автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Анализ процессов и разработка методов повышения эффективности компрессоров на нерасчетных режимах работы

/• Г о ' I .•>

..ХАРЬКОВСКИЙ ГОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ 'ШСШУТ

. г,г' " . : .

На правах рукописи ■ ^ ' ... Герасименко Владимир Петрович

АНАЛИЗ.ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВШШИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПРЕССОРОВ НА НЕРАСЧЕТНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

05.04.12 - турбомащины и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Харьков - 1993

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Харьковском авиационном институте Научный консультант -доктор технических наук, профессор Ер>:ов Влади;гир Николаевич ;

Официальные оппоненты:. .

1. доктор технических наук, профессор Терещенко ЕрйП Матвеевич;

2. доктор технических наук, профессор Гаркуша Анатолий Викторович; .

3. доктор технических наук, профессор Косяк Юрий Федорович

.Ведупее предприятие - Харьковское конструкторское бюро" по

двигателестроению* Миниащпром, г.ХарькоЕ

Защита состоится " 16 " декабря 1993. г.

на заседании специализированного ученого совета Д 063.039.01 при Харьковском политехническом институте (310002, Харьков, ГСП, ул. Фрунзе,'21). '

С диссертацией можно ознакомиться , в библиотеке Харьковского политехнического института .•".-•■ (310002, Харьков, у^. §{)унзе, 21)

1993 г.

Зэйченко Е.Т.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного ученого совета

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Компрессоры широко применяются в газотурбинных двигателях и энергетических установках, в системах турбонадцува дизелей и во вспомогательных агрегатах, на газоперекачивающих станциях и в химической промшленности. Значительную долю времени в их эксплуатации замигают нерасчетные режимы работы. Отличительные особенности.компрессоров, определяющие сложность протекающих процессов, - диффузорный характер течени.1 в межлопаточных каналах, сжимаемость рабочей среды, действие полей центробежных и кориолисовых сил в рабочих колесах, леретекзние в радиальном зазоре и парные вихри,' взаимодействие лопаточных венцов наиболее сильно проявляются на нерасчетных режимах. Рассогласование ступеней в многоступенчатом . компрессоре при изменении режимов работы, ухудшение в связи с этим характеристик решеток профилей их-лопаточных венцов, нару-' шение газодинамической устойчивости, неравномерные условия на входе, проявление нестационарных эффектов при взаимодействии • лопаточных венцов,- основной перечень нерасчетных условий, которые приводят к ухудшению экономичности и снижению' надежности компрессоров. В связи с этим актуальной является задача разработки методов аэродинамических расчетов с учетом перечисленных эффектов на основе углубления изучения процессов и предлажение мероприятий, устраняющих или ослабляющих неблагоприятные условия работы компрессоров на нерасчетных режимах, и, таким образом, повыщащях их экономичность и надежность, ; " Большой вклад в совершенствование аэродинамики компрессоров внесли ученые и инженеры: К.В.Холщевников, С.А.Довкик, А.II, Гофлкн, Г.Ю.Степанов, А.С.Гинев'скиЙ, В.О.Бекнев, К.А.Ушаков, И.В.Брусиловсккй, Р.М.Федоров, В.Н.Ершов, О.Н.Емин, Ю.'М.Терещенко, В.Т.Митрохин,.Л.Е.Ольштейн, М. И,Жуковский,. В.И.Гнесин, ' В.Н.Котовский, Ф.Ш.Гельмедов,-Н.Е.Ддйч, Г.С.Саыойлович, К.П. .Селезнев, Ю.С.Подобуез, Н.М.Марков,_ А.'Н.Шерстюк и многие другие. Практический опыт накоплен в коллективах, возглавляемых' генеральными и главными конструкторами: Н.Д.Кузнецовым, Ф.М.Му-' рав^енко, В.М.Чепкиным,.В.К;Кобченко, В.И.Романовым, Ю.Е.Ре- . шетниковым,-Н.К.Рязанцевым, А.А.Саркисовым, Е.В,Левченко и . другими. . .

Хорошо известны работы в области аэродинамики компресса- . роз,-выполненные в ЦАГИ, ЦИАМ, ЦКТИ,' МГТУ, МАЙ, МЭИ, академии.

• ' ' з ' . . V

им. Н.Е'.Куковского, КВВАИУ и других организациях.

Несмотря на большое количество накопленных опытных данных, имеющийся опыт расчетов и проектирования, дальнейшие поиски путей повышения экономичности на-нерасчетных режимах работы ■ компрессоров, расширения диапазона их эксплуатационных режимов, обеспечения надежности, уточнения Методов расчета, чему посвя-? щшл-диссер;гациош!ая работа, остаются важными и актуальными.

Диссертационная работа ¿ь'поЛнейа~в соответствии с координационным планом целевой комплексной научно-технической про- •' граммы АН УССР и ¡Линавиапрома "Разработка научных основ и методов повышения надежности и долговечности авиационных. ПД путем оптимизации характеристик лопаточного аппарата турбины и компрессора", 1976-1980 гг.; координационным планом комплексной программы All УССР и Минавиапрома "Разработка методов повышения надежности авиационных ГТД .на основе совершенствования спосо- ' бов проектирования и применения новых материалов и технологий',1 1981-1965 гг.; научным направлением "Повышение эффективности рабочих процессов и разработка систем технической диагностики авиационных двигателей"; целевой темой "Надежность и эффективность работы двигателей летательных аппаратов"; координационным планом HiiP АН УССР по проблеме "Повышение надежности и долговечности ГТД", согласно приказа по АН УССР и Минавиапрому Л 284/510 от 17.10.86 r.j планом работ отраслевой лаборатории ХАИ на I98I-I990 гг., утверзденным Минавиапромом и Минвузом СССР и согласованным с ЦИАМ им. П.И.Баранова; планами работ по', госбюджетным и хоздоговорным темам с предприятиями авиационной промышленности, Ыинсудпрома, машиностроительной отрасли в 19741992 гг.

. Цель работы - повышение эффективности компрессоров газо- ■ турбинных двигателей и энергоустановок-в широком диапазоне режимов эксплуатации, включающем' нерасчетные режимы работы; увеличение запасов газодинамической устойчивости; повышение надежности и увеличение ресурса; снижение затрат при проектировании, доводке и эксплуатации-

Поставленная цель предопределила необходимость' решения в совокупности следующих основных задач: - определить условия рассогласования ступеней многоступенчатого компрессора при изменении режима его работы с целью выработки предложений по ослаблению неблагоприятных эффектов путем регулирования -и других мер воздействия на поток;

• 4 ' ■

исследовать особенности обтекания лопаточных венцов на пред-срывных режимах с целью ввделения характерных признаков в качестве диагностических сигналов для систем противопомпажной -защиты;

- разработать методику расчета осесимметричной формы потока по высоте рабочей лопатки компрессорной ступени в широком диапазоне устойчивых режимов вплоть до границы срыва;

- выполнить анализ условий возникновения вращающегося срыва в ступенях осевого.компрессора с целью уточнения критериев срыва для определения границы неустойчивой работы; '

- оценить'роль радиальных течений в пограничном слое на вращающейся лопатке в особенностях обтекания профилей по высоте лопатки на предсрывных режимах и условиях "зарождения зон срыва;

- провести исследование режимов вращающегося срыва компрессорных ступеней.с целью разработки методик расчета формы потока

на этих режимах и построения левых ветвей характеристик;.

- оценить влияние взаимодействия лопаточных венцов в ступени осевого компрессора из-за следов за лопатками на характеристику ступени и выяснить возможности ослабления этого влияния;

- определить возможности ослабления влияния перетеканий, в радиальном зазоре, окружной и радиальной неравномерности потока на работу компрессорной ступени» а также расширения диапазона ее устойчийых режимов о помощью щелевых надроторных устройств;

- разработать методики, обеспечивающие повыпение эффективности исследований нерасчетных режимов работы компрессоров и их элементов. . "

Научная новизна работы состоит в комплексном подходе к изучению нерасчетных режимов работы компрессора, заключающемся

- в единстве теоретического и экспериментального анализа с . использованием специально разработанных методик;

- в изучении явлений и эффектов, обусловленных нерасчетными режимами работы компрессора, и установлении причинно-следст-. венной связи мзжду ними}.

- в установлении причин ухудшения условий обтекания лопаточных венцов нр нерасчетных режима* работы и .предложении мероприятий по их устранений или ослаблению. '"..•'

'Такой подход позволил получить следующие новые результаты:

- установлена связь вариационного принципа максимума потока механической энергии с интегральным термодинамическим принципом ¡1 определены границы применимости его частных формулировок

'■••Л 5

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие взаимодействия элементарных сечений по высоте лопатки рабочего колеса компрессорной ступени и определены условия, при которых необходим учет этого взаимодействия;

- на осьиве вариационных принципов разработаны методы расчета формы потока в проточной части компрессорной ступени в широком диапазоне расходов, в том числе с зонами вращающегося срыва, определения границы срыва и построения левых ветвей характеристик;

- разработана методика экспериментального определения трехмерной структуры потока в зонах вращающегося срыва и проведены исследования в ступенях "осевого компрессора; .

- обнаружены новые признаки предерывного состояния потока, в компрессорной ступени и на их основе предложены способы прогнозирования неустойчивых режимов работы компрессора и выявления' ступеней, инициирующих нарушение устойчивости;

- предложены три новых способа регулирования многоступенчатого компрессора и методика согласования его ступеней;

- показана возможность значительного повышения эффективности исследований нерасчетных режимов работы компрессоров и их элементов путем использования многофакторного планирования, экспе-р>1ментов, математического моделирования, методов оптимизации и . разработки специальных методов исследования;

- предложены мероприятия по расширению диапазона устойчивых режимов работы компрессорных ступеней, уменьшению перетеканий

в радиальном зазоре над рабочими лопатками, выравниванию окружной и радиальной неравномерности потока, выбору оптимального соотношения рабочих и.направляющих лопаток, и другие.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов диссертации базируется на:'

использовании результатов экспериментальных исследований при разработке математических моделей и методов расчета;

- сопоставлении результатов расчетов с опытными данными;

- использовании апробированных методик измерений и обработки опытных данных, приборов и техники проведения эксперимента при соблюдении условий подобия;

- разностороннем подходе к- изучению одного и того же явления;

- широком использовании опубликованных данных другими авторами при сопоставлении результатов исследования;

6 -

- применении математических методов планирования мцогофактор-ных экспериментов и статистической обработки результатов;

- использовании фундаментальных положений теории вариационных принципов термодинамики и механики.

Практическое значение работы. Поставлены и решены задачи определения формы потока в проточной части компрессора в широком диапазоне расчетных и нерасчетных режимов, включая режимы вращающегося срыва; определения границы нарушения устойчивой работы компрессорной ступени и левых ветвей ее характеристик. Разработана новая методика измерений и обработки данньяфтрук-туры трехмерного потока с зонами вращающегося срыва. Такая информация необходима как в аэродинамических расчетах компрессоров на режимах вращающегося срыва и при расчете левых ветвей характеристик, так и в прочностных расчетах при определении силового воздействия потока на лопатки.

Обращено Енимание' на необходимость учета взаимодействия сечений по высоте лопатки при.проектировании лопаточных венцов по разным законам закрутки потока с использованием обобщенных данных продувок плоских решеток .профилей.

Предложенные способы и устройства прогнозирования и диагностики нарушения устойчивой работы компрессоров обеспечивают повышение их надежности и увеличение ресурса, а также выявление ступеней - инициаторов 'нарушения устойчивости, что важно на стадии доводки для их перепрофилирования с целью расширения области устойчивой работы компрессора. Регулирование компрессоров предложенными, способами расширяет диапазон устойчивых режимов их работы, 'повышает их экономичность и надежность.

Сформулированы рекомендации по выравниванию окружной и радиальной неравномерности потока, уменьшению перетеканий в радиальном зазоре, расширению области устойчивой работы с помощью надроторных устройств, выбору оптимального соЪтношения числа лопаток в лопаточных венцах. Это позволяет улучшить технико-экономические показатели компрессоров, а также двигателей и- энергоустановок. в_ целом.

, Показана -возможность значительного повышения эффективно- ' сти' исследований, компрессоров и их элементов благодаря применении .многофакторного планирования экспериментов^

' С ,помоо1ью предложенных подходов выявлены некоторые резервы улучшения .характеристик компрессоров авиационных двигата-' . 7

лей, энергоустановок, вспомогательных агрегатов, нагнетателей надлува двигателей внутреннего сгорания.

Исследования выполнялись, как госбюджетные и хоздоговорна работы, по заданиям ЦИАМ им. П.И.Баранова (г.Москва), ХКЕЩ -ПО "Завод им. Малышева" (г.Харьков), НПО "Машпроект" (г.Николаев) ,.ЗМКБ" "Прогресс", ЗПО "Мотор-С1ч" (г.Запорожье). Результаты используются на этих предприятиях. •

Личный вклад автора заключается:.

'-.в выполнении теоретического анализа вариационных принципов, неравновесной термодинамики, условий рассогласования ступеней в многоступенчатом компрессоре, особенностей развития явлений •в лопаточных венцах; ' •

- в разработке методик расчетов и внесении предложений по прогнозированию нарушения устойчивых режимов работы компрессоров и о путях повышения их эффективности на нерасчетных режит мах;

- в проектировании и изготовлении модельных компрессорных ступеней и экспериментального оборудования, разработке методик, подготовке и проведении опытных исследований, обработке результатов;

- в разработке программного обеспечения расчетов и обработки экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- I Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов", г.Москва, февраль 1976 г.;

- П Всесоюзной, научно-технической конференции "Современные . проблемы двигателей и энергетических установок летательных

аппаратов", г.Москва, февраль-1981 г.;

' - Республиканской научно-технической конференции"Математичес-кие модели процессов и конструкций энергетических турбомашин в системах их автоматизированного проектирования", г.Готвальд, сентябрь 1982-г.;,

- Всесоюзной межвузовской конференции "Газотурбинные и комбинированные установки"г.Москва, ноябрь 1983 г.;

- Республиканской научно-технической конференции "Математические модели процессов и конструкций энергетических турбомашин в системах их автоматизированного проектирования", г.Гпт-

8

вальд, сентябрь 1985 г.;'

' -' Ш Всесоюзной научно-технической' конференции "Современные проблемы двигателей и энергетических.установок летательных аппаратов", Х.Москва, февраль 1986 г.} .

- Всесоюзной'межвузовской конференции "Газотурбинные и комбинированные установки", г.Москва, ноябрь 1987 г.;

- всесоюзном семинаре■"Проблемы лопаточных машин ГТД", г.Мос-кэа, МАИ, май 1990 г.; ..

- отраслевом семинаре "Аэродинамика и устойчивость осевых компрессоров", г.Москва, ЦЙАМ им. П.И.Баранова, июнь 1990 г.;

- Всесоюзной научно-технической- конференции "Методы и средстт ва машинной диагностики. ГТД и их элементов", пос. Рыбачье, сентябрь 1990 г,;

' - Д межотраслевой научно-технической-конференции "Проблемы газовой-динамики "двигателей и силовых установок", г.Москва, ноябрь 1990 г.;.

- Ш отраслевой научно-технической конференции "Аэродинамика и газодинамическая устойчивость' компрессоров ГТД", г.Москва, февраль 1991 г.;

всесоюзном научно-техническом семинаре по газотурбинным и комбинированным установкам, г.Москва,.МГТУ им. П,И.Баумана, -февраль 1991 г.;

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников ХАИ им. Н.Е.Жуковского, 19741990 г. г.;

• - научно-технических семинарах ХАИ им. Н.Е.Жуковского, 19841990 г.г,академии им. Н.Е.Жуковского, г.Москва, 1990 г.; НПО "Машпроект", г.Николаев, 1990 г,} ЗМКБ "Прогресс", г.Запорожье, 1992г.; КВВАИУ, г.Киев, 1992 г.5 .-научно-технических согетах ЗГО "Мотор-С1ч", г.Запорожье, 1992 г.; ХКВД ПО "Завод им.Малышева", г.Харьков, 1992 г.

• Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы •в 19 печатных работах, изложены в 26 отчетах о неучно-исследовательских работах, 12 тезисах докладов. Получено 9 авторских свидетельств и 4 положительных решения по заявкам на изобретения. -..."','■". , ■ " '.

■ -Объем, и структура работы. Дизсертационная работа состоит из введения, шести разделов,, заключения, списка литературы, содёртагдего 316 наименований; и приложений.

' 9

Работа изложена на 352 страницах машинописного текста, содержит 9о иллюстраций и 8 таблиц. Приложения - 15 стр.

СЦЦЕРШПЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены проблемы," связанные с нерасчетными режимами работы компрессоров, обоснована актуальность работы и сформулированы основные задачи исследования-.

Первый раздел посвящей анализу нерасчетных режимов работы компрессоров, условиям рассогласования ступеней в многоступенчатом компрессоре, особенностям формирования трехмерного пограничного слоя на вращающейся лопатке при безотрывном и отрывном обтекании, нарушению устойчивой работы и представлению характеристик компрессора, режимам вращающегося срыва. Здесь также' содержится обзор работ, позволяющий выяснить место рассматриваемых в диссертации задач исследования, определить основные проблемы повышения эффективности, компрессоров на нерасчетных режимах работы и наметить пути их решения, установить наиболее характерные особенности протекающих процессов на этих режимах. , ' ■

Во втором разделе представлены расчетно-теоретические исследования режимов работы компрессорной ступени в широком диапазоне расходов. Используются вариационные методы теоретического анализа, одним из главных преимуществ которых в сравнении с решением дифференциальных уравнений движения газа является применение прямых методов вариационного исчисления, что существенно упрощает решение задачи и часто дает возможность пре- . одоления трудностей, связанных с ее нелинейностью. Приведенные примеры опубликованных исследований свидетельствуют об этом. Особенно это важно при разработке высоких уровней математических моделей в задачах аэродинамики компрессоров и систем ' с компрессором.

' Применен вариационный принцип максимума потока механической энергии, предложенный В.Й.Ершовым. Согласно этому принципу в ступени осевого компрессора реализуется такая форма течения, которая обеспечивает максимум потока механической энергии У через определяющее сечение / при каком-либо фиксированном

расходе & [ У * ] НрСа Щ = тлХ >

\GijfiCadf = СОП5±.

* 10 • '

Определяющим сечением вгбирается поверхность активного диска, заменяющего рабочее й'олесо турбомашины, на котором происходит изменение механической энергии на величину Н . Переход в данной изопериметрической задаче от исследования функционала У на условный экстремум'к исследованию на безусловный экстремум, функционала при осесимыетричном потоке

3--2Л('м(НрОа -ЛрСа) го(г (2)

позволил получить с помощью вариационного уравнения Эйлера

М Г д 32 п

■ дШ '

следующее нелинейное выражение

. ЖрёГ) л г Иг[ д(рс*)'\~

гд

В уравнении Эйлера (3) плотность лагранжиана 2Т в данном случае представляет подинтегральнул функцию функционала (2), обобщенная координата - Лункция П;(х) - термодинамический параметр плотность тока .рСц , а производные по, пространственным координатам д/дХи. =1,3) являются обычными составляющими оператора Гамильтона ^/йХ^ » гДе ¿"«с ~ единичные

орты. . ' «г? *

Показано, что принцип максимума потока механической энергии вытекает из интегрального термодинамического принципа Дьярмати - "основного принципа процессов рассеяния" неравновесной термодинамики

л/[б-(у-Ч>)]4я.*/пах, (5)

где 6 - производство (источник) энтропии .в единице объема за счет действия необратимых сил; у и У - локальные потенциалы рассеяния Рэлея; ■ Л - объем. . * Согласно публикациям плодотворность интегрального принципа Дьярмати применительно к задачам гидродинамики подтверждается . тем, что из него можно получи*ь уравнения Навье-Стокса, уравнения турбулентного течения Рейнольдса.и другие уравнения.пе- ' реноса. -

• -Записав плотность лагранжиана «Г в виде, при которое из : вариационного принципа Дьярмати получены уравнения Навье-Стокса, и змленив интеграл по объему двойным интегралом (по площа-" II

ди сечения / и вдоль оси лопаточного венца- по линиям тока), можно получить выражения при наличии или отсутствии энергообмена, соответственно • '

JjOCbfailrHf-i-Lrpt^dj. -- max-, (б) . jJ/)Ca(Hi.i +ктр{-г)с1/ * min, (6?)

где С - энтальпия; Lrp 4-г - работа диссипации. ■ Исследование этих функционалов на экстремум приводит "к интегральным уравнениям энергии, а их сопоставление с принципом максимума потока механической энергии в виде (2) свидетельствует об их аналогии при.условии, что значения множителей Лаг*. ранжа Л соответствуют "характеристикам ( ~Lrp)i'g ияи ~ 1»тр 4~2 в зависимости от расхода.

Ввиду того, что при получении из принципа Дьярмати уравнений (6), (6*) интегрированием вдоль оси предполагается интегрирование вдоль линий (поверхностей) тока, то это эквива-. лентно использованию характеристик сечений по высоте лопатки при применении принципа максимума потока механической энергии (2). Для решения уравнения (4) требуются характеристики сечений в ввде Н-Н(Са,Са, i) вместо обычно принимаемых Н ■■

-H(Cm.t).

Нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка (4) можно ■ заменить. системой двух уравнений первого порядка, если ввести замену (например, для несжимаемой жидкости, Что в полной мере относится_и для сжимаемой жидкости) с помощью обоб-' щенного импульса /■/

Я . <«

' ' ■ • ;

При наличии данных о. зависимости энергообмена по высоте

лопатки от градиента расходного компонента скорости Са решение существенно упростится, если плотность лагранжиана 5L при использовании уравнения Эйлера (3) представлять_в виде сумма функций от каждой переменной с* к

C« (ила уС* )

.что в общем случае вариационных задач с использованием интег-

рального принципа Дьярмати соответствует выражению Тогда уравнение. Эйлера (3) сводится 1- виду

т~ > {10)

которому соответствует при .осесимметричном течении, в определяющем сечении выражение • .

д(НС*). 1. / 4Ш). ,тт.

•где Ц - радиальный компонент обобщенного импульса И . Без учета взаимодействия элементарно сечений по высоте лопат-

■ ки выражение (II) принимает вид:'

. . (12) Теоретический анализ и опытные исследования'показывают, что условие (12) приемлемо на режимах обтекания лопаточных венцов, близких к расчетным, в сечениях по высоте лопатки, удаленных от ограничивающих кольцевых поверхностей. Однако на режимах отрывного обтекания лопаток из-за появления интенсивных ради- . • альных перетеканий, происходит существенное взаимодействие сечений по высоте лопатки, поэтому нельзя принимать условие ^/¿2 а 0. Специально проведенное исследование, на двухкоьтурном вентиляторе подтверждает существенное влияние на величину капора в каком-либо сечении по высоте лопатки градиента осевой составляющей скорости по радиусу (дСа/с1ъ )•

Отсутствие характеристик сечений в виде НН(Ра.Рц не позволяет пока определить- точное решение'уравнения (4). Учитывая установленную, в опытных исследованиях особенность отрывного обтекания лопаток рабочих колес, при-котором обтекание втулочных сечений стабилизируется на режимах вплоть до возник-. -. новения вращакхцегося. срыва,. а также с учетом'распределения те- : оретически проанализированных возмущений потока и эксперимен-

■ тально подтвержденных загромождений каналов по* высоте лопатки пограничными слоями, создающими эти возмущения, ■ определен пр'иг

ближенный вид условия-на этих режимах

гДе ~ множитель Лагранжа, соответствующий режиму дости-

жения' критических условий для. отрывного обтекания лопаток;

Т- параметр режима по расходу через лопаточный венец при "

13 .'

отрывном обтекании лопаток.'

_ Таким образом, при безотрывном обтекании лопаток используется условие (12), а при отрывном-(13). Общая схема решения задачи по определению совместной работы сечений по высоте лопатки на модельной ступени с характеристиками сечений в виде парабол, полученньтс обобщением статистических данных, при использовании условий (12) и (13) представлена графически на рис. I. Проверка полученного решения на трех ступенях с малым относительным диаметром втулки с виде сравнения расчетных- к экспериментальных распределений осевых составляющих скорости по высоте лопатки за рабочим колесом (рис. 2) свидетельствует о хорошем согласовании результатов в широком диапазоне расходов. Согласно представленному решению с уменьшением расхода • через ступень осевого компрессора критические условия для'от-, рыва пограничного слоя в исследоааннмк ступенях с мальм отно-сительнмм диаметром втулки вначале достигаются у корня рабочих лопаток, тогда как условия дяя нарушения устойчивости и возникновения зон частичного вращающегося срыва - у концов лопаток. Эти данные таюке подтверждаются опытными'исследованиями.

Использование принципа максимума потока механической : энергии для. анализа течения в ступенях на режимах частичного вращающегося срыва вариационным методом приводит к исходному функционалу (при f>* Canst ) вместо^выракения (2^).

kit Я} «I

где l - число оон срыва; ■

/7 - плотность штока энергии внутри .зоны; ¿у -'утловая протяженность, не занятая зонами ернва, на рассматриваемом радиусе; , , .

- радиус распространения зон срыва. .Варьирование функционала по переменным О а. , R , ¿if

приводит к системе уравнений:

Ш+Ф-'Ш-?* ш

а на радиусе из условия непрерывности параметров вне зон срыва - .

г

W

7 и ûj QS

Q OJ Q~2 0.3 ÛV'0,5 ûâC:g С 0.9

! а

"FI \ л!—к tt i

В \ \ р

4 Ь,

i *

ОА Щ ф ¿,0 ¿Г

Рис.. I. Определение совместных • режимов работы сечении

а), характеристики сечении: —

---йИС=/дСс, УНС^С^О;

— •—линии совместных: режимов

' работы сечений; ■ ~

б) ¡эюоры осевоП скорости Сл :

--безотрызное обтекание лопат.ок

--- течение с отриром

¡¡ропьрка -¡четной модели на' опь'тти ступенях а) С—14; б) С-16; в)" С-1Й

-безотрывное обтекание

лопаток;

---течение с отрывом;

одо» — Опь'т; — -— — расчет.

а $

Рис. 3. Определение "(¡¡¡ни потока р. ступени ости го компрессора с »частт и вращаю-,imv.cn срьвг.н

. • ~ W; i$Te>----вт"--лини» соЕяесгнаго"

режима работе сечений вне зоны сгща. : JO .

Ш^-Л-О;

оСа ' у D ,

- И~ (18)

Т.к. на режимах.частичного вращающегося срыва течение вне. зон . срыва стабилизируется (в том числе и при обтекании втулочных сечений лопаток), то для получения замкнутой системы уравнений может быть использовано дополнительное условие:

• . (19)

Графическое представление решения системы уравнений (15)—С19) на модельной ступени с обобщенными характеристиками сечений по высоте лопатки изображено на рис. 3. Данные о плотности потока .. энергии П внутри зон срыва могут быть получены из предположения постоянства-по окружной координате в зонах срыва и Вне зон за рабочим колесом или за ступенью среднего статического давления р6нх • - - f t

или Ла-^а,,

где М-г= PSb^-Pt* .

Проверка полученного решения на двух опытных ступенях по-., зволила с удовлетворительной, точностью получить значение ради'-" уса распространения зон-срыва . Такое решение соответст-

вует формированию эо>1 при уменьшении расхода через ступень не их делением, а образованием новых,,что подтверждается опытными исследованиями других авторов.'

Определение критерия возникновения вращающегося срыва в компрессорных ступенях на' основе.принципа'максимума потока ме-..ханической энергии свелось к выражению для коэффициента расхода на границе срыва

ñ 6е"*-:

Rrfi-fí. + AC¿» > (20)

где на основании статистических данных'.коэффициент А может быть принят рримерно равным 0,105; ' - . --■

Н* i Оа„- значения•коэффициентов напора и расхода, соответ- ■ ствукидие максимуму ,7- Н0<* на правой ветви характеристики; ' - .. ' " Цгр ' - значение коэффициента напора на границе ерьшз, что требует знания формы характеристики /■/ » /7(Са) . -Проверка полученного выражения на 83 ступенях с опытными характеристиками дала среднеквадратичную погрешность 5%, о на 28 ступенях с расчетными характеристиками менее 10%. По всей со-

16 i ' .

вокупнооти ступеней погрешность получена - 7,9%.'

'. Использование принципа максимума потока механической энергии как. основа для выполнения статистических обобщений данных позволило получить метод расчета левых ветвей характеристик в

Ч&ъО-к.),

где А - коэффициент, определяемый по статистическим данным;

И С " значе"ия коэффициентов напора и расхода в опорной в* .точке на характеристике при полном срыве_соо?ветст-вуют ^^х . , а при частичном срыве - Ит(,я ! ^ - характеризует потери в зонах срыра, В качестве примера на рис, 4 представлены данные по характеристикам двенадцати.ступеней при частичном вращающемся срыве, которые свидетельствуют о достаточно хорошем их согласовании с. аппроксимациями в-виде прямых линий,. Характеристики компрессорных ступеней на. режимах полного, срыва также могут быть аппроксимированы прямыми ЛИНИЯМИ. ' .' •

При глубоком дросселировании ступеней вращающийся срыв переходит в другую форму с диагональным направлением потока в рабочем колесе, определяющим расход через ступень. При этом напорная ветвь характеристики иа ниспадающей переходит в возрастающую Такая форла левой ветви характеристики типичная для вентиляторных ступеней, в которых возможна диагональная форма течения. -

Дано также объяснение величине разрыва в характеристиках при возникновении вращающегося срыва и глубине впадины на ее левой ветв«.

В третьем разделе кратко описаны экспериментальные стенды, на которых проведены.испытания ступеней осевого компрессора в широком диапазоне режимов, в том числе и на рёкимах вращающегося срыва.. Представлены оснсзные геометрические параметры- Ю'-й . осевых компрессорных ступеней, результаты испытаний которых были использованы для опытной проверки теоретических решений, ' в • качестве, статистических данных для обббцзний, для изучен.ш процессов на нерасчетных режимах работы. Ступени отличаются законами- профилирования по высоте, лопатки и почетными значениями напоров и расходов (Рг<* 0,15...0,325} К. •> 0,38...0,505). • : -. '. • 17 • • ■ - ■ .

Большинство из них имеют малый относительный диаметр втулки 3 " 0,4...0,6.

•Изложены методики испытаний и обработки опытных данных, как Общепринятые, так и специальные. Специально разработанная методика измерений структуры трёхмерного периодического потока с использованием сферических насадков и малоинерционной аппаратуры позволила исследовать вращающийся срыв с определением векторных полей скоростей, полного и статического давлений. Предложена также методика испытания двухконтурной вентиляторной ступени. Исследования проводились при окружных скоростях 11н ~ 160...280 м/с, режимы вращающегося срыва исследовались при ЦИ.» 60...110 м/с. В'параметрических исследованиях использовалось планирование эксперимента. •

. Оценка погрешностей эксперимента выполнена с использованием общепринятых методик при доверительной вероятности 0,95. Максимальные! относительные погрешности при; определении суммарных характеристик ступеней, в том числе на режимах вращающегося срыва, составляли соответственно по величинам - На, : 0,5%, 0,65% и 1,6?». Структура потока при наличии зон вращающегося срыва определялась с максимальными относительными погрешностями в зонах срыва по разным величинам от 9% до 23;5>а. Причем о наибольшей ошибкой'находились радиальные составляющие . скорости' в зонах срьша; Погрешности определения параметров потока вне зон срыва примерно в 2'раза меньше. .

Во второй Участи раздела помещены результаты опытных исследований. Для 9-и вариантов'Компрессорных ступеней представлены распределения параметров готока по высоте лопатки во. всех меж-венцовых- зазорах от входа до выхода' из ступени в широком диапазоне режимов работы по расходу. Выявлен целый ряд особенно--стей; В частности установлено, что-при отрыве пограничного слоя на рабочих лопатках с переходом на режимы' вр.аи!ающегося • ' ' срыва-обтекание привтулочной части лопатки стабилизируется» В ■периферийной же части-лопатки наблюдаются резкие изменения параметров с появлением пульсаций потока при изменении режимов." ■ По распределениям параметров в этих ступенях построены характеристики сечений по-выоотэ лопатки, Зт"и распределения пара-метрев йспбльзовалиеь также.для обобщений'данных' при построении характеристик сечений модельной.ступени в расчетно-теоре-тических исследованиях, '.. •. . ■

Для двухконтурной вентиляторной ступени, кроме того, представлены распределения параметров при трех степенях двухконтур-ности. Установлено, что характеристика какого-либо сечения зависит от градиента расходной составляющей скорости по радиусу. Это Подтверждает результаты теоретического анализа во втором разделе. Степень двухконтурности влияет также на развитие вра-» вдающегося срыва. Так, если для степени двухконтурности /?7я 1,0 переход к неустойчивым режимам обусловлен возникновением полного однозонного срыва с относительной скоростью вращения зоны

0,38о, то при та 0,5 вначале возникал шестизонный частичный вращающийся срыв с » 0,59, который с уменьшением' расхода через ступень переходил в полный однозонный срыв с ¿4« = 0,36. При ГПл 2,0 вначале возникали интенсивные нерегуЛяр-. ные пульсации потока во втором контуре, что сопровождалось резким ухудшением характеристик этого контура и уменьшением на ~ 30;5 степени двухконтурности. Параметры внутреннего контура ■ почти не изменялись. Дальнейшее уменьшение расхода через ступень приводило к образованию зоны полного вращающегося срыва с . ¿5, = 0,5. При этом резко ухудшались параметру внутреннего контура без заметного снижения их в наружном контуре. Относительный диаметр_втулки на входе в рабочее колесо этого вентилятора составлял с1 * 0,645.

Переход других семи ступеней с' 3 я 0,435...0,577 к режимам вращающегося срыва сопровождался в зависимости от типа » ступени как образованием зон частичного срыва, так и полного. Утверждения, опубликованные в литературе, о том, что тип. срыва определяется однозначно относительным диаметром втулки или удлинением рабочих лопаток не подтвердились. На режимах вращающегося срыва особенно сильно•проявляется взаимодействие лопаточ- " ных венцов. Так например, увеличение осевого зазора в двухзвен-ном вентиляторе С-12-1,5 с 5 = 0,5 меязду РК и СА и полное устранение СА приводило к.возникновению вначале полного одно-.. зонного срыва,, который при меньших расходах переходил в двух- . зонный срыв. Постановка в эту ступень ВНА с лопатками прямого профиля не приводила к заметным изменениям типа стыва и числа зон, но уменьшила на 20$ частоту вращения зоны срыва. Тогда как в трехзвенной ступени' С-7 с а а 0,577 устранение ВНА приводило (согласно опубликованным данным) к возникновению полного срыва вместо частичного. В отличие от ступени С-12-1',5 устране-• , 20

ние К!А в ступени С-7 изменяло зано^ закрутки потока по высоте лопатки.

Изменение параметров потока за один период вращения зоны срыва, в ступени С-12-1,5 и векторные шля скоростей в системе координат, связанной с зоной срыва, полученные по' разработанной методике, в качестве примера приведены на рис. 5 и 6. В зоне срыва Имеется.выброс закрученного потока на вход в рабочее ко- . . лесо в периферийных сечениях. Такой выброс наблюдался и при частичном срыве в других ступенях, но с меньшей интенсивностью, на что влияли лопатки ВНА. Влияние взаимодействия лопаточных . венцов на структуру течения при вращающемся срыве еще сильнее проявляется в многоступенчатых компрессорах, где происходит . взаимодействие ступеней.

Четвертый раздел- содержит анализ различных особенностей, связанных с нерасчетными условиями обтекания лопаточных венцов . в компрессоре. Диффузорный характер течения в межлопаточных каналах лопаточных венцов компрессора - одна из важнейших особен- ■ .ностей, от глубокого изучения которой во многом зависит возможность повышения эффективности компрессоров, особенно на нерасчетных "режимах работы. Многочисленные публикации по исследованиям прямолинейных и криволинейных.диффузоров, критериям отрыва пограничного слоя и развитию отрывных явлений в диффузорах позволяют .дать' ответы на ряд-вопросов, связанны* с'границей срыва потока. Так, сопоставление 14-и критериев отрыва турбулентного пограничного слор, полученных разными авторами, свидетельствует об их существенном отличии в значениях эквивалентной величины формпараметра Н * 1,8...3,5. Такое отличие может быть объяснено (не исключая возможных ошибок) рядом причин: ..необходимостью использования двухпараметрического подхода вместо однопараметрического; обращением в нуль нйпряже'ния трения на стенке или неустойчивостью при отрыве; влиянием побочных эффектов, которые требуется исключать при сопоставлении данных разных исследований; наконец, принятием разными авторами за момент отрыва при определении значений критериев разных признаков - точек на характеристике диффузора. В качестве признаков отрыва в разных работах используются: момент начала отрыва; момент достижения максимума коэффициента-давления на характеристике диффузора;-признаки развитого отрыва. Достижение критических условий для отрыва в диффузорах, как известно, определя-' 21

а

Qfu

J-.a . UN

Г» 0.95 0.2

нГ

Yt

Cm

-

Жъ

л Иге У* г

Г.Ц313

r*№

— £ Ч"

ЯГ I 'г .J' г

%ст и——"f-"—•

О z.

0 OJ OA 0.6 O.i J О 0,2 м 06 0,6 т переЗ РК за -РК

Рис. 5. Изменение параметров потока при однозонном • срыве в ступени С-12-1,5 (Со <= 0,28) .

а

...............................««мм..........

I . (I и 1<<П/Н И)Н( JII {<) I; «)}■

'/////JJW///j>y/j/И //////f// г,'

,iim.iu..ii(HlHlltliui|tiiHi4iiJM

' Рис. '6. g.jKgp^cgeti g 30^ой срыва в ступени

ется не только углом раскрытия, но относительной длиной, а в криволинейном диффузоре еще и углом поворота его оси. >,

• ч Значительно усложняется картина течения в ди;|фузорном лопаточном венце и особенно в рабочем колесе, где к перечисленным особенностям прибавляются: поперечные перетекания в пограничных слоях на.лопатках;.взаимодействие пограничных слоев на ло- • патках с пограничными слоями на ограничивающих кольцевых'поверхностях, что приводит часто .к отрыву в угловой прикорневой зоне;, действие центробежных и кориолисовых сил на частицы в пограничных слоях; перетекание в радиальных зазорах над лопатками и другие. ' . . 4

При разработке критериев возникновения вращающегося срыва в рабочих колесах и ступенях компрессора часто используют параметры, характеризующие диффузорность межлопаточного канала, или координаты, в которых'строят характеристики диффузоров. Однако их значения корректируются с учетом указанных особенностей по статистическим данным испытаний'рабочих колес и ступе-' ней. Оценка точности ряда таких'параметров диффузорности (с/ , 3,1, I) ), используемых в качестве критериев границы срыва, дает погрешности в пределах 12...18$. Зто потребовало постановки методической задачи изучения возможностей повышения ■ точности таких критериев- в шестом разделе.

Для оценки влияния радиальных перетеканий в пограничном слое на вращающейся лопатке выполнен приближенный их.расчет по интегральным соотношениям трехмерного пограничного слоя..Определено, что в предотрывном его состоянии радиальные течения могут составлять около 3,5% от расхода через ступень, а пере-

• даваемая энергич около 10% от энергии, передаваемой основному потоку. Эти данные согласуются с результатами, опубликованными другими авторами (например Томпкинсом и ВЗебом). На режимах отрыва пограничного слоя интенсивность радиальных перетеканий значительно возрастает, поэтому необходимо учитывать юс роль в нарушении устойчивой работы компрессорной ступени при возникновении- вращающегося срыва. Эти перетекания характеризуют также взаимодействие' сечений по высоте рабочих лопаток, теоретически, установленное во втором разделе. ■'

Процессы значительно усложняются в ступени из-за взаимодействия неподвижных и вращающихся венцов. Выполнение расчетов по определению влияния следов' за лопатками ША (рис. 7) на ха-

23 .

■ ' *

vWÙ TSfö

Рис. 7.'Схема теччмип в зпкрпмичиих следах

0935

ИЗ'

10

7\Ш <SûÉL

flM

\ . '. -

9 05 fß ТУТЙ,..

11пппил. (itviioiiii на wic'ujth jm

Рис. 0. Занисимость ншюр* ступени на рЛсчйгп.м от осепого, апэора, угла «(-и оЫициента профильныхмютерь но ша

I.A

а 10

а?

.¿Г -m iä^jL'

V *

V

\ч

t - у • % \ V

■ 06.,. 08

iff

~û~JTê

Oß Ai

■Pue. 9. Характеристика сентнн-тсНю'! стуиоии щ

.'■"• . ... • :м . . ' '

рактеристики ступени даже в квазистационарной постановке зада - . , чи свидетельствует, о снижении напора ступени из-за периодического характера потока на входе в рабочее нолесо (рис. 8).- Основными параметрами выделены: относительный осевой зазор -Ха = _ Xîind</-£ f угол выхода потока из входного направляющего аппарата - o^t и коэффициента профильных потерь на лопатках ВНА ■ - fnp- Расчетная модель составлена с использованием опублико- . ванных данных о распространении следа за лопатками. На рис. 9 .представлены характеристики вентиляторной ступени С-12-1,5 без ВНА и с ВНА из прямых лопаток. Наличие ВНА снизило как напор, . ^ так и КЦЦ за счет влияния нестационарности и гидравлических потерь на самом ВНА. Чтобы выделить влияние только нестационарности из-за следов, напорная ветвь характеристики была пересчитана с учетом гидравлических потерь на ВНА по изменению КЦЦ. Расчет представлен.штрих-пунктирной линией. Сравнение-опытной точки для расчетного режима по расходу ( й» = 1,0) с расчетными данными по влиянию ЗНА с углом - oit - 90° и ' ~fnp= 0,02 показано.на рис. 8 и свидетельствует об удовлетворительном согласовании результатов.

Согласно опубликованным исследованиям максимальный выраз-нивающий эффект лопаточного венца при прохождении через него ' периодически неравномерного потока достигается при отношении шага решетки к длине волны, равном 0,5. В связи с этим предложено выбирать, отношение лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов в ступенях осевого компрессора близким к этой вели- -

■ чиНе ( ^-ex/iHA =,0,4...0,7). Исследования, проведенные в ХКЦЦ на двухступенчатых осецёнтробежных компрессорах с варьи-

■ рованием числа рабочих и направляющих лопаток осевой ступени • в предложенном интервале, подтвердили оптимальность отношения по величине КЦЦ компрессора в целом. ' '

Пятый раздел посвящен предотвращению неустойчивых режимов работы компрессоров и их регулировании. Для предотвращения неустойчивых режимов работы компрессора важным является прогн -зирование приближения этих режимов, поскольку .режимы максимальных КЦЦ компрессора,- где как правило стараются обеспечить работу компрессора, достаточно близко расположены к границе неустойчивости. Вход компрессора в неустойчивость не допускается из условия снижения,.надежности и резкого ухудшения характеристик. Однако в большинстве опубликованных систем антипом-

25

пажной защиты компрессоров используемый сигнал для их срабатывания, связан о возникновением помпажа,

.Детальные исследования физических процессов в. проточной части.компрессора при приближении режима его работы к границе нарушения устойчивости, а также анализ опубликованных исследований на таких режимах компрессоров и компрессорных ступеней позволили выделить некоторые характерные диагностические признаки приближения ступеней к неустойчивым режимам работы. Одним ■ из таких признаков является появление пульсаций давления на датчике, установленном в канавке в корпусе над входной кромкой лопаток рабочего колеса. Пульсации давления в канавке появляются перед возникновением вращающегося срыва и имеют частоту вращающегося срыва. Максимальная величина пульсаций давления достигается при направлении приемного отверстия датчика против вращения колеса. Использование такого признака может'быть не только для прогнозирования приближения неустойчивого режима,-но и для выявления ступени, инициирующей появление неустойчивости в компрессоре. Это -.ченЪ важно на стадии доводки с целью расширения диапазона устойчивых режимов путем перепрофилирования ступени. Для повышения чувствительности системы прогнозирования неустойчивости предложено устанавливать в канавках кроме приемника' полного давления .также приемник статического давления, а датчик подключать к ним дифференциально.

Другой характерный признак приближения ступени к неустойчивому режиму работы заключается в образовании над лопатками рабочего колеса участаи с неизменным статическим давлением на корпусе. Такой участок, как показывают исследования, выполненные в ХАИ,.а также опубликованные Дрингом, Джослином-и другими,' связан с отрывом пограничного слоя на.рабочих лопатках и расположен примерно на участке 0,6...0,8 осевой протяженности .хорды. Измерение разности давлений'между двумя приемниками статического давления, расположенными вдоль оси компрессора на указанном -участке, положено в основу способа диагностики неустойчивого режима работы компрессорной ступени .или выявления стугени, инициирующей неустойчивость.

По рассмотренным предложением получено три авторских сви-детельстра.-' '

.- Предложено также три способа.регулирования многоступенчатого компрессора, на которые получены авторские свидетельства.

■ ' • ■ . '

Способы построены на анализе рассогласования ступеней многоступенчатого компрессора на нерасчетных режимах его работы. Одним из предложений является регулирование компрессора за счет вращения направляющих аппаратов группы первых ступеней в окружном направлении под действием аэродинамических сил. Из условия обеспечения подобия в обтекании лопаток рабочих колес и напряг-ляювдк аппаратов получено выражение для частот вращения направляющих аппаратов на пониженных частотах ротора компрессора п неизменной гидравлической сети

• '^-тт-кШ ■ ■ -

В системе двухкаскадного компрессора длч обеспечения оптимального скольжения роторов полечено выражение в виде

S_ [( ¿¡кар"-!) + 4} " ( ПУЛ) fo,s : -'\-пв41р> (21) Реализация такого регулирования требует специальной связи роторов. Например, такой способ бил проработан в ХКВД в системе турбонадцупа дизеля двухкаскадным осецентробежным компрессором с приводом осевой ступени,от турбины, а'центробежной - от коленчатого зала за счет использования сяязи между роторами в виде гидромуфты переменного наполнения.

Мри боковом подводе- воздуха к компрессору'радиально-осе-вым входным патрубком с направляющим ребром внутри, обеспечивающим плавный разворот потока, наряду с окружной неравномерностью потока возникает предварительная его закрутка в зависимости от окрутетого положения ребра. Изменение предварительной о л крутки потока на входе в компрессор без BiiA направляющим ребром явилось эффективным способом регулирования (рис. 10 и II). Оптимальное угловое положение, направлдадего ребра предложено определять по Формуле ¿ • " • • .

^ ifffet ПЧ>) '

Разработана таюкз методика согласования ступеней многоступенчатого компрессора за счет изменения предварительной закрутки потока.-Такую методику согласования ступеней особенно рационально применять в домдочш/х испытаниях при наличии побочных. ryWoKTOB (например, окружной неравномерности потока по величинам и нгпрзвлениям скорости). Зта методика согласования ступеней и способ регулирования компрессоров были использованы з' ХКВД на двухступенчатых осецентробеяплс компрессорах.

27

■ ■ Кроме регулирования эффективность компрессора на нерасчетных режимах может быть повышена за счет применения щелевых над-роторных устройств. Все чаще такие устройства находят применение для расширения диапазона устойчивых режимов работы компрессорных и вентиляторных ступеней. Они улучшают условия обтекания концевых сечений лопаток рабочих колес, .особенно на режимах отрыва, пограничного слоя от лопаток, путем отвода радиального потока, в том числе и перетеканий в оторвавшемся пограничном .слое, или их демпфирования, а также ослабления влияния на основной поток перетеканий в радиальном зазоре. Отдельные устройства воздействуют на пристенный пограничный'слой. Кроме расширения диапазона устойчивой работы компрессорных-ступеней, иногда происходит повышение их КОД.

■ Представлен анализ 14-и типов устройств, эффективность 9-и . из них была проверена по расширению диапазона.устойчивой работы вентиляторной ступени С-12-1(5. При .этом варьировались геометрические размеры и определялось оптимальное их; расположение • относительно рабочего колеса. Наиболее эффективными устройст-

. вами, обеспечивающими расширение диапазона устойчивой работы ступени на 15...45$, являются те,'которые отводят радиальный Поток над рабочим колесом, или организовывают кольцевое торо- 1 образное перетекание в щели (например замкнутая щель с осевыми наклонными в сторону вращения колеса перегородками■- камерное устройство).'.Максимальное смещение границы срыва ступени лаби- . 'ринтнш устройством получено всего 11%. Оптимальный вариант щелевого устройства реализован в натурном вентиляторе модельной, ступени С-12-1,5, совместно разработанной с НПО "Машпроект" на судне с'воздушной подушкой. Подобное-устройство использовано также в ХКЕД по.предложению автора на вентиляторе' системы охлаждения. . '

Шесть вариантов испытаний ступени С-12-1,5 с кольцевыми диафрагмами в разньос сечешлх проточной части свидетельствует-о нецелесообразности использования для этих целей диафрагм, поскольку максимальное расширение-диапазона.устойчивой работы при установке диафрагмы на корпусе непосредственно перед ра- . бочим колесом сопровождалось заметным понижением КПД и напора ступени.

Проведен также анализ влияния величины и формы исполнения радиального зазора над рабочим•колесом на увеличение запаса • 29

устойчивости и К1Щ рабочих колес и.ступеней. Всего рассмотрено 18 вариантов форм исполнении радиальных зазоров. Установлено, что форма и,величина радиального завора существенно влияют на эффективность компрессоров. За счет формы КЦЦ может быть повышен на 2...3$, а запас устойчивости на 10%. Получено три авторских свидетельства и одно положительное решение на четыре варианта исполнения радиального зазора: с полками на'концах лопаток; увеличенным над передней кромкой; с оребренным усту-. пом на корпусе перед рабочим колесом.

В шестом разделе рассматриваются методические аспекты исследования нерасчетных режн.юв работы компрессора. Показана ' возможность значительного повышения эффективности исследования компрессоров и их', элементов на нерасчетных режимах-работы путем использования методов многофакторного планирования экспериментов. Так, при определении критерия Диффузорности для расчета, границы возникновения вращающегося срыва компрессорной ступени использование плана эксперимента в виде греко-латинского квадрата позволило ввести количество вариантов испытаний всего к 1б-й опытам вместо 1024 при 5-и факторах с 4-мя уровнями их варьирования. Причем факторы использованы в вцде не простых переменных, а комплексов, одним из которых, например,-является степень диффузорности решетки, профилей Ъ<н » другие - поправочные коэффициенты в виде функциональных зависимостей' от геометрических параметров лопаточного венца. Погрешность метода получена - 0,5%.

Для опытного определения характеристик компрессора в системе двигателя использован ортогональный центральный компози-. ционный пяан, В качестве факторов выбраны переменные • Пцр и

Ш.", ^"Л , которые является'независимыми друг от друга. Та/ & ар } р

кое определение характеристик является важный для контроля их изменения в эксплуатации и корректировки программ регулирова-' ния.. Для обеспечения адекватности модели или повьшения ее точности предлагается испытание проводить двумя сериями экспериментов по двум центральным композиционным планам: в.более ти- • роком и в более узком интервалах изменения факторов С разными1 центрами плана. ■

В задачах .по изучению влияния отклонений каких-либо параметров на выходные данные компрессора искомые зависимости це- ■ лесообразно представлять в еццё уравнений регрессии. В этом ; • 30 . ' - .

случае могут быть использованы планы экср римента 211 или их дробные реплики. В частности, при изучении влияния отклонения углов, установки поворотных лопаток направляющих аппаратов компрессора двигателя ТВЗ-П7 от "дорожек" регулирования при разных частотах вращения ротора на отклонение основных параметров компрессора: исследование выполнено на мате-

матической модели поступснчатого расчета компрессора на среднем радиусе по полуреплике 2 с 32-я вариантами расчетов. Полученные уравнения регрессии предназначены для анализа влияния технологических отклонений процесса изготовления и сборки поворотных направляющих аппаратов на параметры компрессора на 'ЗПО "Мотор-С1ч".

Использование математических методов оптимизации в многофакторных задачах .- эффективное средство обеспечения оптимальных условий работы объектов исследования минимальными затратами. Так, применение симплексного метода при экспериментальном определении оптимальных углов установки лопаток в двух-трех венцах компрессорных ступеней обычно ограничивалось 8...10 опытами. При большем числе факторов эффективность методов оптимизации значительно повышается.

Определенные методические затруднения возникают при решении экспериментальных задач в условиях неполной информации об объекте исследования. Для преодоления этой трудности часто прибегают к приему "балансировки" на основе использования математических моделей или уравнений, отражающих законы сохранения. Так, при испытании осецентробежного компрессора стояла задача определения рассогласования ступеней при.разных частотах вращения ротора и разной закрутке потока на входе по измерениям всех необходимых параметров на входе и выходе из компрессора и только по статическому давлению мёлщу ступенями. Для этого разработана методика, обеспечивающая оценку рассогласования ступеней по относительному смещению оптимальных, расходов между ступенями. Методика использовалась в ХКЦЦ.

В приложении I записаны и проанализированы уравнения нестационарной газовой динамики в формах, используемых в опубликованных работах по нелинейным моделям вращающегося срыва, по влиянию возмущений, неравномерности -и неоднородности потока на характеристики лопаточных венцов компрессора. Стгечено преимущество - уменьшение числа переменных гри использовании ур-5в-

31

нений в форме завихренностей, Приведены некоторые методы линеаризации уравнений и виды искомых решений, . '■'

В приложении 2 ■ представлена блок-схема с алгоритмом, программа и результаты раочета формы потока по высоте'лопатки модельной компрессорной ступени.в широком диапазоне режимов безотрывного и отрывного обтекания лопаток.

.• :" " _ЗАКЛЮЧЕНИЕ ■

Разработаны и развивается новые' подходы к исследованию 'нерасчетных режимов работы компрессоров на основе вариационных методов анализа' в сочетании с; изучением причинно-следственной связи протекающих процессов,, использованием многофакторного планирования экспериментов и обобщений статистических данных-', для уточнения моделей, поиском-мероприятий, направленных на повышение.эффективности компрессоров, в широком диапазоне режи-нов эксплуатации. В процесса исследований был решен.ряд важных теоретических и практических вопросов и получены, следукифю научные результаты: .'■'...

1. Проведен теоретический анализ вариационных принципов неравновесной термодинамики. Установлена взаимосвязь принципа максимума потока механической энергии с. интегральным термодинамическим принципом - "основным принципом процессов расдея-ния". Определены границы применимости частных формулировок принципа максимума-потока механической энергии.

2. Теоретически обосновано и..экспериментально подтверждено наличие взаимодействия элементарных сечений по высоте лопатки, эффект которого усиливается-с увеличением радиальных перетеканий,- особенно при отрыве пограничного слоя на вращающейся лопатке. Напорные характеристики сечений с учетом этого, взаимодействия должны представляться в виде:' Н - И СРа, О а) вместо /У ч 2)1 чтр аналогично переходу от двумерного подхода ,к. трехмерному, • . ,

3. На основе'принципа максимума потока механической энергии разработаны методики расчета^форм о.сеоимметричного потока в проточной части компрессорных ступеней, в широком диапазоне режимов работы до нарушения устойчивости, а также'на.режимах ■ частичного вращающегося орава; методики определения границы, устойчивой работы и построения левых ветвей суммарных характеристик. Методики обеспечивают удовлетворительное согласова-

• ' ' 32

ние расчетов с опытными данными. Главное-преимущество методов в сравнении с дифференциальными - относительная простота и малое потребное время расчетов на- ЭВМ, что выгодно их отличает в поступенчатых расчетах компрессоров и при создании математических моделей ГТД высоких уровней сложности.

4. Разработана методика экспериментального исследования трехмерных нестационарных периодических потоков с определением величины и направления скорости, полного и статического давлений. В результате измерения структуры потока в компрессорных . ступенях на режимах вращающегося срыва установлено, что в зонах срыва увеличиваются окружные и радиальные составляющие скорости и уменьшаются осевые. В периферийных сечениях наблюдается выброс сильно закрученного Потока в зонах срыва на вход в рабочее колесо. Течение вне зон срыва соответствует безотрывному обтеканию профилей.. Статическое давление за изолированным рабочим колесом по окружности почт», не изменяется, тогда как в ступени оно изменяется существенно.

5. Показана возможность значительного повышения эффективности исследований нерасчетных режимов работы компрессоров и их элементов при определении критерия ди^фузорности', получе- . нии адаптивной модели компрессора, изучение влияния поворота лопаток направляющих аппаратов на параметры компрессора и других задачах путем использования многофакторного.планирования экспериментов,- математического моделирования, методов оптимизации, разработки специальных методов исследования и обработки опытных данных.

6. Предложены методика согласования ступеней компрессора на нерасчетных режимах.работы и новые способы регулирования компрессоров путем изменения закрутки потока во входном патрубке, вращения направляющих аппаратов относительно оси компрессора, дополнительного скольжения роторов в двухкаскадных схемах. Реализация этих способов-на опытных, образцах осецент-робежных компрессоров в ХКЦЦ позволила значительно расширить диапазон их рабочих режимов и повысить КГЩ. у

7. Для пгьышения эффективности компрессорсз на нерасчетных режимах предложены мероприятия по расширению диапазона устойчивой'работы компрессорных ступеней, уменьшен!® влияния радиального зазора на их эффективность, выравниванию окружной неравномерности потока за счет использования щелевь-х надротор--

,33 '

них устройств, полок на лопатках, .переменного вдоль хорды лопатки или по окружности радиального зазора над лопатками. Оптимальный вариант щелевого устройства реализован'на судне с воздушной подушкой в натурном вентиляторе модельной ступени С-12-1,5, совместно разработанной с НПО "Машпроект".

8. Опытные исследования параметров потока в проточной' части различных компрессорных ступеней в широком диапазоне режимов работы позволили выявить ряд важных особенностей, переходных процессов.. При отрыве пограничного слоя на рабочих лопат- . ках режимы обтекания их приитулочних сечений стабилизируются, увеличивается интенсивность радиальных перетеканий в, пограничном елее; Характерные-признаки приближения режимов работы компрессорных ступеней к границе неустойчивости: возникновение периодических пульсаций давления в-канавке над входной кромкой лопаток рабочих колес и неизменность статического давления на. корпусе-за серединой хорды рабочих-лопаток, предложено использовать в качестве диагностических сигналов прогнозирования'не-

■ устойчивости в системах ;-ротивопомпащюй защиты многоступенча-... тых компрессоров и для выявления ступеней, инициирующих неустойчивость.

9. В результате анализа взаимодействия лопаточных венцов в компрессорной ступени установлено оптимальное отношение числа лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов, примерно " равное 0,5, при котором достигается максимальная выравнивающая способность решеток при прохождении следов от предыдущего ло- . паточного венца. Выбор этого отношения в интервале 0,4...О,7 в многоступенчатом компрессоре обеспечивает повышение его КГЩ и способствует, улучшению прочностных свойств лопаток. Предложение реализовано на двухстуренчатьс4\оеецентробежных компрессорах в ХКЦЦ. . ' '•" ""

10. Большинство исследований выполнялосьч><р заданиям ЦИАН им. П.И.Баранова! ХКВД 110 "Завод им. Малышева", НЮ "Машпроект", 31.1КБ "Прогресс",. ЗЛО "Мотор-С1ч" и др. Основные результаты внедрены и используются на этих предприятиях.

, ОСНОВПЖ 0ПУБЛШ0ВА!ПШ12 РАБОТЫ ПО 1ЁМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вп'соконбпор.и-й осевой вентилятор для аппоратпп на поздуганой подушке./Н.С.Бе-рестне-па, В.и.Герасименко, Ф.Г.Коицерич и др-.// Сб. Самолетостроение и техника воздушного '¡-лота, - Харьков,

34

1972. - Вып. 28. - С. 35-39..

2. Герасименко В.П. Исследование осевого вентилятора при изменении углов установки лопаток в аппаратах и осевого запора.//Сб. Самолетостроение и техника воздушного флота. - Харьков, 1972. - Вып. 29. - С. 57-$1.

3. Герасименко В.П. Исследование режимов вращающегося срыва ступеней осевого компрессора.//Сб. Аэродинамика и теплопередача' в электрических машинах. Харьков, 1975. - Вып. 5. -С. 76-78.

4. Аэродинамическое исследование двухконтурного вентилятора./ В.Н.Ершов', В.П.Герасименко, В.А.Коваль и др.//Тез. докл. I всесоюз. науч.-техн. конф. "Современные проблемы двигателей

и энергетических установок летательных аппаратов". - Москва, 1976. •

5. Павленко Г.В., Герасименко В.II. К определению-типа вращающегося срыва в ступени осевого компрессора.//Сб. Самолетостроение. Техника воздушного флота. - Хорьков, 1977. - Вып. 41. - С.'36-39. .

6. Влияние изменения.степени двухконтурности на аэродинамические характеристики вентилятора./В,Л.Герасименко, В.Н.Ершов,. В.А.Коваль и др.//Изв. Вузов. Авиационная техника, 1978. - П, - С. 108-Ш..

7. Аэродинамические исследования двухконтурной вентиляторной ступени./В.II.Герасименко, С.С.Кафкгц, В.А.Коваль и др.//Сб. Самолетостроение. Техника воздушного флота. - Харьков, 1979. -Вып. 45. - С. 25-31.

• 8. Ершов В.Н., Павленко Г.В., Герасименко В.П. Исследование структуры потока на режимах вращающегося срыва ступени осевого компрессора.//Сб. Газовал динамика двигателей и их элементов. - Харьков, 1979. - Вып. I.- С. 95-101.'

9. Герасименко В.Н., Прихпдько Л.В. Исследование влияния нестационарное™ потока не характеристики ступени осевого компрессора.//Сб. Газовая динамика двигателей и их элементов. Харьков', 1979. - Вып. I. - С. 102-107.

, 10. Герасименко В.П., Грщов В.Н. Исследование режимов возникновения и рщянтия вращающегося срыва в ступени осевого компрессора. //Тбз. докл. II гсесоюз. паут.-техн. конф. "Современные проблемы двигателей и ¡энергетических установок летателиг г оип^раточ". - Москва, Т931.

11. Герасименко В.П. Определение радиальной структуры по-', тока в ступени осевого компрессора на предсрырных режимах ра- . боты.//Сб. Научно-методические материалы по .теории авиационных двигателей. - Харьков, 1981. - С. 65-70.

12. A.c. 958714 СССР, МКИ F 04 D 24/02/ Устройство, для . обнаружения ступенц-инициатора неустойчивого режима работы многоступенчатого компрессора. Герасименко В.П., Ершов В.Н., Незым В.Ю.. и др. - ií 2916081 Заявлено 29.04.80; опубл. 15.09.82. Бал. Г 34.

13. Герасименко В.П. Математические методы планирования испытаний воздушно-реактивных двигателей..(Учебное пособие). -Харьков, 1982. - 105. с.у : : - .•

.14, Герасименко В.П. Моделирование компрессора газотур-■' бинного двигателя на ос...ове факторного планирования экспери-мента.//Тез. докл.,'Респубя. науч.-техн. конф. "Математические модели процессов и конструкций энергетических турбомашин.в системах их автоматизированного проектирования". - Харьков, 1982. - С. 124-125. ' ..

' 15.-A.c. I0I7825. СССР, МКИ: F 04 D 27/00/ Способ регулирования осевого компрессора. Герасименко В.Т!. , Ершов В.Н. -№ 3244031 заявлено 3.02.81., опубл. 15.05:83.'Бюл; № 18. .

16; Герйсименко В.П. Особенности расширения диапазона устойчивых режимов работы компрессорной ступени.//Сб.. Газовая ■ динамик^ двигателей и их.элементов. .- Харьков, 1983. - Вып. 2. . - С. 54-57. .

17. Герасименко В.П. К.вопросу математического моделирования ГГД с использованием результатов испытаний.//Сб. Газовая динамика двигателей и их элементов1. - Харьков, 1983. - Вип. 2.

- с. 57-61. ; ..... .' ;

IS. Герасименко В.П. Моделирование перехода к вращающемуся срыву ступени осевого компрессора при повороте лопаток в ' ее венцах.//Тез. докл. Республ. науч.-техн. кОнф. "Математи-. ческие модели, процессов и конструкций энергетических турбома-шин в системах их автоматизированного проектирования". - Харьков, 1985, - С. 101-102. : . . •

19. Герасименко В.П. Оптимизация ступени осевого компрессора поворотом лопаток направляющих аппаратов.//Тез. докл. Республ. науч.-техн. конф. "Математические модели процессов и конструкций энергетических турбомашин в системах .их' автомати-' " ' 36

зированного проектирования". - Харьков, 1985. - С. 26.

20. Герасименко В.П. О взаимном влиянии элементов проточной части компрессора.//Тез. докл. Ш всесоюз.' научн.-техн. конф.' "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов". - Москва, 1936.

21. Герасименко В.П. Приближенный расчет пограничного слоя на вращающейся лопатке.//Сб. Энерг. машиностроение. - Харьков, .

. 1987. - Вып. 44. - С. 27-33. '

22. Анализ согласования ступеней двухступенчатого осецент-робежного компрессора./Ю.А.Акимов, В.П.Герасименко, И.Л.Розен-

• ский и др.//Сб. Газовая динамика двигателей и их элементов. -Харьков, 1987. - С. 72-77.

23. Герасименко В.П. Исследование форте потока в ступени осевого компрессора на режимах частичного вращающегося срыва. //Сб. Газовая динамика двигателей и их элементов. - Харьков, 1987. - С. 50-56. •

24. Алексейчук H.H., Герасименко В.П. Согласование ступеней двухступенчатого осецентробежного компрессора.//Тез. докл.. Всесоюз. межвуз. конф. по. газотурбинным и комбинированным, установкам. - Москва, 1937.

.25. Герасименко В.П., Губенко В.П. Математическое модели-■ ровэние нарушения устойчивости компрессора.//Тез. докл. Всесо-- юз. межвуз.' кснф. по газотурбинным и комбинированным установкам. - Москва, 1987.

26. Герасименко В.П., Алексейчук H.H. К методике согласования ступеней компрессора измеДЬнием закрутки потока.на входе. //Сб. Энерг. машиностроение. - Харьков, 1988. - Вып. 46. -

• С. 69-93. .

' .. 27. A.c. 1450467 СССР, МКИ Г Ol I? 5/20/. Лопатка осевой турбомашины. Герасименко В.П., Поляков А.Е.,'Редин И.И. -Ii 42I378I заявлено 23.03.87.

28. A.c. I47620I СССР, МКИ F 04 3D27/00/ Способ регулирования компрессора. Алексейчук H.H., Акимов D.A., Герасименко В.Л. и др. - А". 4213606. Заявлено 24.03.87, опубл. 30.04.89. Бюл. №16. .

29. A.c. 1480534 СССР, МКИ F 0IM 15/00/ Система диагностики неустойчивых режимов работы компрессора. Герасименко В.П., Ершов В.Н., Поляков А.Е. и др. - Г 4209480 заявлено 5.01.67.

, 30. A.c. I4955I8 СССР, МКИ F04 Б 27/00, F 023 37/04./

•.''•■■ 37

Способ регулирования частоты вращения роторов двухкаскадного' компрессора для наддува двигателя внутреннего-сгорания. Алек-сейчук H.H., Анимов Ю.А., Герасименко B.Í1. и др. - 4327897 заявлено 15.II.87, опубл. 23.07,89,- Еюл,. № 27. '

31. Герасименко В.П., Яневич В.Н. Определение границы устойчивой работы ступени осевого компрессора.//Сб, Энерг.. маши-.-нос-троение. - Харьков, 1939. ■- Вып. 47. - С. 21-23.. .'

32. Герасименко В.П. Планирование эксперимента при опре--. делении'критерия срыва компрессорных-ступеней. //Сб. .Энерг, мааиностроение. - Харьков, 1989. - Вып. 48. - С.. 11-16."

•33. A.c. 1609073 СССР, МКИТ 04 3)29/28/ Рабочее.колесо центробежного нагнетателя. Алоксейчук H.H., Анимов Ю.А., .Герасименко В.П. и др. - Jf 4422821 оа'яалеко 10.05.88, опубл. 30.10.90. Еюл. № 40. -.■.-.

34. A.c. I6I5442 СССР, МЮ1 f 04 Л) 17/00, 19/00/ Компрес- ' сор. Алексейчук H.H., Анимов Ю.А., Герасименко В,П. и др. -

№ 4423538 заявлено 17.05.88, опубл. 23.12,90, Еюл. Р 47.-.'

35, Герасименко B.li.> Редин И. И., Диагностика неустойчивых режимов'работы компрессopa.//Тез. докл. Вассоюз, науч.--техн. конф. "Методы и средстра' машиной диагностики ГТД и их элементов". - Харьков, 1990. • . '.. •- "'

35. Герасименко В.П, Анализ нарушения устойчивости течения в компрессоре.//Тез,-докл, П мэжотрасл. науч.-техн. конф,' "Проблемы'газовой динамики двигателей и силовых установок". - ' Москва, 1920. ; •'..''

37. Герасименко В.П. Q взаимном влиянии сечений по высоте. лопатки компрессорной ступени.//Тез, докл., Ш отрасд. науч,-. техн. кокф. "Аэродинамика и Газодинамическая устойчивости ком-' npeccopOBv ГТД',' -'Москва, 1991,' . -

38', A.c.' 1665807 СССР,' ВДШ F 04 I? 19/00,"27/02./ Осевой ' компрессор. Герасименко В.П., Bfiropyví В.А., Редин И.И. -3 472I66I заявлено, 19.07,89.,. опубл'. 30.09.91.- Бюл,.К 28. •

39.' Способ прогнозирования неустойчивых режимов работы '.компрессора и устройство для его осуществлений./Герасименко В.П.

Редш И.И. - Положительное решение по заявке J? 4720197, заявлено 19,07.09, . _ ''

40. Ступень осеЕого компрессора./Алоксейчук H.H., Анимов H.A., Герасименко В.П. и др. - Положительное решение по ■ заявке Y: 4724259¿ заявлено 31.07.89.

-■ : .: •' - ' -33- :'