книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

ком перемещении РУД)» на максимальных оборотах (преиму­ щественно зимой и в полете на больших высотах). Для грамот­ ной эксплуатации газотурбинных двигателей инженерно-техни­ ческий состав подразделений Гражданской авиации должен быть хорошо знаком с физической сущностью неустойчивой ра­

§ 1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ НЕУСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА

Неустойчивая работа компрессора проявляется в виде перио­ дических и резких пульсаций1 потока воздуха — колебаний дав­ ления, скорости и расхода. Средние давления, развиваемые ком­ прессором, обычно падают, значительно возрастает температу­ ра на входе в него. Временами компрессор как бы «захлебывается», выбрасывая массы воздуха в обратном на­ правлении, на вход. Помпаж сопровождается сильными хлопка­ ми и ударами.

В настоящее время установлено, что помпаж связан с перио­ дическими срывами потока, возникающими главным образом на выпуклой поверхности (спинке) профилей лопаток при обте­ кании компрессорных решеток. При постоянных оборотах комп­ рессора (а следовательно, при постоянной окружной скорости лопаток) уменьшение расхода приводит к уменьшению осевой составляющей скорости потока на входе в данную решетку. Сле­ довательно, относительная скорость при обтекании профиля в решетке изменяет свое направление, угол набегания потока, воз­ растая, становится больше критического, вследствие чего и воз­ никает срыв потока со спинки лопатки.

1 Пульсации потока при помпаже носят автоколебательный характер, т. е. зависят только от свойств, упругости самой колеблющейся системы, например, емкости воздухо- и газопровода, но не зависят от возмущающей силы, напри­ мер, числа оборотов компрессора.

151

На рис. 6.1 показана схема срывного обтекания решетки про­ филей рабочего колеса осевого компрессора. Возникающие при срыве потока вихри неустойчивы и имеют тенденцию к еамовозрастанию. Образующаяся вихревая пелена, распространяясь в межлопаточном канале уменьшает эффективное сечение пото­ ка, в результате чего расход воздуха еще более уменьшается. Наступает момент, когда вихри полностью заполняют межлопаточные каналы, подача воздуха компрессором при этом пре­ кращается (расход воздуха равен нулю). В последующее мгно­ вение происходит смывание вихревой пелены, при этом возмо­ жен выброс воздуха на вход в компрессор. Повторное и много­ кратное поджатие одной и той же порции воздуха в компрессоре при помпаже приводит к повышению температуры воздуха на входе в компрессор (многократный подвод энергии к одной и той же массе воздуха).

При увеличении расхода воздуха (отрицательные углы ата­ ки профиля) срыв потока происходит с .вогнутой стороны лопат­ ки. Образующиеся при этом вихри прижимаются основным по­ током к профилю и имеют устойчивый характер (рис. 6.2). Насту­ пает турбинный режим. Приведенное объяснение физической сущности явлений, приводящих к помпажу, находится в соответ­ ствии с формой характеристики (рис. 6.3): левой ее ветви соот­ ветствует помпаж, крайней части правой ветви — турбинный ре­ жим и режим запирания.

Экспериментальное исследование помпажа

Колебания потока (давления, расхода) при помпаже компрессора могут быть записаны осциллографом (шлейфовым или катодным) с помощью при­ емных устройств — дроссельных клапанов, снабженных чувствительными эле­ ментами, или проволочных анемометров.

На рис. 6.4 показана типовая осциллограмма полного давления воздуха на выходе из центробежного компрессора. С прикрытием дросселя в точке А

152

начинают появляться незначительные отдельные колебания давления. По ме­ ре уменьшения расхода колебания усиливаются (точка Б) и становятся пе­ риодическими. При дальнейшем уменьшении расхода колебания еще болееусиливаются и становятся прерывистыми (точка В). Затем колебания вновь делаются периодическими (точка Г).

Экспериментальные исследования помпажа в осевых компрессорах на про­ тяжении последних 10— 15 лет позволили выявить некоторые новые закономер­ ности. Было обнаружено два различных вида помпажа. Первый из них, назы­ ваемый иногда прогрессивным 1 помпажом, характерен образованием вихревой зоны, распространяющейся лишь на часть лопатки компрессора по ее высоте- 11, следовательно, охватывающей лишь часть кольцевого сечения потока. Вто­

рой, называемый полным помпажом, распространяется на все кольцевое се­ чение потока от основания лопатки до ее вершины.

Прогрессивный помпаж возникает в ступенях с малым втулочным отноше­ нием («длинные» лопатки), когда

<о,б.

где

(1В— диаметр втулки; йп— наружный диаметр лопатки.

Он охватывает область преимущественно периферийных сечений. Природа этого вида неустойчивой работы обусловлена тем, что при большой длине ло­ патки под действием центробежных сил инерции происходит интенсивное пере­

Рис. 6.5. Характеристика компрессора при наличии прогрес­ сивного помпажа (а) и полного помпажа (б)

Прогрессивный помпаж характеризуется плавным и непрерывным паде­ нием давления по мере уменьшения расхода (рис. 6.5).

Полный помпаж наступает при относительно большом втулочном отноше­ нии, когда углы атаки потока вдоль лопатки мало изменяются. Он может воз­ никнуть из прогрессивного при дальнейшем значительном уменьшении расхо­ да, когда срывы потока распространяются на всю высоту лопатки.

Особенностью полного помпажа при его возникновении является резкоепадение давления на выходе из компрессора (доходящее до */з исходного зна­ чения давления) и наличие разрывной характеристики.

1 Названия «прогрессивный» и «полный» помпаж в значительной степени условны.

153

Вращающийся срыв

Экспериментальное исследование иомнажа в последние годы выявило су­ ществование особой формы неустойчивой работы осевого компрессора — так называемого вращающегося срыва. В р а щ а ю щ и м с я с р ы в о м называют срывную зону, охватывающую группу лопаток, перемещающуюся по окружно­ сти рабочего колеса. Вращающийся срыв обычно возникает у периферии ло­ паток, а затем распространяется к их втулке. Скорость вращения срыва про­ порциональна окружной скорости лопаток. В каждой ступени компрессора может существовать несколько вращающихся срывных зон.

Рис. 6.6. Схема возникновения вращающегося срыва

Возникновение вращающегося срыва можно объяснить следующим обра­ зом. Пусть в группе лопаток возник местный срыв потока. Так как при этом наступает частичное пли полное перекрытие межлопаточных каналов вихрями, то это приводит к р а с т е к а н и ю потока перед решеткой (рис. 6.6). В ре­ зультате углы атаки лопаток, расположенных правее срыва, будут умень­ шаться, что улучшит их обтекание и предотвращает появление у них срывов потока. Наоборот, углы атаки лопаток, расположенных левее срыва, будут воз­ растать; это ухудшит их обтекание и приведет к срыву потока. Область срыва начнет перемещаться справа налево, в сторону противоположную вращению ротора.

Вращающийся срыв ухудшает характеристики компрессора, но в целом компрессор может работать устойчиво.

Обычно количество лопаток, охваченных вращающимся срывом, сохраняет­ ся неизменным.

§2. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ГРАНИЦЫ ПОМПАЖА

ИЛИНИИ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ КОМПРЕССОРА

ИТУРБИНЫ. ПОНЯТИЕ О ЗАПАСЕ УСТОЙЧИВОСТИ

ПО ПОМПАЖУ

Совокупность точек начала помпажа при разных числах

смещается в сторону меньших расходов.

Совокупность режимных точек в компрессорах в ТРД обра­ зует рабочую кривую компрессора а-с-Ь. Форма ее и протекание на характеристике зависят от условий совместной работы комп­ рессора и турбины, а также программы регулирования двига­ теля.

154

Для обеспечения нормальной эксплуатации ГТД во всем ди­ апазоне чисел оборотов, скоростей и высот полета рабочая кри­ вая компрессора должна проходить правее границы помпажа.

Уравнение линии рабочих режимов ГТД на характеристике компрессора можно получить, используя условия совместной ра­ боты компрессора и турбины в ТРД или компрессора, турбины и винта в ТВД. Такие уравнения ЛРР получены нами для ТРД, ДТРД и ТВД в. главах 2—5.

Применительно к компрессору

вид*

=С<7(>ч).

Это уравнение изображается на характеристике компрессо­ ра параболической кривой, протекание которой относительно

границы помпажа зависит от величины лк<р) •

На рис. 6.8 в относительных координатах лк =1(6пр) пока­ зано влияние расчетной степени сжатия компрессора на наклон кривых границы помпажа и линий рабочих режимов. С ростом

7гК(р) граница помпажа проходит более круто, а линия рабочих режимов — более полого. Таким образом, опасность появления помпажа компрессора на пониженных оборотах возрастает с

ростом степени сжатия компрессора. Наоборот, при малых зна­

чениях лк(р) опасность появления помпажа на повышенных оборотах увеличивается.

Понятие о запасе устойчивости по помпажу (рис. 6.9)

З а п а с о м у с т о й ч и в о с т и к о м п р е с с о р а по п о м ­ п а ж у называют выражение

При вертикальной характеристике компрессора (0„=1)

осевого компрессора является «рассогласование» или «расхож­

нальном числе оборотов) .все ступени компрессора работают устойчиво, без срывов потока, с расчетными значениями степе­ ней сжатия и к. п. д. Если компрессор не имеет специальных органов регулирования (например, дроссельных заслонок на входе и выходе), то всякое изменение его режима работы, опре­ деляемого числом оборотов, приводит к изменению углов атаки лопаток, в первую очередь крайних ступеней и в меньшей мере средних ступеней. Причем по мере уменьшения чисел оборотов углы атаки на первых ступенях растут, а на последних умень-

156

шаются. В результате на первых ступенях компрессора возни­ кает срыв потока со спинок лопаток и как следствие этого — помпаж; на последних же ступенях возникает так называемый турбинный режим, который характеризуется резким падением степени сжатия, а также режим «запирания».

Рис. 6.10. Схема обтекания лопаток первой, средней и последней ступеней осевого компрессора на пониженных оборотах

Рассогласование работы крайних ступеней оказывается тем больше, чем меньше число оборотов и чем больше значение сте­

ней осевого компрессора на пониженном числе оборотов, а на рис. 6.11 совмещенные характеристики первой, средней и край­ ней ступеней компрессора с нанесенными линиями рабочих ре­ жимов этих ступеней.

§ 3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЗАПАС УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА

Запуск ТРД

При запуске ТРД возможен помпаж компрессора из-за крат­ ковременного повышения температуры газа перед турбиной («заброса» температуры). Это может произойти при слишком

157

раннем отключении стартера (по числу оборотов), когда избы­ точная мощность турбины для раскрутки ротора оказывает­ ся недостаточной, а также при резком открытии топливного крана.

Стартер может отключиться раньше (независимо от соотно­ шения мощностей турбины и компрессора), когда продолжи­ тельность действия его ограничена реле времени. Ранние отклю­ чения стартера наблюдаются зимой, когда вязкость масла для смазки подшипников ротора сказывается больше обычной и, кроме того, больше обычного весовой расход воздуха через компрессор. Увеличение мощности, потребной для раскрутки ротора двигателя в этом случае, является одной из причин «за­ броса» температуры перед турбиной и помпажа компрессора при запуске.

Резкое открытие топливного крана вызывает чрезмерное обогащение смеси, в результате чего перед турбиной факел пла­ мени удлиняется, сгорание оказывается неполным, возможно скопление несгоревшего топлива в.реактивном сопле. Сгорание этого топлива может носить колебательный характер («резонанс­ ное горение») в реактивном сопле и обычно приводит к помпажу компрессора (так называемое «урчание» двигателя).

Максимальные обороты

На максимальных оборотах также возможно ;ВОзнпкновение помпажа, особенно у тех двигателей с малыми значениями л|ф, у которых линия рабочих режимов и граница помпажа сходят­ ся. В осевом компрессоре на максимальных оборотах запас устойчивости последних ступеней уменьшается в связи с тем, что на них резко возрастают углы атаки.

Увеличение скорости полета

(рис. 6.7)

С переходом на сверхзвуковые скорости полета (при посто­ янных номинальных или максимальных числах оборотов) при­ веденные обороты двигателя

резко снижаются, так как в этом случае значительно увеличи­ вается температура воздуха на входе в компрессор, что приво­ дит к смещению режимной точки ТРД по линии совместных режимов (а-с-Ь) и уменьшению запаса устойчивости. При этом ломпаж возникает на первых ступенях компрессора.

158

Увеличение высоты полета

(рис. 6.7)

С поднятием на высоту (при и= соп51) приведенное число оборотов ротора возрастает (так как температура воздуха на входе в компрессор уменьшается) и режимная точка переме­ щается вдоль линии совместных режимов (а-с-Ь), приближаясь к границе помпажа. На больших высотах возможно возникно­ вение помпажа в последних ступенях осевого компрессора.

Влияние наружных атмосферных условий

Изменение наружного давления не влияет на режимную точку компрессора и не изменяет запас его устойчивости.

Изменение наружной температуры приводит к изменению приведенных оборотов, а следовательно, к перемещению режим­ ной точки ТРД на характеристике компрессора. При этом зна­ чительное понижение наружной температуры может вызвать на максимальных оборотах помпаж в последних ступенях осевого компрессора.

Неустойчивая работа на переходных режимах

При работе на переходных режимах, в частности при пере­ ходе с оборотов малого газа на номинальные обороты, резкое перемещение РУД может привести к мгновенному «забросу» температуры перед турбиной сверх максимального ее значения и вызвать помпаж компрессора.

Для предотвращения помпажа на переходных режимах со­ временные ТРД снабжены, как правило, автоматом или клапа­ ном приемистости, который обеспечивает необходимое соотно­ шение между расходами топлива и воздуха.

§ 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА

Мероприятия по предотвращению помпажа компрессора можно подразделить на эксплуатационные и конструктивные.

Эксплуатационные мероприятия состоят в том, чтобы не допустить помпажа, а при возникновении быстро устранить его.

Предотвращение возможности появления помпажа дости­ гается обеспечением правильной дозировки топлива по числу оборотов как при запуске, так и на переходных режимах рабо­ ты двигателя (применением автоматов приемистости) *, а также требуемой раскрутки ротора двигателя пусковым стартером.

1См. главу 9.

159

Последнее в случае применения электростартера в значи­ тельной мере зависит от степени зарядки аккумуляторов. В свя­ зи с этим инструкцией по техническому обслуживанию двига­ теля запрещается применять для запуска аккумуляторы, на­ пряжение которых ниже установленных пределов.

При появлении неустойчивости работы двигателя необходимо при помощи РУД уменьшить число оборотов ротора двигателя до исчезновения помпажа, или снизить высот}’ полета, или уве­ личить скорость полета. Любое из этих мероприятий снижает приведенное число оборотов и переводит режимную точку в устойчивую область характеристики.

Конструктивные мероприятия заключаются в том, чтобы: 1) при заданной линии совместных режимов компрессора и

турбины сдвинуть границу помпажа в область меньших расхо­ дов. Это достигается применением поворотных лопаток статора или ротора на входе в осевой компрессор и выходе из него, специальным подбором углов установки лопаток рабочего коле­ са осевого компрессора и т. д.;

2) при заданной границе помпажа компрессора сдвинуть линию совместных режимов компрессора и турбины в область •больших расходов. Это достигается применением регулируемых реактивного сопла и соплового аппарата турбины;

3) обеспечить согласованную и беспомпажную работу всех ступеней высоконапорного осевого компрессора. С этой целью применяются перепуск воздуха из промежуточной ступени ком­ прессора в атмосферу, поворотные лопатки статора, а также двухвальные осевые компрессоры.

Применение поворотных лопаток статора на входе в компрессор и выходе из него

Принцип устранения помпажа в любой ступени компрессора с помощью поворотных лопаток статора состоит в создании на входе в рабочее колесо предварительной закрутки потока в сто­ рону вращения рабочего колеса (рис. 6.12).

При неизменных значениях окружной и и осевой С\а скоростей в рабочем колесе создание предварительной закрутки потока в сторону вращения ротора меняет направление относительной скорости №\ на входе в рабочее колесо так, что углы атаки рабочих лопаток уменьшаются. При этом восстанавливается нормальное обтекание лопаток.

Предварительная закрутка потока осуществляется поворо­ том лопаток статора на угол — Дф°, против часовой стрелки.

Поворот лопаток статора изменяет характеристику компрес­ сора, смещая линии л=сопз1 и границу помпажа в область по­ ниженных расходов воздуха (рис. 6.13).

Устранение режима запирания или турбинного режима в сту-

160