5.1. Характеристики компрессоров и методы их определения.

Определение геометрии проточной части и необходимого числа ступеней, а также формы и углов установки лопаток производится для т.н. расчетного режима, где при заданных значениях и должен быть максимальный . Режим работы определяестя скоростью и высотой полета и час­тотой вращения компрессора.

Соответствующие этому режиму значения , , , частоты вращения и других показателей работы компрессора так­же называются расчетными. Обычно расчетный режим соответствует работе компрессора с максимальной частотой вращения при температуре и давлении на входе в него, равных их значениям на уровне моря в стандартных условиях (, )

В условиях эксплуатации и высота, и скорость полета, и часто­та вращения изменяются в широких пределах. Это становится причиной значительного изменения , и . В некоторых случа­ях компрессор работает неустойчиво. Поэтому возникает необходимость в определении указанных параметров и в проверке устойчивости работы компрессора на нерасчетных режимах.

Для выбора рациональных условий работы компрессора в системе двигателя, для опреде­ления влияния различных условий эксплуатации на основные пара­метры и устойчивость работы компрессора и т.п. необходимо распола­гать данными о всей совокупности нерасчетных режимов работы компрессора, которые могут встретиться при эксплуатации двигателя.

Характеристикой компрессора называют зависимости, показывающие, как изменяются основные показа­тели работы компрессора  степень повышения давления и КПД  при изменении частоты вращения n, расхода воздуха и условий на входе.

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 5. 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. Из ком­прессора воздух поступает в ресивер 3, за которым находится дрос­сельная заслонка 6. имитирующая сопротивление газового тракта двигателя. Надлежащим изменением мощности электродвигателя и положения дроссельной заслонки можно устанавливать на испы­туемом компрессоре режимы с различными значениями частоты вращения п и расхода воздуха . Стенд оснащается измерительной аппаратурой, позволяющей в процессе испытаний определять, поми­мо расхода воздуха и частоты вращения, также значения полного давления и температуры воздуха на входе и выходе — . По этим величинам могут .быть определены значения степени повышения давления и КПД . Более подробные сведения о методах испы­таний компрессоров излагаются в специальной литературе.

По данным испытаний компрессора на подобном стенде может быть построена его характеристика в виде зависимости степени 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 частоте вращения п = 100% (см. рис. 5.2). Пусть при этой частоте вращения и при неко­тором среднем положении дросселя 6 (на рис. 5.1) ре­жим работы компрессора соответствует расчетному и изображается точкой р. При прикрытии дросселя, как показывает эксперимент, и, следовательно, обычно растут, a падает, пока режим компрессора не пере­местится в соответствующий точке г, после чего работа комп­рессора становится неустойчивой (см. ниже). Точка г является границей устойчивой работы компрессора при данной частоте вращения.

Если открывать дроссель (по сравнению с его положением, соответствующим точке р), то и, сле­довательно, будут падать, а уве­личиваться. Но увеличение расхода воздуха будет происходить только до определенного предела, пока в результате роста осевой составляющей скорости воздуха (при возрастании ) и, соответственно, в горловинах межлопаточных каналов рабочего колеса первой ступени компрессора скорость потока не достигает скорости звука, после чего дальнейшее увеличение становится невозможным. Этому явлению, получившему название "запирания" компрессора по входу, соответствует на рис. 5.2 точка в, ниже которой на характеристике появляется верти­кальный участок. Но если и дальше продол­жать открывать дроссель, то снижение и, соответственно, на этом вертикальном участке будет происходить только до некоторого минимального значения, отмеченного на рисунке точ­кой з, после чего дальнейшее открытие дросселя уже не изменяет режима работы компрессора. В этом случае из-за значительного увеличения скорости воздуха на выходе из компрессора (поскольку = const, а и, соответственно, плотность падают) происходит "запирание" каналов выходного аппарата последней ступени (ско­рость в горловинах каналов достигает скорости звука). Режим, ха­рактеризуемый параметрами компрессора в точке з, получил поэтому название режима "запирания" по выходу. Вся кривая, изображающая зависимость от при п = const, называется напорной кривой.

Рассмотрим далее как изменяется КПД компрессора при изменении сопротивления на выходе из него (положения дросселя). При п = 100% максимальное значение достигается на расчетном режиме, т.е. в точке р (что свидетельствует о аккуратности расчета). Как и при прикрытии дросселя (до точки г), так и при его открытии уменьшается. Наиболее низкое значение получается на режиме запирания по выходу.

Рассмотрим теперь как изменится напорная кривая и кривая при изменении частоты вращения ротора компрессора. Если, например, уменьшить частоту вращения, то вследствие снижения окружной скорости уменьшится работа, затраченная на вращение каждой ступени, и, следова­тельно, работа сжатия воздуха. В результате при каждом положении дросселя уменьшится, а вместе с ним упадут и расход воздуха (через дроссель), т. е. вся напорная кривая сместится, как показано на рис. 5.2, вниз и влево. Кривая также сместит­ся влево.

Диапазон частот вращения (от 60% до 110% расчетного значения), для которого приведены на рис. 5.2 напорные кривые и линии , охватывает основную часть эксплуатационных режимов компрессора авиационного ГТД. Линия г-г, соединяющая здесь точки, соответствующие границе устойчивой работы на каждой напорной кривой,  граница устойчи­вых режимов работы (ГУР) компрессора. Линия з-з, соединяющая точки, соответствующие режимам запирания компрессора по выходу при различных п  гра­ница "запирания" компрессора по вы­ходу, а линия вв  линия "запирания" компрессора по в­ходу (при пониженных значениях n запирание по выходу достигается раньше, чем по входу. Линия о-о, соединяющая точки на напорных кривых, в которых при каждом значении п до­стигается максимальная величина носит название линии оптимальных ре­жимов. Наибольшее значение до­стигается обычно при частоте вращения, меньшей рас­четной (на рис. 5.2 при n = 90%). Чем выше n, тем круче становятся харак­теристики, а их вертикальные участки, расположенные ниже линии в — в, за­нимают все бóльшую часть общей про­тяженности напорных кривых.

Детали протекания характеристик зависят от типа компрессора, расчет­ной степени повышения давления и ря­да других факторов. Но общий их харак­тер, изображенный на рис. 5.2, одинаков для любого компрессора.