Неустойчивая работа центробежного компрессора: помпаж и вращающийся срыв, их причины и последствия.

При рассмотрении рабочего процесса в центробежном компрессоре мы применяли рассечение рабочей ступени цилиндрической поверхностью диаметром D₁ (ось цилиндрической поверхности совпадает с осью рабочего колеса – см. рисунок 2).

Рисунок 2. Сечение рабочего колеса центробежного компрессора цилиндрической поверхностью А-А.

(Слайд №4)

Развернув эту поверхность на плоскость, мы по­лучили плоскостное сечение рабочего колеса (рисунок 3).

Рисунок 3. Плоскостное сечение рабочего колеса центробежного компрессора.

Движение потока газа характеризуется следующими параметрами:

§ абсолютной скоро­стью С₁ , с которой газ поступает на вход в рабочее колесо из входного устройства;

§ окружной (пере­носной) скоростью U₁, с которой струйки газа вращаются вместе с рабочим колесом;

§ относительной скоростью W₁, с которой поток газа движется относительно межлопаточного канала.

(Скорость W₁ равна геометрической разно­сти абсолютной C₁ и окружной U₁ скоростей W₁= C₁ – U₁ . По правилу сложения векторов строится треугольник скоростей на входе в рабочее колесо (см. рисунок 3)).

§ Угол между вектором окружной скорости U₁ и вектором относитель­ной скорости W₁ обозначается β₁.

§ Конструкторский угол установки рабочих лопаток на диске на входе в рабочее колесо обозначается β_1л .

Разница между углами β₁ и β_1л называется углом атаки α = β₁ - β_1л

Рабочая ступень центробежного компрессора профилируются исходя из определенного (расчетного) режима работы, который характеризуется расчетной частотой вращения ротора, степенью повышения давления в ступени и соответствующим расходом газа через ступень. На расчетном режиме обеспечивается устойчивая работа компрессора с максимальными значениями коэффи­циента полезного действия и степени повышения давления.

Поток на ходе в ступень имеет осесимметричное течение (вектор абсолютной скоро­стью С₁ совпадает с осью рабочего колеса), при этом газ входит в межлопаточные каналы рабочего колеса безударно, так как вектор относитель­ной скорости W₁ совпадает с направлением передних кромок лопаток рабочего колеса ( ). Угол атаки потока во всех сечениях соответствует расчетному значению (α ≈ 0).

Вывод: проточная часть центробежного компрессора проектируется для наиболее эффективного (расчетного) режима работы, которому соответствуют вполне определенные скорости потока газа (относительная скорость W₁, окружная скорость U₁, абсолютная скорость C₁, расчетный треугольник скоростей).

В процессе эксплуатации центробежный компрессор (нагнетатель газа) может работать на различных режимах и при различных условиях, которые не всегда соответствуют расчетным. При работе центробежного компрессора на нерасчетных режимах параметры потока (скорости, давление, температура) в сечениях проточной части по сравнению с расчетными изменяются. Проходные сечения, подобранные для расчетного режима, в этом случае не будут соответствовать новым значениям параметров потока и в проточной части центробежного компрессора (нагнетателя) возникает срыв потока с образованием зоны завихрения. В результате эффективность работы центробежного компрессора резко снижается. Такой режим работы называется неустойчивым.

(Слайд №5)

Рассмотрим течение газа в проточной части центробежного компрессора на режимах работы, отличающихся от расчетного (см. рисунок 4).

Расход газа через ступень центробежного компрессора прямо пропорционален осевой составляющей абсолютной скорости потока С₁. Поэтому уменьшение или увеличение расхода газа G_в рассматривается как уменьшение или увеличение абсолютной ско­рости C₁.

При уменьшении расхода газа от расчетного (G_в<G_врасч.) угол атаки α увеличивается (см. рисунок 4б). Воз­никают удары с вогнутой стороны (корытца) и сры­вы потока с выпуклой стороны (спинки) лопатки. Вихревая зона из-за пониженного давления на спинке ло­патки распространяется по межлопаточному каналу, прони­кая вглубь и занимая все большую область. Это еще больше снижает расход воздуха и усугубляет данное явление. Наступает неустойчивая работа центробежного компрессора.

При увеличении расхода газа от расчетного (G_в>G_врасч) угол атаки α уменьшается (см. рисунок 4в). Воз­никают удары со стороны спинки лопатки, а со стороны ко­рытца - срывы потока. Вихревая зона из-за повышенного давления на корытце прижимается к профилю лопатки и вглубь канала не рас­пространяется. Гидравлические удары в лопатку и появление вихревой зоны увеличивает потери энергии, расходуемой на сжатие, что ведет к уменьшению степени повышения давления π_к. Однако неустойчивой работы компрессора не наблюдается.

а) – расчетный режим; б) – расход газа меньше расчетного; в) – расход газа больше расчетного.

Рисунок 4. Характер обтекания лопаток РК ступени центробежного компрессора при изменении расхода газа.

Вывод: к неустойчивой работе центробежного компрессора приводит снижение расхода газа относительно расчетного значения и возникающие при этом срывы потока со спинки лопатки.

(Слайд №6)

Неустойчивая работа центробежного компрессора (как и осевого компрессора) может проявляться в двух формах: помпаж или вращающийся срыв.

Вращающийся срыв возникает при обтекании потоком рабочих лопаток с положительными углами атаки, что как мы выяснили, связано с уменьшением расхода газа через центробежный компрессор. При достижении углом атаки критического значения происходит отрыв потока со спинок лопаток. При этом происходит снижение эффективной площади проходного сечения межлопаточных каналов, из-за чего происходит торможение потока и дальнейшее снижение расхода по проточной части компрессора.

При двух- или трехступенчатой схеме центробежного компрессора углы атаки возрастают во всех ступенях и срыв потока происходит на лопатках рабочих колес всех ступеней.

Лопатки, попавшие в зону срыва, сжимают газ неэффективно, давление за ними понижается, и через зону срыва происходит выброс ранее сжатого газа навстречу потоку. При этом зона срыва будет распространяться по направлению движения потока по проточной части, так как часть газа успевает выйти из нагнетательной улитки в трубопроводную обвязку.

В ограниченном пространстве кольцевой проточной части центробежного компрессора появление срывного режима течения на отдельных лопатках приводит к образованию дискретных срывных зон, которые вращаются в том же направлении, что и рабочее колесо, но с меньшей угловой скоростью. Поэтому данная форма неустойчивой работы и получила название вращающийся срыв. Возникновение вращающегося срыва приводит к падению напора ступеней центробежного компрессора, пульсациям давления и расхода газа высокой частоты и малой амплитуды, вследствие чего возникают значительные вибрационные напряжения.

При определенном сочетании объемов проточной части центробежного компрессора и присоединенных к нему активных элементов (нагнетательной улитки, трубопроводной обвязки) может наблюдаться другая форма неустойчивой работы, которую называют помпажом.

Помпаж - продольные автоколебания потока, возникающие в результате потери динамической устойчивости течения потока в автоколебательной системой с активными элементами, от которых при колебаниях к потоку может подводиться или отводиться энергия. Помпаж может происходить с различными частотами, соответствующими разным формам колебаний. В отличие от вращающегося срыва при помпаже возникают колебания давления и расхода воздуха низкой частоты и большой амплитуды (частота составляет 0,5 – 2,0 Гц в зависимости от аккумулирующих характеристик присоединенных активных элементов; обычно частота колебаний близка к собственной частоте колебаний массы газа, заключенной в проточной части центробежного компрессора и присоединенных к нему активных элементов). Вследствие инерционных свойств газа возникающие автоколебания могут периодически изменять режим работы центробежного компрессора с нормального на неустойчивый и обратно.

Возникновение помпажа сопровождается шумовым эффектом (в виде хлопков или гула низкого тона) и сильной вибрацией всех элементов конструкции, что приводит к возникновению больших динамических нагрузок во всех элементах конструкции двигателя, а также быстрым ростом температуры газа.

(Слайд №7)

Вывод: помпажные явления в центробежном нагнетателе газа сопровождаются несколькими явлениями, делающими работу нагнетателя неэффективной и опасной:

§Возникновение обратных потоков газа из выходного трубопровода в нагнетатель и через него во входной трубопровод (отрицательный расход газа);

§Резкая разгрузка приводного двигателя вследствие резкого падения расхода газа. На газотурбинных газоперекачивающих агрегатах это приводит к быстрому росту частоты вращения силовой турбины, что может вызвать серьезную аварию.

§ Резкие колебания расхода и давления вызывают значительную вибрацию нагнетателя, что приводит к возникновению значительных нагрузок на опорах, а также в узлах уплотнений вплоть до возможности их разрушения;

§ Нерасчётный режим обтекания лопаток приводит к переходу большого количества подводимой энергии в тепло и перегреву транспортируемого газа.