АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ПОТОКА ВОЗДУХА НА ВХОДЕ В ДВИГАТЕЛЬ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГТД

Причинами нестационарностимогут быть пульсации потока вследствие его срывов со стенок каналов или обтекаемых поверхностей воздухозаборника, а также крупномасштабная турбулентность атмосферы.

Аэродинамические возмущения усиливаются при сверхзвуковых скоростях полета, а также при полете с большими углами атаки и скольжения.

Экспериментально установлено, что в неравномерном потоке поле статических давлений на входе в двигатель, т. е. в сечении «в-в» перед компрессором, является практически равномерным. Но вследствие неравномерности поля полных давлений осевые скорости потока на входе в компрессор оказываются различными. Поэтому на практике для оценки характера и степени аэродинамической неравномерности рассматривают неравномерность поля полных давлений перед компрессором или неравномерность поля значений . Там, где полное давление выше, более высокой является и осевая скорость воздуха на входе в ступень.

Для упрощения оценки характера стационарной неравномерности прибегают к её схематизации. Условно стационарную неравномерность разделяют на радиальную и окружную.Примеры чисто радиальной и чисто окружной неравномерности привалены на рис. 48.3

Рис. 48.3

При радиальной неравномерности (рис. 48.3, а) часть лопаток рабочих колес первых ступеней обтекается потоком с пониженными осевыми скоростями (по отношению к осредненным по расходу), т.е. с повышенными углами атаки, а часть с повышенными осевыми скоростями, т.е. с пониженными углами атаки. Аналогичная картина наблюдается и в НА. Обычно пониженные осевые скорости наблюдаются в периферийной части канала (см. рис. 48.3, а).

При окружной неравномерности (рис. 48.3, б) лопатки рабочего колеса периодически (в данном случае один раз за каждый оборот) попадают в область с пониженными осевыми скоростями воздуха, т.е. обтекаются с с повышенными углами атаки, а затем с пониженными. Развитие срыва потока требует времени. Поэтому кратковременное попадание в зону с закритическими углами атаки может еще не привести к к срыву потока.

Радиальная неравномерность потока по мере его прохождения по тракту компрессора ослабляется. Это объясняется тем, что в зонах с пониженными значениями с_а , т.е. с повышенными углами атаки, усилия на рабочих лопатках растут и, соответственно, они сообщают воздуху бóльшую работу, чем в зонах с повышенными значениями с_а. В результате полное давление воздуха за ступенью в зонах с пониженными значениями с_а увеличивается в большей мере, чем с повышенными, т.е. неравномерность поля р^* уменьшается.

Поэтому радиальная неравномерность потока на входе в многоступенчатый компрессор оказывает существенное влияние только на работу первых двух-трех ступеней, а на последующих ступенях почти полностью исчезает.

Окружная неравномерность выравнивается в значительно меньшей степени, чем радиальная, и ее влияние распространяется на все ступени компрессора.

Но и радиальная, и окружная неравномерности осевых скоростей на входе в компрессор и перед ступенями приводят к изменению местных углов атаки при обтекании лопаток компрессора, что влияет на создаваемый напор и запас устойчивости ступеней. Опасными являются зоны пониженных осевых скоростей, так как в этих зонах увеличиваются профильные потери, а рост местных углов атаки может привести к потере устойчивости течения.

Рис. 48.4

В результате неравномерность входящего в компрессор потока проводит к уменьшению его КПД и смещени границы устойчивой работы вправо, как примерно показано на рис 48.4.

Кроме того, окружная неравномерность опасна еще и тем, что она вызывает нестационарное обтекание лопаток и, помимо отрицательного влияния на аэродинамические характеристики решеток профилей, может возбуждать вынужденные колебания лопаток компрессора и приводить к усилению неравномерности поля температур перед турбиной.

Наличие областей с повышенными углами атаки и снижение КПД компрессора приводят к тому, что мощность, необходимая для вращения компрессора при том же расходе воздуха и той же осредненной степени повышения давления, оказывается большей, чем при равномерном поле скоростей на входе. Поэтому температура газа перед турбиной, вращающей компрессор, несколько возрастает, что в общем случае приводит к некоторому смещению рабочей линии на характеристике компрессора в сторону границы устойчивости (см. рис. 48.4). Это вместе со смещением вправо границы устойчивости приводит к существенному снижению запаса устойчивости .

В результате снижения КПД компрессора и некоторого уменьшения тяга (мощность) двигателя несколько снижается, а удельный расход топлива возрастает.

Нестационарность потокана входе в компрессор проявляется в виде колебаний (пульсаций) давления различной формы, частоты и амплитуды. Физическая сущность влияния пульсаций потока на характеристики компрессора и двигателя в целом является весьма сложной. Воздух, находящийся в проточной части компрессора, обладает определенной массой и инерцией. Поэтому колебания давления во входном сечении доходят до выходного сечения компрессора ослабленными. Кроме того, возмущения давления передаются по компрессору с конечной скоростью, и поэтому колебания давления на входе достигают выходного сечения с запаздыванием, т.е. со сдвигом фазы.

По мере увеличения частоты колебаний давления на входе изменение давления на выходе начинает все больше отставать по фазе. В результате в отдельные моменты времени (когда упало, а еще не успело понизиться) мгновенные значения величин и, следовательно, аэродинамические нагрузки решеток профилей компрессора, могут существенно повыситься. Рост амплитуды колебаний усиливает этот эффект. В результате этого наличие коле­баний давления перед компрессором вызывает уменьшение запаса его газодинамической устойчивости.

Механизм влияния случайных пульсаций и крупномасштабной турбулентности на работу компрессора более сложен и менее изучен, но, в конечном счете, также сводится к возрастанию мгновенных значений углов атаки в лопаточных венцах, т.е. к снижению запаса устойчивости. Но на осредненные значения тяги (мощности) и удельного расхода топлива ГТД пульсации потока на входе в компрессор заметного влияния не оказывают.

В заключение отметим, что двухконтурные двигатели менее чувствительны к аэродинамическим возмущениям потока на входе, что обусловлено демпфирующим влиянием канала наружного контура.