4.3. Распределение работы сжатия воздуха между ступенями компрессора (каскада)

В многоступенчатом осевом компрессоре работа, подводимая к воздуху, и соответственно работа сжатия воздуха распределяется между его ступенями неравномерно. Типичное распределение адиабатной работы сжатия по ступеням каскада осевого компрессора представлено на рис. 4.5.В первых и в последних ступенях эта работа заметно снижена по сравнению с работой, приходящейся на каждую из средних ступеней. Такой характер распределения работы закладывается при проектировании компрессора из следующих соображений.

Рис.4.5. Типичное распределение работы сжатия воздуха между ступенями осевого компрессора	Рис. 4.6. Типичное распределение работы сжатия воздуха между ступенями осецентробежного компрессора

а). Первая ступень имеет самое малое значение . Привтулочные сечения имеют низкую окружную скорость и, следовательно, для получения высоких значенийдолжны иметь большие значения(так как), т.е. большие углы поворота в решетке РК. Это может привести к срыву потока.

б). На нерасчетных режимах углы атаки на рабочих лопатках первой ступени могут сильно возрасти.

в) Первые ступени наиболее подвержены влиянию различных возмущений входящего в компрессор потока, вызванных неравномерностью потока в тракте двигателя. Следовательно, в первых ступенях надо иметь повышенные запасы по углам атаки, чтобы избежать срыва потока с лопаток РК.

По этим причинам первые одна - две ступени нагружены слабее остальных. В последующих ступенях, имеющих уже более высокие значения ,нагрузка соответственно увеличивается.

в). В последних ступенях компрессора, как уже указывалось, и соответственноприходится снижать из-за снижения осевой скорости воздуха. Кроме того, эти ступени из-за малой высоты лопаток (и поэтому более сильного влияния концевых потерь) обычно имеют пониженные значения КПД. Поэтому для повышения КПД всего компрессора целесообразно бóльшую часть работы сжатия переложить на ступени, имеющие более длинные лопатки, т.е. на средние ступени.

В осецентробежном компрессоре (рис. 4.6) последняя (центробежная) ступень вследствие более высокого значения окружной скорости и существенного бóльшего коэффициента нагрузки имеет обычно в несколько раз более высокое значение эффективной и соответственно адиабатной работы, чем стоящие впереди нее осевые ступени.

Глава 5 характеристики компрессоров и их регулирование

5.1. Общие представления о характеристиках компрессоров и методах их определения

Определение геометрии проточной части и необходимого числа ступеней, а также формы и углов установки лопаток производится для расчетногорежима работы компрессора, на котором при заданных значенияхидолжен быть максимальный.Режим работы определяется скоростью и высотой полета и частотой вращения компрессора.

Соответствующие этому режиму значения ,,, частоты вращения и других показателей работы компрессора также называютсярасчетными. Обычно расчетный режим соответствует работе компрессора с максимальной частотой вращения при температуре и давлении на входе в него, равных их значениям на уровне моря в стандартных условиях (,).

В условиях эксплуатации высота, скорость полета и частота вращения изменяются в широких пределах. Это становится причиной значительного изменения ,и.В некоторых случаях компрессор работает неустойчиво. Поэтому возникает необходимость в определении указанных параметров и в проверке устойчивости работы компрессора на нерасчетных режимах.

Для выбора рациональных условий работы компрессора в системе двигателя, для определения влияния различных условий эксплуатации на основные параметры и устойчивость работы компрессора необходимо располагать данными о всей совокупности нерасчетных режимов работы компрессора (или его каскадов), которые могут встретиться при эксплуатации двигателя.

Зависимости основных показателей работы компрессора  степени повышения давления и КПД от частоты вращения n, расхода воздуха и условий на входе называются характеристикой компрессора.

Характеристика компрессора может быть получена либо расчетным путем, либо экспериментально. Наиболее надежным способом определения характеристик компрессора является экспериментальный при испытании компрессоров на специальных стендах (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема стенда для экспериментального определения характеристик компрессора

Компрессор приводится во вращение электродвигателем через мультипликатор.Воздух поступает в компрессор через коллектор,который имеет специально спрофилированный плавный вход для создания равномерного поля скоростей перед компрессором и используется одновременно для определения расхода воздуха путем измерения разностимежду полным и статическим давлением в коллекторе. Из компрессора воздух поступает в ресивер, который собирает воздух, выходящий из компрессора, и направляет его в трубу, в которой находится дроссель, имитирующий сопротивление газового тракта двигателя. Надлежащим изменением мощности электродвигателя и положения дросселя можно устанавливать на испытуемом компрессоре режимы с различными значениями частоты вращенияпи расхода воздуха. Стенд оснащается измерительной аппаратурой, позволяющей в процессе испытаний определять, помимо расхода воздуха и частоты вращения, также значения полного давления и температуры воздуха на входе и выходе. По этим величинам могут быть определены значения степени повышения давленияи КПД.

По данным испытаний компрессора на подобном стенде может быть построена его характеристика в виде зависимости степени повышения давления и КПДот расхода воздухапри нескольких значениях частоты вращенияn(и при имевших место в процессе испытаний значенияхи), как показано на рис. 5.2.

Рассмотрим характер изменения пов зависимости от положения дросселя на выходе из компрессора сначала при расчетной частоте вращения

п= 100% (см. рис. 5.2). Пусть при этой частоте вращения и при некотором среднем положении дросселя (на рис. 5.1) режим работы компрессора соответствует расчетному и изображается точкойр. При прикрытии дросселя, как показывает эксперимент,и, следовательно,обычно растут,aпадает, пока режим компрессора не переместится в соответствующий точкег, после чего работа компрессора становится неустойчивой (см. ниже). Точкаг являетсяграницей устойчивой работы компрессорапри данной частоте вращения.

Рис. 5.2. Характеристика компрессора

при фиксированных условиях на входе

Если открывать дроссель (по сравнению с его положением, соответствующим точке р), тои, следовательно,будут падать, аувеличиваться. Но увеличение расхода воздуха будет происходить только до определенного предела, пока в результате роста осевой составляющей скорости воздуха (при возрастании) и, соответственно,в горловинах межлопаточных каналов рабочего колеса первой ступени компрессора скорость потока не достигает скорости звука, после чего дальнейшее увеличениестановится невозможным. Этому явлению, получившему название"запирания" компрессора по входу, соответствует на рис. 5.2 точкав, ниже которой на характеристике появляется вертикальный участок. Но если и дальше продолжать открывать дроссель, то снижениеи, соответственно,на этом вертикальном участке будет происходить только до некоторого минимального значения, отмеченного на рисунке точкойз, после чего дальнейшее открытие дросселя уже не изменяет режима работы компрессора. В этом случае из-за значительного увеличения скорости воздуха на выходе из компрессора (поскольку=const, аи, соответственно, плотностьпадают) происходит "запирание" каналов выходного аппарата последней ступени (скорость в горловинах каналов достигает скорости звука). Режим, характеризуемый параметрами компрессора в точкез, получил поэтому названиережима "запирания" по выходу. Вся кривая, изображающая зависимостьотприп=const, называетсянапорной кривой.

Рассмотрим, как изменяется КПД компрессора при изменении сопротивления на выходе из него (положения дросселя).Прип= 100% максимальное значениедостигается на расчетном режиме, т.е. в точкер. Как и при прикрытии дросселя (до точкиг), так и при его открытииуменьшается. Наиболее низкое значениеполучается на режиме запирания по выходу.

Рассмотрим, как изменится напорная кривая и кривая при изменении частоты вращения ротора компрессора. Если, например, уменьшить частоту вращения, то вследствие снижения окружной скорости уменьшится работа, затраченная на вращение каждой ступени, и, следовательно, работа сжатия воздуха. В результате при каждом положении дросселяуменьшится, а вместе с ним упадути расход воздуха (через дроссель), т. е. вся напорная кривая сместится, как показано на рис. 5.2, вниз и влево. Криваятакже сместится влево.

Диапазон частот вращения (от 60% до 110% от расчетного значения), для которого приведены на рис. 5.2 напорные кривые и линии , охватывает основную часть эксплуатационных режимов компрессора авиационного ГТД. Линияг-г, соединяющая здесь точки, соответствующие границе устойчивой работы на каждой напорной кривой,граница устойчивых режимов работы (ГУР) компрессора.Линия з-з, соединяющая точки, соответствующие режимам запирания компрессора по выходу при различныхп,граница "запирания" компрессора по выходу,а линияв-в линия "запирания" компрессора по входу (при пониженных значенияхn запирание по выходу достигается раньше, чем по входу). Линияо-о, соединяющая точки на напорных кривых, в которых при каждом значениипдостигается максимальная величинаносит названиелинии оптимальных режимов. Наибольшее значениедостигается обычно при частоте вращения, меньшей расчетной (на рис. 5.2 приn= 90%). Чем вышеn, тем круче становятся характеристики, а их вертикальные участки, расположенные ниже линиив-в,занимают все бóльшую часть общей про­тяженности напорных кривых.

Детали протекания характеристик зависят от типа компрессора, расчет­ной степени повышения давления и ряда других факторов. Но общий их харак­тер, изображенный на рис. 5.2, одинаков для любого компрессора.