Срывные и неустойчивые режимы работы ступени

Рассмотрим треугольники скоростей при различных с_а и при u = const (т.е. G_в= var, n = const) (рис.2.3). На входе в рабочее коле­со скорость потока неизменна по направлению, т.е. α₁ = const, и опре­деляется геометрией предыдущего направляющего аппарата. Из рис.2.8.,а видно, что величина β₁, существенно зависит от расхода (с_а). При отклонении скорости w_l от расчетного значения, т.е. при увеличении угла атаки сверх некоторой величины, зависящей от числа M_wl, проис­ходит срыв потока. При положительном угле атаки (i >0, рис.2.3, в) срыв происходит на спинке лопатки, отрицательном (i < 0, рис.2.3, б) - на ко­рытце.

Рис.2.3. Треугольники скоростей и схема обтекания решетки профилей потоком при G_в= var, = 1:

Вследствие производственных отклонений в геометрии отдельных лопаток, некоторой асимметрии потока и крупномасштабных пульсаций срыв потока может возникнуть вначале на какой-то одной лопатке. Для обеспечения механизма возникновения и распространения срывных зон так называемого вращающегося срыва часто используется схема, изо­браженная на рис.2.4. При возникновении срыва на отдельной лопатке сопротивление межлопаточного канала резко возрастает, расход через него падает. На соседних лопатках меняется угол атаки: на одной суще­ственно увеличивается, на другой - несколько уменьшается; в следующее мгновение срыв потока уже происходит в канале, где i возрос. Образует­ся зона вращающегося срыва, перемещающаяся в решетке направляю­щего аппарата по направлению вращения с угловой скоростью меньшей, чем угловая скорость ротора. В рабочей решетке зона вращающегося срыва перемещается против вращения. Срывных зон может быть одна или несколько. Скорость вращения срыва зависит от числа лопаток, час­тоты вращения ротора и других факторов.

Рис.2.4. Схема распространения вращающегося срыва в решетке

Рис 2.5. Распространение вращающегося срыва в ступени с втулочным отношением > 0,75

Вращающийся срыв по-разному проявляется в ступенях компрессора с различным втулочным отношением . При >0,75 срывная зона захватывает всю высоту канала (рис.2.5), при этом расход воздуха резко падает, так как срывная зона занимает от 1/3 до 1/2 окружности колеса. Ступень скачкообразно (рис.2.6) пере­ходит на срывной режим с су­щественно более низким уровнем напора, расхода и КПД. Вернуться на нормальную напорную ветвь ступень может при заметном увеличении расхода (гистерезисный характер возникновения и исчезновения срывных зон при изменении производительности).

Рис.2.7. Характеристика ступени с большим втулочным отношением в ус­тойчивой и неустойчивой зонах работы

В ступенях с малым втулочным отношением 0,5...0,6 срыв вначале захватывает не всю высоту лопатки, а лишь ее периферийную часть. При этом образуется несколько (до 6 и более) зон срыва (рис.2.8,а). Переход на неустойчивую ветвь характеристики происходит плавно, но при этом наблюдается разброс рабочих точек (рис.2.8,6). Между этими двумя крайними видами характеристик могут располагаться промежуточ­ные, Срыв потока с поверхности лопаток ступени может иметь место и при больших отрицательных углах атаки. Однако при ма­лых резкого нарушения работы ступени не происходит, а наблюдается лишь заметное увеличение гидравлических потерь.

Таким образом, вращающийся срыв - это сложный автоколебательный процесс, возникающий в проточной части компрессора в виде зон с нарушенным характером течения (срывных зон), перемещающихся с угловой частотой, неравной частоте вращения ротора, при уменьшении производительно­сти компрессора. Опасность вращающегося срыва заключается прежде всего в увеличении динамических нагрузок на лопаточный аппарат ком­прессора. Развитие вращающегося срыва с уменьшением расхода при­водит в конце концов к полной потере устойчивости потока, что ведет к появлению сильных колебаний давления в системе компрессор-сеть, к помпажу компрессора.

Помпаж - это колебательный процесс в системе компрессор-сеть, условно делящийся на несколько относительно устойчивых периодов. К первому периоду можно отнести развитие срыва потока при больших уг­лах атаки и связанные с этим факторы. При понижении расхода срывные области распространяются вдоль лопаток - это второй период. В третий период в ступени преобладают обратные токи. Во время четвертого пе­риода ступень "подхватывает" поток и сжимает его, при этом давление за ступенью восстанавливается до исходного, после чего опять наступает срыв потока и процесс повторяется до тех пор, пока не будет устранена причина помпажа. Продолжительность периодов, частота колебаний при помпаже зависят от нагнетательного трубопровода: чем больше объем камеры за компрессором и меньше абсолютное давление в ней, тем меньше частота колебаний. Помпаж сопровождается шумовым эффектом и сильной вибрацией всех элементов конструкции и тракта.

Рис.2.8. Схема расположения зон вращающегося срыва в ступени с ма­лым втулочным отношением (а) и характеристика той же ступени (б)

Важным является вопрос об определении границы устойчивой ра­боты ступени. Это понятие условно. Считают, что границей помпажа яв­ляется точка (линия) на характеристике (семействе характеристик), при переходе через которую в область меньших расходов в проточной части возникают заметные колебания параметров потока, появляется вибра­ция. Для данной машины положение границы помпажа зависит не только от характеристики компрессора, но и от характеристики сети.