Характеристики центробежных компрессоров

Все параметры компрессора, в том числе треугольники скоростей, определяются на расчетном режиме при оптимальном их соотношении, обеспечивающем безударное и безотрывное обтекание лопаток воздухом. В условиях эксплуатации, как уже отмечалось, изменяется режим работы двигателя и газовой турбины, а следовательно, и режим работы компрессора. На нерасчетных режимах у компрессора, как и у турбины, возрастают потери, обтекание становится ударным, снижается к.п.д.

Характеристиками компрессора называют зависимость его основных показателей от параметров, характеризующих режим работы.

Характеристики компрессора аналитически представляются функциональными зависимостями типа

(8.29)

Взаимозависимость параметров функций (8.29) вявном виде выразить трудно, поэтому характеристики, как правило, получают опытным путем, на экспериментальных стендах, и представляют их в виде графиков. Как и у турбин, различают нормальные и универсальные характеристики компрессоров.

Нормальные характеристики представляют собой зависимости и к.п.д. от расхода воздуха и числа оборотов при неизменных условиях на входе в компрессор. Такие характеристики часто назы­вают расходными, или напорными.

Универсальные характеристики представляют собой зависимость π_к и к.п.д. от параметров, определяющих подобные режимы работы компрессора. Все сказанное относительно подобных режимов работы турбин справедливо и для компрессоров. Подобие потоков в проточной части компрессора обеспечивается подобием треугольников скоростей и равенством чисел Маха на входе в колесо. При работе компрессора на подобных режимах отношения давлений, температур и скоростей воздуха на входе и выходе сохраняются одинаковыми, независимо от изменения числа оборотов, расхода воздуха и условий на входе в компрессор. На подобных режимах сохраняется также равенство параметров подобия и неизменность величин π_к и к.п.д. компрессора, которые зависят от отношений температур и давлений.

На рис. 8.7, а представлена расходная характеристика центробежного компрессора ТКР-14. По оси ординат отложена степень повышения давления π_к по оси абсцисс - весовой секундный расход воздуха G_B. Каждая ветвь характеристики соответствует определенному постоянному числу оборотов компрессора. Штриховкой отмечена граница помпажа. На характеристику нанесены также кривые постоянных к.п.д. компрессора.

Рис. 8.7

Из рассмотрения характеристики можно сделать следующие выводы: 1) при сохранении постоянства числа оборотов и уменьшении расхода воздуха величина π_к сначала увеличивается, а затем, достигнув максимальной величины, начинает снижаться; 2) чем больше число оборотов компрессора, тем больше степень повышения давления.

На рис. 8.7, б показан вид универсальной характеристики

при разных значениях параметра оборотов . По универсальным характеристикам можно определить эксплуатационные качества компрессора при любых условиях на входе. Уменьшение параметра расхода при неизменной величине параметра оборотов вызывает сначала увеличение, а затем, как и у расходной характеристики, уменьшение π_к. Если при постоянном числе оборотов уменьшать расход, то при некотором малом его значении работа компрессора станет неустойчивой.

Помпаж

Неустойчивость работы выражается в появлении вибраций лопаток и всего компрессора, усилении шума и возникновении пульсаций воздуха; в некоторых случаях наблюдается выброс воздуха во всасывающий патрубок. Все эти явления, характеризующие неустойчивую работу компрессора, принято называть помпажем. Границу помпажа, или границу устойчивой работы компрессора можно получить, определив для каждого числа оборотов режим, когда появляется помпаж, и соединив точки, характеризующие эти режимы, плавной кривой. Рабочие режимы компрессора располагаются вправо от границы помпажа; слева от нее устойчивая работа компрессора невозможна. Таким образом, граница помпажа устанавливает допустимую область эксплуатационных режимов работы компрессора.

Необходимо выяснить, хотя бы в общих чертах, причины, которые вызывают неустойчивую работу компрессора. Установлено, что явление помпажа обусловлено особенностями обтекания воздухом проточной части компрессора. Помпаж является следствием воздействия периодических срывов потока с передних кромок лопаток рабочего колеса и диффузора, сопровождающихся расширяющейся областью вихреобразования. Срыв потока объясняется тем, что на нерасчетных режимах работы компрессора направление относительной скорости воздуха не совпадает с направлением передних кромок лопатки. Однако не всякий срыв потока приводит к помпажу.

Чтобы выяснить условия появления помпажа, рассмотрим три характерных случая работы компрессора при постоянном числе оборотов (п = const, а следовательно, и и = const): 1) объемный расход воздуха равен расчетному (Q_B = Q_BP); 2) объемный расход воздуха больше расчетного ,(Q_В > Q_BP); 3) объемный расход воздуха меньше расчетного (Q_B<Q_BP).

Обратимся к графикам на рис. 8.8, иллюстрирующим условия обтекания рабочих лопаток и лопаточного диффузора компрессора в перечисленных случаях. Рис. 8.8, а соответствует расчетному режиму (Q_B = Q_BP), когда сохраняется соответствие между направлением вектора относительной скорости и конструктивным углом передних кромок рабочих лопаток . Плавным является также обтекание лопаток диффузора. Потери на удар и вихреобразование отсутствуют.

Рис. 8.8

Второй случай обтекания (рис. 8.8, б) наблюдается при условии, когда расход воздуха больше расчетного. При этом угол меньше конструктивного угла . Разность углов на рисунке указана величиной .

Срыв потока и образование вихрей происходят на вогнутой стороне рабочих лопаток и на выпуклой стороне лопаток диффузора.

При направлении окружной скорости и₁, показанном стрелкой, воздух под действием сил прижимается к вогнутой стороне рабочих лопаток, препятствуя распространению срывной зоны. По тем же причинам воздух, прижимаясь к выпуклой поверхности лопаток диффузора, не позволяет расшириться области срывов в межлопаточных каналах. Таким образом, в рассматриваемом случае срыв потока и вихреобразование не вызывают явлений помпажа, увеличивая лишь потери на удар и вихреобразование.

Если расход воздуха оказывается меньше расчетного, вектор относительной скорости с отрицательным углом атаки направлен так, что удар потока происходит в вогнутую поверхность рабочих лопаток, а срыв потока - с выпуклой поверхности (рис. 8.8, в). В диффузоре удар потока отмечается на выпуклой поверхности лопаток, а срыв потока - на вогнутой поверхности. Срывы воздушных потоков у осевых компрессоров в зависимости от изменений угла атаки могут происходить у вершины лопаток или у их корня. При значительном изменении угла атаки локальные срывы распространяются на всю высоту лопаток. Силы инерции способствует распространению срывной зоны по всему объему межлопаточных каналов рабочего колеса и диффузора.

При уменьшении расхода воздуха ниже определенной величины срывы потоков приводят к периодически повторяющимся «закупоркам» проточной части, сопровождающимся явлениями обратного выброса воздуха из компрессора. Работа становится неустойчивой, происходит периодическая пульсация давлений и скоростей воздуха. Воздействие переменных давлений приводит к вибрации лопаток и корпуса компрессора, т.е. появляются признаки ненормальной работы, которые характеризуют помпаж. Наступление помпажа зависит также от режима работы дизеля; например, опасность помпажа возрастает при неравномерном распределении нагрузки по цилиндрам.