Изменение нестационарной структуры потока в компрессорах, предшествующее нарушению газодинамической устойчивости. Эксперимент Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 928-929

УДК 621.45.037.015.2.533.6.013.4

ИЗМЕНЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОЙ СТРУКТУРЫ ПОТОКА В КОМПРЕССОРАХ, ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЕ НАРУШЕНИЮ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ.

ЭКСПЕРИМЕНТ

© 2011 г. Н.Н. Ледовская

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва

krashenin@ciam.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

На основании экспериментального исследования нестационарной структуры потока в моделях ступеней различного назначения для компрессорных узлов современных ТРДД обнаружено при подходе к границе газодинамической устойчивости физическое явление, характеризующееся: 1) формированием вследствие отрыва окружной неоднородности потока, вращающейся вместе с колесом; 2) перераспределением энергии пульсаций при уменьшении расхода воздуха в полосу частот А/= 0 — /рот 2рк. Получен признак для опережающей диагностики приближения к границе устойчивости.

Ключевые слова: компрессор, нестационарная структура потока, пульсации давления, спектральный анализ, газодинамическая устойчивость.

Анализ имеющихся результатов экспериментального исследования нестационарной структуры потока в компрессорах показал, что при уменьшении расхода воздуха через компрессор при одной и той же частоте вращения в рабочем колесе постепенно теряется устойчивость течения, что проявляется в дестабилизации течения в межлопаточных каналах рабочего колеса компрессора. В этом случае происходит изменение пульсаций давления, измеряемых на стенке над рабочим колесом. Датчики пульсаций показывают, что одновременно с изменением высокочастотной части спектра, проявляющимся в увеличении амплитуды гармоники частоты следования лопаток Ап1 и кратных ей частот Ап2 , Ап2 , ..., А^, возрастает среднеквадратичное отклонение давления в широкой полосе частот/= 0—40 кГ ц. Предварительный анализ измеренных нестационарных параметров на входе в ступени показал, что в проточной части наблюдается пульсирующая окружная и радиальная периодические неоднородности потока. Окружная неоднородность, вращающаяся вместе с колесом, описывается гармониками на частотах следования лопаток, а также роторными гармониками в низкочастотной части спектра. Интенсивность окружной неоднородности изменяется в зависимости от режима работы по частоте вращения и расходу воздуха. При приближении к границе устойчивости она усиливается при всех частотах вращения. Одновременно меняется спект-

ральный состав пульсаций давления в полосе частот А/= 0—/рот Zрк . Из-за изменения структуры и увеличения интенсивности окружной неоднородности потока обтекание лопаток в соседних межлопаточных каналах происходит по-разному, и структура потока в каналах разная. Различие усиливается по мере уменьшения расхода потока и приближения к границе устойчивости. При этом изменяется спектральный состав пульсаций во всем широком диапазоне частот. Происходит перераспределение энергии пульсаций в низкочастотную область спектра.

Эти данные получены при испытании большого числа модельных ступеней различного назначения. Анализ структуры течения в каналах периферийных сечений показал, что в оптимальных по эффективности режимах работы ступени течение в каждом межлопаточном канале «квазистационарно», то есть слабо изменяется по времени, но сильно различается в окружном направлении. При этом имеет место изменение по шагу решетки РК значений угла в1 , например в ступени — модели одноступенчатого вентилятора, в оптимальной точке характеристики при окружной скорости, близкой к расчетной, это изменение может составить до 35°, в соответствии с изменением по шагу измеренной осевой скорости потока (рис. 1). Периодичность течения, наблюдавшаяся в оптимальной точке характеристики, вблизи границы устойчивости изменяется.

По результатам проведенных исследований в

качестве критерия для распознавания указанных процессов предложен параметр П, характеризующий повышение интенсивности пульсаций давления, являющихся следствием образования окружной неоднородности во вращающихся лопаточных колесах. Для его формирования анализируются пульсационные характеристики потока в полосе частот а/= 0—1/2 /рот.^рк , определенные в оптимальной точке характеристики и вблизи границы устойчивости соответственно.

при приближении к границе нарушения газодинамической устойчивости увеличиваются в 2—5 и более раз в зависимости от близости режима к границе устойчивости.

dP'

Рис. 1

В качестве примера на рис. 2 показано формирование окружной неоднородности потока вблизи границы устойчивости на расчетной окружной скорости в ступени, являющейся моделью последней ступени КВД. На рисунке показаны временные реализации пульсаций перепадов полного и статического давлений перед и за ступенью, измеренных синхронно за период ґ = 3Трот до возникновения неустойчивости. Как показали исследования, проведенные на моделях типовых ступеней компрессора и натурных объектах, значения параметра

л0.5/пі л. /х~'0.5/пі

П=Ю'5 ’"Ai/sr

Ai

opt

t, мкс

Рис. 2

Определение параметра П основывается на физическом явлении, развивающемся до возникновения неустойчивости течения. Одним из показателей является окружная неоднородность потока, появляющаяся вследствие отрыва потока в РК, вращающаяся с ним и трансформирующаяся при фиксированной частоте вращения по мере изменения расхода воздуха.

Использование параметра П как диагностического признака приближения к границе устойчивости обеспечивает предотвращение возникновения вращающегося срыва и помпажа. Пороговое значение сигнала управления является функцией частоты вращения рабочего колеса и приведенной осевой скорости потока на входе и определяется в условиях устойчивой работы компрессора. Новизна подхода к диагностике границы газодинамической устойчивости подтверждается патентом РФ .№2354851 «Способ контроля режимов работы компрессора и устройство для его осуществления».

THE CHANGE OF UNSTEADY FLOW PATTERN IN COMPRESSORS BEFORE THE OCCURRENCE OF GAS-DYNAMIC INSTABILITY. EXPERIMENT

N.N. Ledovskaya

The experimental investigation of an unsteady flow pattern in the models stages of various purpose for the compressor assemblies of modern turbofans has revealed, when approaching the surge line, a physical phenomenon which is characterized by: 1) forming, as a result of separation, of a non-uniformity of the circumferential flow rotating together with the wheel; 2) redistribution of pulsation energy with the decrease of the air flow to the frequency band Af = 0-fwh Zwh. The symptom has been obtained and proposed for early diagnostics of the approaching surge threshold.

Keywords: compressor, unsteady flow pattern, pressure pulsation, spectrum analysis, gas dynamic stability.