что такое границы устойчивой работы компрессора

Граница устойчивой работы многоступенчатого компрессора

Изложенные выше особенности совместной работы ступеней во многом определяют форму и расположение границы устойчивой работы многоступенчатого компрессора.

Рассмотрим особенности возникновения срыва в нерегулируемом компрессоре при высоких значениях ,близких к расчетным, т.е. при1. В этом случае рассогласование ступеней невелико и на оптимальном режиме работы компрессора углы атаки на лопаточных венцах во всех ступенях также близки к расчетным. При уменьшении расхода воздуха наиболее резко будут увеличиваться углы атаки в последних ступенях компрессора и поэтому в рас­сматриваемом случае критические углы атаки будут достигнуты, прежде всего, в последних ступенях. Однако вследствие малого рассогласования ступеней углы атаки в остальных ступенях также будут близки к критическим. Возникновение срыва в какой-либо из последних ступеней, имеющих большие значения,как указывалось, сопровождается образованием срывной зоны значительных размеров и резким падением напора. Дросселирующий эффект, оказываемый срывной зоной на поток в соседних лопаточных венцах, и снижение расхода воздуха, вызванное падением напора (при неизменном сопротивлении сети), в условиях малых запасов по срыву в остальных ступенях приводят к очень быстрому (за несколько сотых долей секунды) распространению срыва на весь компрессор.

Рис. 5.15. Граница устойчивой работы

Описанная картина наблюдается обычно в диапазоне 0,9 и более. При значительном снижении приведенной частоты вращения ( 27 / 93 27 28 29 30 31 32 33 34 35 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Методика определения границы устойчивой работы осевого компрессора

Рубрика: Технические науки

Статья просмотрена: 553 раза

Библиографическое описание:

Михайлова, А. Б. Методика определения границы устойчивой работы осевого компрессора / А. Б. Михайлова, Д. А. Ахмедзянов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2010. — № 1-2 (13). — Т. 1. — С. 79-82. — URL: https://moluch.ru/archive/13/1035/ (дата обращения: 19.11.2021).

Неустойчивая работа компрессора является одним из наиболее опасных дефектов газотурбинных двигателей. Причиной возникновения неустойчивой работы компрессора, в конечном счете, всегда является срыв потока с его лопаточных венцов [4].

Как видно из рис. 1 [3], при уменьшении одновременно с увеличением угла возрастает угол атаки , с которым обтекаются лопатки РК.

Рис. 1. Изменение угла атаки при уменьшении осевой скорости

При увеличении угла атаки сверх некоторого критического значения возникает срыв потока с поверхности лопаток. При срыве происходит резкое увеличение угла (поток перестает следовать за направлением хвостовой части лопаток), в результате чего торможение потока в межлопаточном канале и повышение давления в нем почти прекращаются. Поэтому увеличение давления за ступенью при снижении осевой скорости воздуха происходит лишь до тех пор, пока углы атаки на рабочих лопатках (и на лопатках НА) не превышают критических.

Методика расчета характеристик осевых многоступенчатых компрессоров совместно с границей устойчивой работы реализована авторами в системе COMPRESSOR.

После задания всех необходимых входных параметров можно производить расчеты.

В качестве примера приведены результаты расчета трехступенчатого осевого компрессора в системе COMPRESSOR. Для расчета границы устойчивой работы необходимо задать критический угол атаки. На рис. 2 показаны сводные зависимости углов атаки всех ступеней от расхода отдельно для низконапорных и высоконапорных веток характеристики.

Рис. 2. Зависимости углов атаки от расхода для низконапорных (а) высоконапорных (б) веток

Проанализировав зависимости (рис. 2), можно сделать вывод, что в области малых частот вращения помпаж вызывается срывом потока с лопаточных венцов первой ступеней, а в области высоких – срывом потока в последних ступенях. Данный вывод соответствует реальной физической картине.

Имея зависимости угла атаки от расхода и зная критический угол атаки, можно обнаружить границу устойчивой работы компрессора при фиксированной частоте вращения, то есть выявить соответствующий границе устойчивости расход.

В исследуемой модели проводились расчеты для нескольких критических углов атаки. На рис. 3 приведены границы устойчивости для различных углов атаки. Здесь и далее характеристики обезразмерены.

Рис. 3. Сравнение границ устойчивости с различными критическими углами атаки

Как видно из рис. 3 на пониженных приведенных частотах вращения в первых ступенях достигаются значительные величины углов атаки, а на последних ступенях – отрицательные. Данный факт подтверждается приближением расчетной границы устойчивости к экспериментальной кривой на пониженных приведенных частотах вращения при повышении величины критического угла атаки, а также на повышенных приведенных частотах вращения при уменьшении величины критического угла атаки. Соответственно для удовлетворительной сходимости расчетной и экспериментальной границ устойчивой работы компрессора требуется дискретное задание ограничений по критическим углам атаки для различных ступеней – более высокие значения требуются для группы первых ступеней, более низкие – для группы последних ступеней.

В качестве методики построения границы устойчивой работы на характеристике используется ограничение по критическому углу атаки на рабочем колесе. Для упрощения расчетной модели возможно задание постоянного критического угла атаки по высоте пера лопатки и по различным ступеням каскада компрессора. Однако такое допущение вносит значительную методическую погрешность в расчет и в условиях требований высокой точности недопустимо.

Конкретные значения критических углов атаки можно вычислить с помощью кривой разработанной Хауллом, приведенной на рис. 4.

Рис. 4. Обобщенная характеристика различных решеток на нерасчетных режимах [7]

Таким образом, наиболее оптимальным и экспериментально обоснованным критерием для выявления границы устойчивой работы компрессора является следующее равенство:

Применение метода Хауэлла позволяет в значительной степени повысить адекватность математической модели и повысить точность определения границы устойчивой работы на характеристике компрессора за счет дифференцированного определения критического угла атаки для каждой ступени каскада.

После проведения расчета с дискретным распределением критических углов атаки была получена характеристика с границей устойчивости, изображенная на рис. 5.

Рис. 5. Сравнение расчетной и экспериментальной характеристик

Как показывает анализ кривых приведенных на рис. 21, дискретное расчетное задание ограничения по критическому углу атаки позволяет получить удовлетворительное совпадение расчетной и экспериментальной границ устойчивости компрессора.

В системе имитационного моделирования COMPRESSOR реализована методика построения характеристик осевых многоступенчатых компрессоров путем «сложения характеристик» отдельных ступеней. Данная методика позволяет получать достаточно точные результаты в широкой области приведенных частот вращения при ограниченном количестве исходных данных на начальных этапах проектирования за счет базирования на одномерном расчете по среднему диаметру и обобщенных экспериментальных зависимостях. Для определения границы устойчивой работы многоступенчатого компрессора используется ограничение по критическому углу атаки и обобщенная кривая Хауэлла для анализа работы каскада компрессора на нерасчетных режимах работы. Этот метод позволяет с достаточно высокой достоверностью получать границу устойчивой работы каскада компрессора. Таким образом, разработана комбинированная методика построения характеристик осевых многоступенчатых компрессоров в широкой области приведенных частот вращения совместно с границей устойчивой работы компрессора.

3. Белоусов А.Н., Мусаткин Н.Ф., Радько В.М., Кузьмичёв В.С. Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных лопаточных машин; Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2006. – 316 с.

7. S. L. Dixon, B. Eng., P. H. D. Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery, University of Liverpool. 1998, 320 p.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ.

Источник

Устойчивая работа компрессора в системе. Помпаж

Условия работы компрессора в системе при широком диапазоне изменения режимов в значительной степени зависят от взаимной согласованности характеристик компрессора и системы.

Как упоминалось, на режимах работы компрессора, близких к оптимальному, имеет место хорошее согласование потока газа с формой элементов проточной части. При существенном отклонении режимов от оптимального из-за возникновения ударного натекания, отрывов параметры потока газа не соответствуют геометрическим характеристикам проточной части. В потоке возникают различные вторичные течения, возникают сложные физические процессы.

Рассмотрим работу компрессора в системе (рис. 6.13) в случаях, когда характеристики компрессора и системы пересекаются в одной точке. В этих случаях точки пересечения характеристик компрессора и системы обеспечивают устойчивый режим работы компрессора. Если рабочая точка А расположена справа от точки К — максимума характеристики компрессора, то при кратковременном увеличении производительности ЛК давление рс системы становится больше давления рк компрессора. Кинетическая энергия газа, выходящего из компрессора, а следовательно, и производительность компрессора уменьшаются, т.е. восстанавливается первоначальный режим работы в точке А.

Кратковременное уменьшение производительности на ЛК создает условие, когда рк > рс. В этом случае кинетическая энергия газа, выходящего из компрессора, а следовательно, и производительность увеличиваются, т.е. восстанавливается первоначальный режим работы в точке А. Таким образом, любая режимная точка на нисходящем участке характеристики компрессора обеспечивает устойчивую работу компрессора.

Аналогичный ход рассуждений для участка характеристики слева от точки К (важно, чтобы было одно пересечение характеристик компрессора и системы). Если в точке А кратковременно изменяется производительность (увеличивается или уменьшается), рассуждая аналогично прежним случаям, приходим к выводу, что режимная точка может переместиться по характеристике системы в точке В или С. Следовательно, в точках А, В, С работа компрессора в системе устойчива. Работа компрессора устойчива на всем участке С — В характеристики компрессора.

Рассмотрим работу компрессора в точке А на восходящем участке характеристик (рис. 6.14,а,б). При уменьшении давления в системе производительность компрессора становится меньше, чем требуется в системе при новом давлении.

Поэтому давление в системе будет продолжать уменьшаться до достижения точки В. Положение точки В зависит от характеристики компрессора. В этой точке производительность может быть положительной или отрицательной (рис. 6.14,а и б). Так как расход системы больше производительности компрессора, давление в системе должно уменьшаться. Однако незначительное уменьшение давления в системе приводит к переходу компрессора из режима в точке В в режим в точке С. Так как производительность компрессора становится больше требуемой для системы, давление в системе растет, пока режим работы компрессора не достигает точки К, а в системе — точки К’. При незначительном увеличении давления в системе режим работы компрессора из точки К переместится в точку Е. Так как производительность компрессора в точке Е меньше требуемой в системе точки К’ (давление снова начнет падать и компрессор достигнет режима работы в точке В, а система перейдет в точку В’. Затем все режимы повторяются.

В результате в комплексе «компрессор — компрессорная система» возникнут автоколебания газа, сопровождаемые внезапными изменениями производительности и давления нагнетания компрессора. Такое явление известно под названием — помпаж компрессора. Точка на характеристике компрессора, левее которой возможен помпаж, называется граничной точкой пом-пажа.

При малых расходах поток газа с определенной степенью повышения давления занимает не всю полость проточной части, что приводит к расширению газа в определенных местах, часть потока газа из отвода возвращается обратно в рабочее колесо, а затем снова выбрасывается в отвод. Возникает так называемый вращающийся срыв потока газа в рабочем колесе. В результате этого происходит колебание давления и производительности, компрессор начинает работать с периодическими ударами, вибрацией. При определенных условиях может произойти прекращение подачи газа или даже разрушение компрессора.

При уменьшении производительности давление нагнетания растет до определенного максимального значения. При дальнейшем уменьшении ∇ начинается нестационарная работа компрессора с ударами и колебаниями параметров. Интенсивность и частота этих ударов зависят от величины рк, плотности перекачиваемого газа, емкости сети трубопроводов и других факторов.

Явление помпажа в компрессорах выражено более явно, чем в насосах, так как перекачиваемый газ в компрессоре и трубопроводе является аккумулятором энергии, способным вызывать упругие колебания в системе.

Кроме того, неустойчивая зона напорной характеристики газовых машин значительно шире, чем у насосов, главным образом за счет применения больших углов. Так, например, зона помпажа у многоступенчатых компрессоров достигает 60%, У нагнетателей наддува транспортных двигателей (β2 = 90°) она распространяется почти до номинального режима, т.е. для таких машин допустимы лишь перегрузки по производительности.

Теоретическая граница помпажа должна совпадать с режимом максимального давления. В действительности помпаж начинается при несколько больших производительностях.

Простейшее объяснение механизма возникновения неустойчивой работы компрессора дано на рис. 6.15.

В общем случае напорная характеристика Н = f(V) представляет собой кривую с двумя точками перегиба. Положение этих критических точек по оси абсцисс может быть различным.

Устойчивость работы машины в системе характеризуется способностью восстанавливать равновесное состояние после окончания действия возмущающих факторов, способных вывести систему из состояния равновесия.

Рассмотренные выше условия относятся к «статическому» состоянию системы. Если в системе есть аккумулятор энергии (резервуар, упругость трубопроводов), то при работе вблизи точки Ря макс имеет место колебание напора и производительности и может произойти скачкообразный переход режима в точку 4. Аналогично может иметь место скачкообразный переход режима из точки 1 в точку 5. Этот процесс может многократно повторяться. Такая неустойчивая работа компрессора, сопровождающаяся резким периодическим колебанием давления и производительности в системе (сети).

Частота и амплитуда колебаний зависят от характеристики компрессора, объема газа в системе, свойств перекачиваемого газа и др.

Для обеспечения устойчивой работы компрессор должен работать на ниспадающей части характеристики H = f(∇). Величина ∇п определяется из анализа формы характеристики компрессора и системы.

При проектировании компрессора границу помпажа стремятся переместить в зону меньших подач. Это достигается путем соответствующего воздействия на геометрические характеристики проточной части. В эксплуатации зону помпажа можно уменьшить снижением частоты вращения компрессора, уменьшением аккумулирующей способности системы. Для работы в непомпажной зоне компрессорная установка оснащается ацтипомпажным устройством, схема которого приводится на рис. 6.16. На нагнетательном трубопроводе включается антипомпажный регулятор (обычно струйного типа), соединенный посредством сервомотора с ан-типомпажным клапаном (АК). Когда потребление сети уменьшается до границы помпажа, включается регулятор производительности. Разница объемов выпускается в атмосферу или во всасывание компрессора.

Источник

Характеристика компрессора. Граница устойчивой работы. Помпаж.

В условиях эксплуатации высота, скорость полета и часто­та вращения изменяются в широких пределах, что становится причиной значительного изменения , , и т.д., а в некоторых случа­ях — появления неустойчивости в его работе. Поэтому возникает необходимость в определении указанных параметров и в проверке устойчивости работы компрессора на нерасчетных режимах. При этом для выбора рациональных условий работы компрессора в системе двигателя, для опреде­ления влияния различных условий эксплуатации на основные пара­метры, на устойчивость работы компрессора и т.п. необходимо распола­гать данными о всей совокупности нерасчетных режимов работы компрессора, которые могут встретиться при эксплуатации двигателя. Это относится как к компрессору в целом, так и к его каскадам. В дальнейшем в данной главе под термином ²компрессор² будет подразумеваться однокаскадный компрессор или отдельный каскад.

Зависимости, показывающие, как изменяются основные параметры компрессора (степень повышения давления и КПД ) при изменении частоты вращения n, расхода воздуха и условий на входе в него, называются характеристикой компрессора.

Характеристика компрессора может быть получена либо рас­четным путем, либо экспериментально. Взаимодействие лопаточных венцов и ступеней в многоступенчатом компрессоре на нерасчетных режимах работы носит весьма сложный характер. Поэтому точность расчетных методов определения харак­теристик компрессоров в настоящее время, несмотря на использо­вание ЭВМ, еще не всегда отвечает потребностям практики и наибо­лее надежным способом получения характеристик является опре­деление их в процессе испытания компрессоров на специальных стендах. Простейшая схема подобного стенда показана на рис. 5.1. Компрессор 2 приводится во вращение электродвигателем 5 через мультипликатор 4. Воздух поступает в компрессор через коллектор 1, 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.

По данным испытаний компрессора на подобном стенде строится его характеристика в виде зависимости степень 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 сперва при расчетной (для данной ) частоте вращения п = 100% (см. рис. 5.2). Пусть при этой частоте вращения и при неко­тором среднем положении дросселя 6 (см. рис. 5.1) ре­жим работы компрессора соответствует расчетному и отмечен на рис 5.2 точкой р. При прикрытии дросселя расход воздуха (вследствие уменьшения проходного сечения дросселя) падает. Соответственно уменьшается и осевая скорость потока воздуха в ступенях компрессора. Но при неизменной частоте вращения и соответственно неизменной окружной скорости рабочих лопаток это приведет к увеличению углов атаки на лопатках рабочих колес (см. рис. 3.9) и, следовательно, к росту усилий, необходимых для их вращения. В результате работа, затрачиваемая на вращение компрессора и передаваемая проходящему через него воздуху, возрастет, что приведет к росту работы сжатия воздуха, т.е. . Таким образом, прикрытие дросселя приведет к уменьшению и к возрастанию . При дальнейшем прикрытии дросселя это будет продолжаться до тех пор, пока режим компрессора не пере­местится в соответствующий точке г, после чего работа комп­рессора становится неустойчивой (см. ниже). Точка гявляется границей устойчивой работы компрессора при данной частоте вращения.

Помпажом осевых компрессоров принято называть явления автоколебаний малой частоты (порядка нескольких герц) всей массы рабочего тела в системе компрессор-сеть. Колебания по своей форме могут быть близкими к гармоническим. В режиме помпажа поток рабочего тела в пределах проточной части осевого компрессора может иметь самые различные формы движения, хотя наиболее характерными являются обратные токи [13].

Помпаж как таковой возникает при срыве потока на лопатках компрессора под влиянием больших положительных углов атаки. Например, если при неизменной частоте вращения увеличивать давление в нагнетательном патрубке, то прежде всего в последней ступени компрессора будет снижаться коэффициент расхода. При этом углы атаки на лопатках будут возрастать и в некоторый момент времени в последней ступени произойдет срыв потока и уменьшится напор компрессора.

Уменьшение напора должно восполниться за счет работы прежде всего предпоследней ступени. Но предпоследняя ступень сама уже работает вблизи неустойчивой зоны. Она не может обеспечить двойную нагрузку. Поэтому срыв потока произойдет и предпоследней ступени тоже. Поток воздуха устремится из нагнетательной линии в сторону всасывающей, что приведет к падению давления в нагнетательной камере. В какой-то момент времени давление в нагнетательной линии упадет настолько, что, вращаясь, ступени компрессора будут в состоянии вновь нагнетать воздух и поток вновь изменит направление своего движения. Таким образом, будут возникать колебания воздуха, вихри, различные направления движения воздуха в пределах проточной части компрессора.

Помпажные явления в осевом компрессоре могут охватить компрессор в целом и проявляться в виде периодического изменения давления воздуха на линии нагнетания, температуры воздуха, частоты вращения, а также повышенной вибрации агрегата и шума.

Меры борьбы с помпажом можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся мероприятия, применяемые при проектировании компрессоров с целью увеличения его рабочей зоны (dp_к/dG

Источник