Виды нестационарных процессов

 

Наличие в проточной части турбокомпрессоров неподвижных и вращающихся лопаточных аппаратов приводит к тому, что даже на режимах устойчивой работы течение газа является нестационарным, т.е. параметры потока зависят от времени: P = f (), T = f (), C = f ().

Нестационарные процессы определяют границы устойчивой работы турбокомпрессора, потери напора в проточной части, а также влияют на динамическую прочность деталей и аэродинамический шум.

Нестационарные процессы в турбокомпрессорах можно разделить на две группы (рис. 11.1) – аэродинамические и аэроупругие.

В аэроупругих процессах в отличие от аэродинамических, основную роль играет связь между аэродинамическими характеристиками ступени и упругостью элементов конструкции (лопаток). В центробежных компрессорах преимущественно наблюдаются аэродинамические нестационарные процессы, хотя возможны и аэроупругие процессы в компрессорах высокого и сверхвысокого давления и в ступенях с полуоткрытыми рабочими колесами.

В свою очередь аэроупругие процессы различают двух видов (рис. 11.1).

Аэродемпфирование – это процесс затухания колебаний лопаток при взаимодействии их с потоком газа.

Флаттер – это процесс возбуждения упругих колебаний в решетках лопаток, при котором энергия черпается от потока газа.

Аэроупругие процессы в большей степени влияют на динамическую прочность деталей турбокомпрессоров, эти явления изложены в [31].

Характеристики случайных аэродинамических процессов, таких как турбулентность и локальные отрывы потока, имеют вероятностный характер.

Для детерминированных процессов могут быть предсказаны законы изменения аэродинамических параметров, связанные с частотой вращения ротора, изменением потребления сжатого воздуха в течение суток.

Переходные процессы возникают при изменении режима работы компрессора (пуск, остановка, изменение начальных параметров, изменение запросов потребителя).

Для периодических процессов характерно циклическое изменение параметров потока (Р, С, Т) с периодом, связанным с периодом вращения ротора или с периодом автоколебательного процесса, вызванного потерей устойчивости.

Все эти процессы могут протекать одновременно, и пренебрежение какими – либо из них должно быть основано на анализе амплитуд и частоты пульсаций. Например, на записанной с помощью датчика давления тензометрического или пьезометрического типа диаграмме можно выделить периодическую составляющую и проанализировать пульсации, носящие случайный характер
(рис. 11.2) [7].

 

Рис. 11.1. Классификация нестационарных процессов

 

Рис. 11.2. Осциллограмма давлений

 

Текущее значение давления можно представить в виде суммы

, (11.1)

где – среднее по времени значение параметра потока ;

– периодическая составляющая; – случайная составляющая.

Если , то , т.е. поток считают стационарным.

На устойчивом режиме работы частота пульсаций пропорциональна числу лопаток колеса и числу оборотов ротора (рис. 11.3). При потере устойчивой работы (вращающемся срыве) частота периодической составляющей пульсаций меньше частоты вращения ротора примерно в 10 раз. При попадании компрессора в помпаж частота пульсаций давления еще меньше, примерно в 100 раз, чем частота вращения ротора.

 

Рис. 11.3. Частотный анализ пульсаций на различных режимах
работы компрессора