Характеристики компрессоров и их регулирование

 

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 расчетного режима работы компрессора, на котором при заданных значениях  и должен 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 называются расчетными. 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 разности  между 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 вращения п и 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 давления  и КПД .

По данным испытаний компрессора на подобном стенде может быть построена его характеристика в виде зависимости степени повышения давления  и КПД  от расхода воздуха  при нескольких значениях частоты вращения n (и при имевших место в процессе испытаний значениях  и ), как показано на рис. 5.2.

Рассмотрим характер изменения  по  в 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 точкой р. При прикрытии дросселя, как показывает эксперимент,  и, следовательно,  обычно растут, a  падает, пока режим компрессора не переместится в соответствующий точке г, после чего работа компрессора становится неустойчивой (см. ниже). Точка г является границей устойчивой работы компрессора при данной частоте вращения.

Рис. 5.2. Характеристика компрессора при фиксированных условиях на входе

Если открывать дроссель (по сравнению с его положением, соответствующим точке р), то  и, следовательно,  будут падать, а  увеличиваться. 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 увеличение  становится невозможным. Этому явлению, получившему название "запирания" компрессора по входу, соответствует на рис. 5.2 точка в, ниже которой на характеристике появляется вертикальный участок. Но если и дальше продолжать открывать дроссель, то снижение  и, соответственно,  на этом вертикальном участке будет происходить только до некоторого минимального значения, отмеченного на рисунке точкой з, 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, а  и, соответственно, плотность  падают) происходит "запирание" каналов выходного аппарата последней ступени (скорость в горловинах каналов достигает скорости звука). Режим, характеризуемый параметрами компрессора в точке з, получил поэтому название режима "запирания" по выходу. Вся кривая, изображающая зависимость  от  при п = const, называется напорной кривой.

Рассмотрим, как изменяется КПД компрессора  при изменении сопротивления на выходе из него (положения дросселя). При п = 100% максимальное значение  достигается на расчетном режиме, т.е. в точке р. Как и при прикрытии дросселя (до точки г), так и при его открытии  уменьшается. Наиболее низкое значение  получается 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 дросселя  уменьшится, а вместе с ним упадут  и расход воздуха (через дроссель), т. е. вся напорная кривая сместится, как показано на рис. 5.2, вниз и влево. Кривая  также 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. Линия г-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 различных п, - граница "запирания" компрессора по выходу, а линия в-в - линия "запирания" компрессора по входу (при пониженных значениях n запирание по выходу достигается раньше, чем по входу). Линия о-о, соединяющая точки на напорных кривых, в которых при каждом значении п достигается максимальная величина  носит название линии оптимальных режимов. Наибольшее значение  достигается обычно при частоте вращения, меньшей расчетной (на рис. 5.2 при n = 90%). Чем выше n, тем круче становятся характеристики, а их вертикальные участки, расположенные ниже линии в - 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.