Вращающийся срыв в турбокомпрессорах

Вращающийся срыв – это автоколебательный процесс в проточной части турбокомпрессора, при котором волны давления и скорости вращаются в проточной части с частотой, не кратной частоте вращения ротора.

Вращающийся срыв, как правило, предшествует помпажу, но в отличие от последнего не связан с характеристиками сети, а связан с отрывом потока в проточной части на режимах малой производительности.

Вращающийся срыв может возникнуть в любом элементе проточной части, где имеет место срыв потока. Однако сам отрыв пограничного слоя не обязательно приводит к возникновению вращающегося срыва.

Возникновение вращающегося срыва кроме ухудшения газодинамических характеристик, может вызвать недопустимый уровень вибрации ротора. Особенно серьезными могут быть последствия вращающегося срыва в центробежных компрессорах высокого давления, что обусловлено более высокими энергетическими уровнями.

Явление вращающегося срыва было установлено в 60–70-х годах XX века и важным моментом для исследования данного процесса являлось установление механизма его возникновения.

Рассмотрим механизм образования вращающегося срыва на примере рабочего колеса осевого компрессора (рис. 11.8). Случайное увеличение углов атаки на лопатке 2 приводит к увеличению зоны отрыва и частичному загромождению межлопаточного канала (уменьшению расхода газа через него). В результате поток газа перераспределяется между соседними межлопаточными каналами так, что угол атаки i ₁ на 1-й лопатке падает, а на 3-й – растет. Таким образом, срывная зона начинает перемещаться во вращающихся координатах в сторону противоположную вращению (). В неподвижной системе координат срывные зоны перемещаются по вращению РК, но с меньшей окружной скоростью.

Рис. 11.8. Механизм образования вращающегося срыва

 

Вращающийся срыв характеризуется следующими параметрами:

- число срывных зон z_{ср.з .} = 1, 2, …, 5, …;

- угловая скорость вращения срывной зоны , поскольку , то ;

- безразмерная угловая скорость вращения зоны ( 0…0,5).

Практически определить параметры вращающегося срыва можно, разместив, как минимум, два малоинерционных датчика давления, смещенных друг относительно друга на угол θ по окружности РК (рис. 11.9). Зарегистрировав на осциллографе смещение по времени между пиками диаграмм давлений Δτ можно определить угловую скорость зоны срыва, рад/с

и число срывных зон .

Рис. 11.9. К определению параметров вращающегося срыва

 

 

Рассмотрим особенности вращающегося срыва в осевых компрессорах.

В осевых компрессорах при небольших отношениях срывные зоны охватывают концы лопаток (рис. 11.10а). Причем с уменьшением производительности число этих зон растет, растет и амплитуда колебаний.
В ступенях с большим отношением срывные зоны полностью загромождают проточную часть по высоте лопатки, а напорная характеристика имеет разрыв (рис. 11.10б). Начало неустойчивой работы сразу вызывает колебания с большой амплитудой.

а) б)

Рис. 11.10. Характер образования срывных зон в проточной части осевого компрессора: а) малые ; б) большие

Механизм возникновения вращающегося срыва в лопаточных аппаратах центробежных компрессоров (РК и ЛД) аналогичен описанному выше механизму для осевых компрессоров, в качестве критерия выступают положительные углы атаки на входе в решетки, причем рабочее колесо более устойчиво к срыву, чем лопаточный и особенно безлопаточный диффузоры.

Для лопаточных решеток РК и ЛД условиями возникновения вращающегося срыва считаются следующие значения углов атаки соответственно и . Для БЛД таким условием является значение [12].

Вращающийся срыв в БЛД имеет следующие особенности:

1) низкая скорость вращения зон срыва ;

2) зоны срыва дислоцируются вблизи стенок диффузора, а в среднем сечении сохраняется положительная расходная составляющая скорости (рис. 11.11).

 

 

Рис. 11.11. Образование вращающегося срыва в безлопаточном диффузоре