Срывные режимы работы ступени

Как уже указывалось, при с_а < с_{а min} из-за превышения крити­ческих углов атаки в лопаточных венцах ступени возникает срыв потока, следствием которого могут явиться серьезные нарушения нормальной работы компрессора в эксплуатации.

Из-за существенного усложнения структуры потока в ступени на срывных режимах, нарушения осевой симметрии и развития нестационарных процессов экспериментальные исследование этих режимов возможно только при применении специальной малоинерционной аппаратуры. Основные результаты этих исследований сводятся к следующему.

1). Вследствие производственных отклонений в геометрии от­дельных лопаток и всегда имеющихся в реальных условиях асим­метрии потока и крупномасштабной турбулентности срыв потока возникает не на всех лопатках одновременно. Напор, соз­даваемый попавшими в срыв лопатками, оказывается существенно меньшим, чем напор, создаваемый соседними элементами ступени, работающими еще без срыва. Из-за этого различия возникает тенденция к возвратному тече­нию воздуха через области срыва навстречу основному потоку. В результате осевая скорость в этих областях резко уменьшается, углы атаки самопроизвольно возрастают до значений, намного превышающих критические, и обычно развивается обратное течение типа, например, показанного на рисунке. В тоже время из-за вызванного этим уменьшения реального проходного сечения ступени осевая скорость воздуха около той части лопаток, которая работает без срыва, может даже возрасти, что соответству­ет снижению местных углов атаки. Таким образом, первоначальные отличия в условиях обтекания различных лопаток (или частей лопаток) ступени усиливаются, и возникает четкое и устойчивое раз­деление потока на зоны срыва и области нормального обтекания с углами атаки меньше критических. При этом возникает существенное нарушение осевой симметрии тече­ния.

2). Возникшие срывные зоны не оста­ются связанными с одними и теми же лопатками колеса или ап­парата, а равномерно перемещаются в окружном направлении. Это явление получило название вращающегося срыва.

Основной причиной перемещения (вращения) срывных зон явля­ется растекание воздушного потока по обе стороны занятых срывом межлопаточных каналов, показанное схематично на рис. 5.9. Как видно, направление вектора скорости набегающего на лопатки по­тока по обе стороны от зоны срыва изменяется таким образом, что на лопатках, расположенных на схеме справа от зоны срыва, углы атаки увеличиваются, что приводит к распространению срыва на эти лопатки. С противоположной стороны, наоборот, углы атаки

уменьшаются, и срыв, если он имел место, прекращается. Таким образом, зона срыва будет перемещаться в правую сторону. Если рассматриваемая решетка принадлежит рабочему колесу, то ука­занное направление соответствует перемещению зоны срыва (в относительном движении) против направления вращения колеса , а если решетка принадлежит направляющему аппарату, — перемещению срыва по направлению вращения колеса (в абсолютном движении). Срывная зона в осевой ступени охватывает обычно одновременно и колесо и частично направляющий аппарат. Поэтому для получения указанного направления перемещения зоны срыва относительно обеих решеток она должна вращаться (относительно стенок корпу­са) в сторону вращения колеса, но с угловой скоростью, мень­шей угловой скорости вращения колеса, что и наблюдается в действительности.

При этом, как показывают экспериментальные исследования, при изменении угловой скорости рабочего колеса угловая скорость враще­ния зоны срыва W изменяется почти пропорционально , так что от­носительная скорость вращения зон срыва в широком диапазоне режимов работы ступени остается практически неизменной.

Число срывиых зон может быть различным в зависимости от типа ступени и режима ее работы. Если число зон превышает еди­ницу, то устойчивым их положением является обычно такое, при котором они размещены равномерно по окружности и вращаются с одинаковой скоростью.

3). В ступенях с большими значениями относительного диаметра втулки ( и более), имеющих относительно короткие лопатки, срыв возникает почти одновременно по всей высоте ло­патки и быстро (за 0,01—0,02 с) распространяется на значитель­ную часть окружности лопаточного венца. Возникает обычно одна мощная срывная зона, занимающая от одной трети до половины окружности колеса (как показано схематично на рис. 5.10, а) и вращающаяся со скоростью, мень­шей половины скорости вращения ротора ( 0,1 ... 0,4).

В зоне срыва обычно наблюдаются обратные токи воздуха. В результате сильного дросселирующего действия мощной зоны срыва и больших потерь в ней расход воздуха через ступень и создаваемый ею напор резко падают. Режим работы ступени скачком переходит в точку Б (рис. 5.10, б). Характеристика ступени ока­зывается разрывной. Таким образом, при дросселировании ступени с относительно короткими лопатками в результате возникновения в ней вращающегося срыва наблюдается самопроизвольный переход режима её работы срывную ветвь характеристики с существенно более низким уров­нем напора, расхода и КПД. На рис. 5,10, б она помечена множеством мелких точек, так как здесь наблюдается высокий уровень нестационарности потока.

Если после перехода режима работы ступени в точку Б продол­жать уменьшать расход воздуха через нее, то зона срыва увеличи­вается в размерах, занимая все большую часть окружности колеса. При увеличении расхода воздуха размеры срывной зоны, наоборот, умень­шаются, но вследствие описанной выше устойчивости срывной фор­мы течения она сохраняется до значений коэффициента расхода , заметно превышающих значение в точке Б. Только после существенного увеличения (на рис. 5.10, б — до режима Г) срывные зоны распадаются, и ступень переходит на режим, соответствующий точке Д, где наблюдается нормальная (бессрывная) форма тече­ния. Таким образом, у ступеней с короткими лопатками наблюдает­ся четко выраженный гистерезис характеристики.

5). В ступенях с малыми d (0,3—0,5), т. е. с относительно длинными лопатками, условия обтекания элементов, располо­женных на разных радиусах, существенно различны. Поэто­му здесь срыв обычно не за­хватывает сразу всю лопатку, а занимает сначала небольшую часть ее. В большинстве случаев критические углы атаки достигаются прежде всего в периферийных сечениях лопаток, где и располага­ются первоначально возникшие зоны срыва. При этом обычно воз­никает не одна, а несколько (до шести, а иногда и более) равно­мерно размещенных по окружности зон срыва (рис. 5. 11, а), которые вращаются со скоростью, равной 50—70% скорости вращения ко­леса.

Из-за относительно малых размеров первоначально возникших срывных зон характеристика ступени с длинными лопатками может не иметь разрыва при (рис. 5.11,б). Наличие срыва проявляется здесь лишь в снижении напора и более резком сниже­нии КПД ступени при . При этом по мере снижения размеры каждой срывной зоны постепенно увеличи­ваются как в окружном, так и в радиальном направлениях.