3.10.3 Помпаж компрессора в системе двигателя

На некоторых нерасчётных режимах работы двигателя возможно возникновение низкочастотных колебаний воздуха по всей проточной части компрессора как результат развития срывных явлений. Эта крайняя форма неустойчивой работы компрессора называется помпажем. Помпаж характеризуется периодическими колебаниями давления и скорости воздуха со сравнительно низкой частотой. Как показывают исследования, эта частота близка к собственной частоте массы воздуха, находящегося в проточной части до ближайшего дросселя (до узкого сечения первого соплового аппарата турбины), и составляет 10...20 Гц в зависимости от размерности двигателя. Помпажная частота колебаний слабо зависит от частоты вращения.

Для понимания причин возникновения помпажа нужно рассмотреть совместную работу компрессора с потребителем (дросселем) (рис. 6.17). При работе без возмущений совместный режим работы компрессора и потребителя изображается точками 5 и 8. Рассмотрим характерные переходы режимов компрессора и потребителя при возникновении малых возмущений в сети потребителя.

П усть компрессор работает на правой ветви характеристики. При смещении характеристики потребителя вниз в первый момент времени вследствие инерционности движения потока режим работы потребителя перейдет в точку 6. Возникает избыток давления за компрессором над потребным давлением для потребителя. Вследствие этого режим работы компрессора по напорной характеристике смещается в сторону пониженного давления, т.е. к точке 6^. Режим работы потребителя по своей характеристике смещается в сторону повышенного давления, т.е. также к точке 6^. В результате осуществляется переход в новую точку совместного режима - точку 6^.

Аналогично можно показать, что при смещении характеристик потребителя вверх установится новый совместный режим, соответствующий точке 7^. Пусть компрессор работает на левой ветви характеристики. При смещении характеристики потребителя вниз (к точке 10) потребное давление снизится, что приведет к переходу режима компрессора также со снижением давления, т.е. к переходу по характеристике компрессора влево от точки 8 (к линии 3). В то же время режим работы потребителя по своей новой характеристике перемещается вправо от точки 10 (к напорной линии). При таком противоположном движении точек новый совместный режим не наступает. Аналогично можно показать, что при смещении характеристики потребителя вверх также не наступает новый совместный режим.

Из этого следует, что при работе на левой ветви колебания характеристики потребителя не будут демпфироваться характеристикой компрессора, что и приведет к возникновению низкочастотных колебаний, т.е. к помпажу. Наклон напорной характеристики компрессора определяется величиной и знаком производной (p_к^*)^ = p_к^*/G_в. Для левой ветви имеем (p_к^*)^ > 0, а для правой - (p_к^*)^ < 0. Рассмотренный механизм взаимодействия компрессора с потребителем не связан с какими-либо инерционными или динамическими эффектами, поэтому знак производной (p_к^*)^ является критерием статической устойчивости.

Следует еще раз подчеркнуть, что первопричиной помпажа является срыв потока с лопаток компрессора, и основным способом борьбы с неустойчивостью компрессора на рабочих режимах является обеспечение углов атаки меньше их критических значений.