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 нарушения нормальной работы компрессора в эксплуатации.

Экспериментальные исследование этих режимов 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 меньшим, чем напор, создаваемый соседними лопатками, 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 рис. 5.8. 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 ступени усиливаются, и возникает четкое и устойчивое разделение потока на зоны срыва и области нормального обтекания с углами атаки меньше критических.

 

Рис. 5.8. Течение воздуха в ступенис малым при <			Рис. 5.9. Схема течения воздуха в компрессорной решетке при возникновении срыва

 

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 (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 прекращается. Таким образом, зона срыва будет перемещаться в правую сторону.

Срывная зона в осевой ступени охватывает обычно одновременно и колесо и частично направляющий аппарат. Она вращается относительно стенок корпуса в сторону вращения колеса, но с угловой скоростью, меньшей угловой скорости вращения колеса.

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 срывных 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 (рис. 5.10, а) и вращающаяся со скоростью, меньшей половины скорости вращения ротора ( 0,1... 0,4).

 

Рис. 5.10. Типичный вид срывной зоны (а) и характеристики (б) для ступени с большой втулкой	Рис. 5.11. Типичный вид срывной зоны (а) и характеристики (б) для ступени с малой втулкой

 

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 на так называемую срывную ветвь характеристики с 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.

4). 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 её часть. 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.