникновение и распространение срыва потока имеет свои особенности (рис. 36).

Рис 36

В диапазоне 1 граница устойчивости определяется срывом потока в последних ступенях.

В диапазоне 11 нарушение устойчивости совпадает свозникновением срыва в одной из первых или средних ступеней.

В диапазоне 111 при пониженных срыв потока возникает сначала в первых ступенях, но имеется такая область режимов (заштрихованная область на рис. 36), где при наличии вращающегося срыва в первых ступенях компрессор в целом работает устойчиво.

В соответствии с изложенным граница устойчивости многоступенчатого компрессора имеет характерную s-образную форму, которая обычно оказывается тем резче выраженной, чем выше расчётное значение .

Рассмотри подробно сам процесс нарушения устойчивой работы компрессора.

При значениях >0,8…0,85 срыв потока, возникший в одном из лопаточных венцов компрессора, быстро распространяется на все ступени и приводит к самопроизвольному скачкообразному падению расхода потока и степени повышения давления.

Рис. 37

На рис. 37 показана осциллограмма такого процесса потери устойчивости.

Линия 1 представляет собой запись изменения давления потока непосредственно за компрессором р _к.

Линия 2 – давление на входе в первую ступень р _в.

Линия 3 – перепад давлений в мерном коллекторе (см. рис. 12), служащем для измерения расхода потока Δр_вх.

На линии 4 записано изменение проходной площади дросселя, установленного за компрессором.

Как видно из рис. 37, при уменьшении площади дросселя до момента, отмеченного линией А – А, р _к, р _в и Δр_вх испытывают только высокочастотные колебания малой амплитуды.

По мере прикрытия дросселя расход через компрессор уменьшается и в момент А возникает срыв потока. При этом р _к и расход потока резко падают а р _в, наоборот, возрастает из-за резкого уменьшения расхода и выброса на вход части сжатого рабочего тела через зоны срыва.

Этот выброс сопровождается сильным звуковым эффектом («хлопком»).

Процесс падения р _к протекает очень быстро (около 0,1 с) и завершается формированием вращающегося срыва, наличие которого проявляется на рис. 37 в виде периодических пульсаций р _к и р _в сравнительно высокой частоты (от нескольких десятков до сотен герц).

Таким образом, после перехода на срывную ветвь характеристики компрессор работает далее устойчиво с пониженными значениями р _к, расхода и КПД.

В эксплуатации такой процесс потери устойчивости характеризуется термином «срыв в компрессоре» или «помпажным срывом».

В определённых условиях может наблюдаться другая форма неустойчивой работы, характеризуемая термином «пампаж» и отличающийся от описанной возникновением сильных низкочастотных колебаний давления и расхода потока во всём тракте, в котором работает компрессор.

Рис. 38

На рис. 38 приведена осциллограмма помпажа, полученная при испытании того же компрессора, к которому относилась осциллограмма рис. 37 (были изменены лишь условия испытания).

Как видно, первоначально наблюдается примерно такое же скачкообразное падение р _к и расхода потока, как на рис. 37. Но уже примерно через 0,2 с в компрессоре восстанавливаются высокие значения р _к и Δр_вх.

Затем весь процесс повторяется снова и снова, т.е. в компрессоре возникают периодические колебания давления и расхода (скорости) потока, имеющие большую амплитуду и сравнительно малую частоту.

Эта частота зависит от объёма (массы) рабочего тела, заключённого в компрессоре и в присоединённых к нему трубопроводах (элементы тракта ГТД). Обычно она составляет несколько герц и сравнительно слабо зависит от частоты вращения ротора компрессора.

Рис. 39

Рис. 39 иллюстрирует возникновение помпажных колебаний. Предположим, что компрессор К всасывает воздух из атмосферы и подаёт его через лишённый трения трубопровод L в ресивер С, за которым расположен регулируемый дроссель Dp.

В ГТД роль ресивера может играть камера сгорания, а роль дросселя – сопловой аппарат турбины.

Тогда характеристика компрессора может быть представлена зависимостью давления за компрессором р _к от расхода воздуха через него G _в (рис. 39).

Резкое падение р _к левее точки А соответствует моменту возникновения срыва в одной из последних ступеней компрессора.

Левая (срывная) ветвь характеристики может быть определена вплоть до нулевого расхода, а при наличии постороннего источника сжатого воздуха может быть продолжена и в область отрицательных расходов.

Пусть характеристика сети изображается кривой зависимости давления в ресивере р _с от расхода воздуха через дроссель Dp, проходящей через точку А. На установившемся режиме работы G_c = G _к и при отсутствии трения в трубопроводе Lр _с = р _к.

Таким образом, точка А будет изображать режим совместной работы компрессора и сети.

Очевидно, этот режим является неустойчивым и при случайном незначительном уменьшении расхода система перейдёт в точку Б на срывной ветви характеристики. Именно такой переход наблюдался на осциллограмме рис. 37.

Однако если объём присоединённой к компрессору системы достаточно велик, то нарушение устойчивости в точке А может привести к более глубокому изменению режима работы компрессора в сети.

При анализе этого процесса необходимо учесть, что на неустановившемся режиме р _к не будет равно р _с вследствие инерционности столба воздуха в канале L, а расход через дроссель G_c может отличаться от мгновенного значения расхода через компрессор G _к за счёт накопления или расходования воздуха, находящегося в ресивере.

Таким образом, характеристики компрессора в сети в динамическом процессе отличается от характеристики, полученной на установившихся режимах.

Дата добавления: 2014-01-04