Срывные и неустойчивые режимы работы ступени

Как уже указывалось, при < _min из-за превышения критических углов атаки в лопаточных венцах ступени возникает срыв потока.

В результате исследования осевых ступеней в режимах срыва потока были получены следующие выводы:

1 Вследствие производственных отклонений в геометрии отдельных лопаток и всегда имеющаяся в реальных условиях асимметрия потока на входе в ступень срыв потока никогда не возникает на всех лопатках этой ступени одновременно. При этом напор, создаваемый попавшими в срыв лопатками, оказывается существенно меньшим, чем напор, создаваемый соседними лопатками, работающими ещё без срыва.

Из-за этого различия возникает тенденция к возвратному течению потока, сжатого нормально работающей частью лопаток колеса,, через область срыва навстречу основному потоку ( рис. 25).

Рис. 25

В то же время из-за вызванного срывом уменьшения реального проходного сечения ступени осевая скорость потока около той части лопаток, которая работает без срыва, может даже возрасти, что соответствует снижению местных углов атаки. Таким образом, первоначальное искажение потока усиливается и возникает чёткое и устойчивое разделение потока на зоны срыва и области нормального обтекания с углами атаки меньше критических.

2. Возникшие срывные зоны не остаются связанными с одними и теми же лопатками, а равномерно перемещаются в окружном направлении. Это явление получило название вращающегося срыва.

Одной из причин перемещения срывных зон является растекание потока по обе стороны заняты срывом межлопаточных каналов, показанное схематично на рис. 26.

Рис. 26

Из рис. 26 видно, что направление вектора скорости набегающего на лопатки потока по обе стороны от зоны срыва изменяются 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 переместится в правую сторону.

Для рабочего колеса эта зона срыва будет перемещаться против направления вращения колеса, а для направляющего аппарата – перемещение срыва направлено в сторону вращения этого колеса.

Было установлено , что при изменении частоты вращения ω рабочего колеса скорость вращения зоны срыва Ω изменяется почти пропорционально ω, так что относительная скорость вращения зон в широком диапазоне режимов работы ступени остаётся практически постоянной. На рис. 27 приведены результаты экспериментального определения при различных частотах вращения для трёх осевых ступеней.

Рси. 27

Экспериментально было установлено, что при прочих равных условиях скорость вращения срывных зон уменьшается при увеличении числа венцов в ступени, как это видно из рис. 28

Рис. 28. 1 – изолированное рабочее колесо; 2 – ступень без ВНА (РК+НА);

3 – ступень без направляющего аппарата (ВНА+РК);

4 – ступень, состоящая из трёх венцов (ВНА+РК+НА)

3. Число срывных зон может быть различным в зависимости от типа ступени и режима её работы. Если число зон превышает единицу, то эти зоны размещаются равномерно по окружности и вращаются с одинаковой скоростью.

4. В ступенях с большими значениями относительного диаметра втулки ( , 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.

Обычно возникает одна мощная срывная зона , занимающая от одной трети до половины окружности колеса(рис. 29) и вращающаяся со скоростью , меньшей половины скорости вращения ротора ( =0,1…0,4, см. рис. 28).

Рис. 29

В зоне срыва часто возникают обратные токи, направленные навстречу основному потоку. В результате сильного дросселирования давления в зоне срыва и больших потерь расхода напор ступени после возникновения срыва резко падает. Режим работы ступени скачком переходит в точку Б ( см. рис. 29). Характеристика ступени становиться размытой.

Таким образом, при дросселировании ступени с относительно короткими лопатками может наблюдаться неустойчивая работа, проявляющаяся в самопроизвольном переходе ступени на срывную ветвь её характеристики с существенно более низким уровнем напора, расхода и КПД.

Если из кочки Б продолжать уменьшать расход потока через ступень, то зона срыва возрастает в размерах, занимая всё большую часть окружности колеса.

Кривая БВ на рис. 29 отражает только изменение осреднённых значений и в этой области режимов, т.к. поток здесь существенно неравномерен по окружности колеса и во времени.

С увеличением расхода потока размеры срывной зоны уменьшаются, но вследствие описанной выше устойчивости срывной формы течения она сохраняется до значений , заметно превышающих значение в точке Б.

Только после существенного увеличения – до режима Г срывные зоны распадаются. И ступень переходит в точку Д ,соответствующую нормальной бессрывной форме течения.

Таким образом, у ступени с короткими лопатками наблюдается чётко выраженный гистерезис характеристики.

5. В ступенях с малым (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. Критические углы атаки достигаются прежде всего в периферийных сечениях лопаток, где и располагаются первоначально возникшие зоны срыва в количестве четырёх и более штук (рис. 30). Относительная скорость вращения этих зон показана на рис. 27, кривая 1.

Рис .30

Из-за относительно малых размеров первоначально возникших срывных зон характеристика ступени с длинными лопатками может не иметь разрыва при = _min (см. рис. 30). Наличие срыва здесь проявляется лишь в снижении напора и бола резком снижении КПД ступени при < _min , где по мере снижения коэффициента расхода размеры каждой срывной зоны постепенно увеличиваются как в окружном, так и в радиальном направлениях.

6. В ступенях с промежуточными значениями при < _min могут наблюдаться сначала небольшие срывные зоны, занимающие часть высоты лопаток и не вызывающие разрыва или излома характеристики, а при дальнейшем уменьшении расхода – резкое развитие мощных срывных зон, сопровождающие скачкообразным падением расхода и напора.

7. Срыв потока с поверхности лопаток ступени может иметь место не только при положительных, но и при больших отрицательных углах атаки, т.е. при >> _опт . Однако в этом случае отрыв потока происходит в условиях, когда значение не максимально, а, наоборот, очень мало или даже отрицательно. Поэтому резкого торможения потока в срывных областях не происходит. Наблюдается лишь увеличение гидравлических потерь в межлопаточных каналах и ещё более резкого снижения развиваемого ступенью напора.