2.10. Применение теории подобия к течению газа в компрессоре

Из газовой динамики известно, что установившиеся течения газа являются подобными в том случае, если при обтекании геометрически подобных тел отношения скоростей, давлений и температур для любых сходственных точек в каждый момент времени являются одинаковыми.

В большинстве случаев с достаточной степенью точности подобие течений в компрессорах ГТД определяется только равенством чисел М.

Числа М, обеспечивающие подобие течений воздуха в компрессоре, носят название параметров подобия или критериев подобия режимов компрессора.

Вместо расхода воздуха и частоты вращения часто используют пропорциональные им величины, называемые приведенным расходом воздуха и приведенной частотой вращения.

Кроме того, на характеристиках компрессоров часто вместо истинного значения параметров приведенной частоты, приведенной окружной скорости, приведенного КПД и т.д. указывают относительные их значения, выраженные в долях или процентах расчетного.

2.11. Характеристики ступени компрессора

Из теории подобия делают вывод о том, что в каких бы условиях ни испытывался компрессор, при постоянстве чисел М всегда будут получаться одни и те же значения степени сжатия и КПД.

Изменение осевой скорости непосредственно сказывается на величине угла атаки на лопатках рабочего колеса и на величине закрутки воздуха в колесе, равной разности окружных составляющих относительных скоростей. Увеличение осевой скорости приводит к уменьшению угла атаки. Направление вектора окружной скорости за колесом при этом изменяется мало. В результате при увеличении осевой скорости закрутка воздуха в колесе уменьшается. Уменьшение осевой скорости, наоборот ведет к увеличению угла атаки и к увеличению закрутки воздуха в рабочем колесе.

Из-за превышения критических углов атаки в лопаточных венцах ступени возникает срыв потока, следствием которого могут явиться серьезные нарушения нормальной работы компрессора в эксплуатации.

Вследствие произвольных отклонений в геометрии отдельных лопаток и всегда имеющихся в реальных условиях асимметрии потока и крупномасштабной турбулентности срыв потока возникает не на всех лопатках одновременно. При этом напор, создаваемый попавшими в срыв лопатками, оказывается существенно меньшим, чем напор, создаваемый соседними элементами ступени, работающими еще без срыва.

Из-за этого различия возникает тенденция к возвратному течению воздуха, сжатого нормально работающей частью лопаток колеса, через области срыва навстречу основному потоку, и во многих случаях действительно возникает такое течение.

Возникшие срывные зоны, за редким исключением, не остаются связанными с одними и теми же лопатками колеса или аппарата, а перемещаются в окружно направлении. Это явление получило название вращающегося срыва.

Одной из причин перемещения (вращения) срывных зон является растекание воздушного потока по обе стороны занятых срывом межлопаточных каналов.

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, если он имел место, прекращается. Таким образом, зона срыва будет перемещаться в сторону, противоположную вращению рабочего колеса (в относительном движении), а если решетка принадлежит направляющему аппарату - перемещению срыва по направлению вращения колеса (в абсолютном движении).

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

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 в большинстве случаев такое, при котором они размещены равномерно по окружности и вращаются с одинаковой скоростью.

В зоне срыва часто наблюдаются обратные токи воздуха, направленные навстречу основному потоку. В результате сильного дросселирующего действия мощной зоны срыва и больших потерь в ней расход воздуха через ступень и создаваемый ею напор после возникновения срыва резко падают.

В первых ступенях 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 часть ее. В большинстве случаев критические углы атаки достигаются прежде всего в переферийных 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, которые вращаются со скоростью, равной 50-70% скорости вращения колеса. В зонах срыва наблюдаются обратные токи воздуха. Наличие срыва проявляется здесь лишь в снижении напора и снижении КПД ступени.