Карта компрессора — это диаграмма , показывающая производительность компрессора турбомашины . Этот тип компрессора используется в газотурбинных двигателях, для наддува поршневых двигателей и в промышленных процессах, где он известен как динамический компрессор. Карта создается на основе результатов испытаний компрессорной установки или прогнозируется специальной компьютерной программой. В качестве альтернативы карта аналогичного компрессора может быть соответствующим образом масштабирована. Эта статья представляет собой обзор схем компрессоров и их различных применений, а также содержит подробные пояснения схем для вентилятора, а также компрессоров среднего и высокого давления трехвального авиационного двигателя в качестве конкретных примеров.
Карты компрессоров являются неотъемлемой частью прогнозирования производительности газотурбинных двигателей и двигателей с турбонаддувом как в проектных, так и в непроектных условиях. Они также играют решающую роль в выборе подходящих компрессоров для промышленных процессов.
Вентиляторы и турбины также имеют рабочие карты, хотя последние внешне существенно отличаются от компрессоров.
Карта компрессора показывает рабочий диапазон компрессора и то, насколько хорошо он работает в своем рабочем диапазоне. Два фундаментальных требования к газу, проходящему через компрессор, объясняют, почему он лучше всего работает в расчетных условиях и не так хорошо в других условиях, известных как нерасчетные. Во-первых, площадь выхода должна быть меньше площади входа, поскольку сжатый газ имеет более высокую плотность. Площадь выхода имеет такой размер, чтобы пропускать определенный объем в расчетных условиях. [1] Во-вторых, все лопатки ротора и статора в осевом компрессоре, а также лопатки рабочего колеса и диффузора в центробежном компрессоре, [2] [3] расположены под углом так, чтобы встречать приближающийся воздух встречно в расчетных условиях, чтобы минимизировать потери от падения. . Потери падения снижают эффективность сжатия. Удовлетворительная работа компрессора зависит от контроля угла, под которым газ приближается к вращающимся и неподвижным лопаткам, в пределах приемлемого диапазона. Отклонение от оптимального сначала приводит к увеличению потерь/снижению эффективности, а затем либо к остановке, либо к скорости звука/удушению, которые одновременно возникают в проходах лопаток на противоположных концах осевого компрессора. [4] Они также возникают в центробежных компрессорах на входе в рабочее колесо и в диффузор.
Конструктивная точка компрессора будет находиться в зоне высокой эффективности независимо от того, является ли компрессор частью газотурбинного двигателя или используется для нагнетания воздуха в доменную печь. Однако компрессор должен обеспечивать подходящую производительность в других условиях эксплуатации, что означает, что требуется высокая эффективность в более широком диапазоне эксплуатации. [5] В случае газотурбинного двигателя он должен позволять легко запускать двигатель и быстро разгонять его до расчетной скорости, что означает работу на более низких скоростях, чем расчетная. При скоростях и потоках, отклоняющихся от расчетной точки, уменьшение проходного сечения компрессора не соответствует фактическому увеличению плотности. Отчет NACA [6] наглядно иллюстрирует разницу в сжатии, требуемом в расчетных условиях и на низкой скорости. Например, на более низких скоростях газ не сжимается достаточно, чтобы выйти из компрессора, не оказывая при этом отрицательного влияния на углы атаки лопаток компрессора. Вдали от расчетной точки средние ступени осевого компрессора продолжают работать примерно под оптимальным углом атаки, но передние ступени отклоняются в одну сторону - в сторону срыва, а задние ступени - в противоположную сторону в сторону дросселирования. [6] Отклонение было приемлемым до расчетного соотношения давлений около 5:1, приводя лишь к потере эффективности. При более высоких степенях расчетного давления предотвращение срыва вращения, которое происходит при низких скорректированных скоростях [7] , и дросселирования требовалось введением впускных направляющих аппаратов, которые частично закрывались на низких скоростях, или путем удаления воздуха на полпути вдоль компрессора на низких скоростях. скорости. [8] По той же причине также будут введены ряды регулируемых статоров или разделенных компрессоров, которые позволят передним ступеням ускоряться, а задним замедляться относительно друг друга. Когда степень сжатия достигнет примерно 12:1, компрессоры будут включать в себя более одной из этих функций вместе.
Ранние примеры различных решений по устранению вращающегося срыва в передних ступенях включают Rolls-Royce Avon с регулируемыми входными направляющими лопатками и межступенчатым перепуском, General Electric J79 с регулируемыми входными направляющими лопатками и регулируемыми статорами, Bristol Olympus с разделенным компрессором и Pratt. & Whitney J57 с разделенным компрессором и продувкой из промежуточного компрессора. До этого момента выпуск воздуха из компрессора был необходим только для запуска и разгона за пределами низких скорректированных скоростей, когда его потеря в тяге из-за сброса за борт не была важна.
Дальнейшим развитием стало постоянное направление отвода воздуха из компрессора обратно в двигатель, где он способствовал увеличению тяги. У Rolls-Royce Conway был разделенный компрессор со сливом воздуха из промежуточного компрессора в реактивную трубу. Разделенный компрессор с таким перепускным устройством обеспечивал самую высокую степень сжатия среди всех двигателей Rolls-Royce на тот момент без необходимости использования регулируемых впускных направляющих лопаток или межступенчатого отбора воздуха. [9] Он был более известен как устройство для повышения тяговой эффективности - двухконтурный двигатель. В Pratt & Whitney J58 использовался межступенчатый отбор за бортом для запуска и разгона на низких скорректированных скоростях, но, поскольку он вернулся к этим скоростям при высоких числах Маха, воздухозаборник снова открылся, но на этот раз был направлен в реактивную трубу, где он охлаждал форсажную камеру и сопло. Это охлаждение косвенно способствовало увеличению тяги, позволяя сжигать больше топлива в форсажной камере. Подобная конструкция, но с использованием разделенного компрессора со сбросом воздуха из промежуточного компрессора в реактивную трубу, позже была известна как «протекающий» турбореактивный двигатель, двухконтурный двигатель с объемом байпаса, достаточным только для охлаждения форсажной камеры и сопла.
Компрессоры перекачивают газ для самых разных применений, каждый из которых имеет свое собственное гидравлическое сопротивление, которому компрессор должен соответствовать, чтобы газ продолжал течь. На карте показаны характеристики перекачки для всего диапазона расходов и требований к давлению для ее применения. Карта может быть получена за счет привода компрессора от электродвигателя с гидравлическим сопротивлением, выбранным искусственно с помощью дроссельного клапана переменной площади. Компрессор также может быть отображен, если он является частью газогенератора с клапаном на выходе из турбины. Кэмпбелл [10] показывает компрессор General Electric J79, отображенный таким образом.
Производительность компрессора меняется изо дня в день в зависимости от изменения давления и температуры окружающей среды. Вуленвебер [11] показывает изменение производительности компрессора турбокомпрессора, когда температура на входе варьируется от 70 до 100 градусов по Фаренгейту. В случае авиационных компрессоров давление и температура на входе также изменяются в зависимости от высоты и скорости полета. Представление различных характеристик для каждой комбинации температуры и давления на входе было бы неуправляемым, но можно свести все это в единую карту, которая применима к широкому диапазону условий на входе, используя анализ размерностей . При анализе размеров отдельные величины, такие как скорость ротора, массовый расход и давление нагнетания, группируются с другими соответствующими величинами таким образом, что группы не имеют размеров, но все же имеют физический смысл. Например, скорость ротора , температура на входе , диаметр компрессора и свойства газа сгруппированы вместе как безразмерные, что эквивалентно числу Маха лопатки.
Группы параметров, которые используются в качестве основы для карт компрессора газотурбинного двигателя, включают степень полного давления (P на выходе / P на входе ), и КПД. , например, ниже упрощено, но при этом остается представлением числа Маха. Карты для других приложений используют давление напора или нагнетания и объемный расход. [12]
Для конкретного компрессора и газа группы расхода и скорости упрощаются за счет удаления членов, которые являются постоянными для конкретного компрессора и применения, а именно: размеры компрессора и свойства газа , , и γ . Их называют псевдобезразмерными параметрами и .
Последним шагом является придание псевдобезразмерным параметрам стандартных единиц массового расхода и скорости, а также более узнаваемых числовых значений путем применения поправочных коэффициентов соотношения давления и температуры, также полученных в рамках анализа размеров.
Исправленные параметры: и . [13] Они имеют те же единицы измерения, что и исходные наблюдаемые значения, и скорректированы с учетом согласованных стандартных условий — Международной стандартной атмосферы на уровне моря (ISA SL). В качестве альтернативы они могут быть показаны относительно расчетного значения, где расчетное значение указано либо как 100%, либо как 1,0.
Топливо, сожженное в газотурбинном двигателе, задает линию работы компрессора, и его также необходимо использовать в «безразмерной» форме, чтобы показать его влияние на работу двигателя. [14] Оно используется как отношение к давлению камеры сгорания, когда оно показано на карте компрессора. Скорректированный расход топлива отображается как топливо . Хотя и воздух, и топливо представляют собой потоки жидкости, их безразмерные параметры различны, и поскольку безразмерный поток воздуха представляет собой форму числа Маха жидкости, а топливо представляет собой поток несжимаемого источника энергии. Размеры воздушного потока составляют M/t, а размеры расхода топлива — ML 2 /t 3 , [15] где M, L и t — масса, длина и время.
Расход топлива также отображается на карте компрессора, но в виде его воздействия, то есть температуры на входе в турбину. Этот эффект проявляется, опять же в безразмерной форме, как отношение температуры на входе в турбину к температуре на входе в компрессор и известен как соотношение температур двигателя. Грандкуэн [16] показывает, что линии постоянной температуры пересекаются при переходе вертолетного компрессора от холостого хода к полной нагрузке при увеличении расхода топлива.
Из-за равенства параметров потока в два разных дня день 1 день 2 измеренные значения в один день можно скорректировать до тех, которые были бы измерены в стандартный день, т. е.
corr , где — измеренные значения, а 519 градусов Радиуса и 14,7 фунта на квадратный дюйм — стандартная дневная температура и давление.
Поправочные коэффициенты температуры и давления равны и , поэтому корр.
Для скорости исправленное значение корректируется.
Пример : [17] Двигатель работает на 100% скорости, каждую секунду в компрессор поступает 107 фунтов воздуха, а дневные условия составляют 14,5 фунтов на квадратный дюйм и 30 градусов по Фаренгейту (490 градусов по Фаренгейту).
В обычный день воздушный поток будет составлять 105,2 фунта в секунду. Скорость будет равна 103%. Эти скорректированные значения будут отображаться на карте компрессора для этого конкретного двигателя.
Этот пример показывает, что компрессор работает аэродинамически быстрее в «холодный» день и медленнее в «жаркий» день. Поскольку «дневные» условия соответствуют условиям на входе в компрессор, чрезвычайно «жаркий» день создается искусственно за счет повышения температуры поршня при высоких числах Маха. Аэродинамическая скорость достаточно низка, несмотря на то, что двигатель работает на 100% номинальной механической скорости, чтобы попасть в область вращающегося сваливания на карте, поэтому двигатель, работающий с такими числами Маха, нуждается в соответствующих функциях. General Electric J93 имел регулируемые впускные направляющие лопатки и статоры. Pratt & Whitney J58 имел межступенчатый отбор воздуха из компрессора и двухпозиционные впускные направляющие лопатки. Туманский Р-15 имел предкомпрессорное охлаждение для снижения температуры воздуха и предотвращения низких корректируемых скоростей.
Основанием для использования скорректированных параметров на карте является кинематическое подобие чисел Маха . Скорректированные поток и скорость определяют числа Маха через компрессор и углы потока на лопатках с помощью треугольников скорости . Треугольники скоростей позволяют переносить потоки между разными системами отсчета. В этом случае скорость газа и окружная скорость лопатки в неподвижной раме преобразуются в скорость в проходе вращающейся рамы (ротора). [18] Потери в лопатках и лопатках зависят в первую очередь от углов падения и числа Маха. [19] Конкретная рабочая точка на карте определяет числа Маха и углы потока в компрессоре. [20]
Исторический пример Pratt & Whitney J58 иллюстрирует важность использования скорректированных значений. Вращающийся срыв происходит на низких скорректированных скоростях [21], то есть происходит во время запуска, а также при превышении холостого хода. Это можно облегчить, открыв выпускной клапан для увеличения потока воздуха. На очень высоких скоростях полета компрессор вернется в эту область низких скорректированных скоростей, так что та же самая рабочая точка возникает при низкой скорости вращения на земле и максимальной скорости вращения при 3 Махах на большой высоте. Остановка, низкий КПД, вибрация лопастей и отказы, которые мешали низким скорректированным скоростям на земле, вернулись при 100% оборотах ротора на скорости 3 Маха. [22] Та же самая рабочая точка на карте имеет те же осевые и периферийные числа Маха, ту же скорость. треугольники, одинаковый КПД [23], несмотря на то, что фактическая скорость ротора и температура на входе в компрессор составляют 4750 об/мин/60 градусов по Фаренгейту на земле и 7000 об/мин/более 600 градусов по Фаренгейту на скорости 3 Маха. [24] [25] Та же самая скорректированная рабочая точка требует того же решения для предотвращения остановок и повышения эффективности за счет стравливания воздуха из 4-й ступени компрессора. [26]
Компрессор имеет рабочие границы при крайних значениях расхода для определенной скорости, которые вызваны различными явлениями. Крутизна участка с высоким расходом линии постоянной скорости обусловлена эффектом сжимаемости. Положение другого конца линии определяется лопастным или проходным разделением потока. На карте имеется четко очерченная граница с малым расходом, отмеченная как линия срыва или помпажа, на которой происходит срыв лопастей из-за положительного отрыва угла падения. Не отмеченная как таковая на картах для турбокомпрессоров и газотурбинных двигателей, это более плавно приближающаяся граница с высоким расходом, на которой проходы перекрываются, когда скорость газа достигает скорости звука. Для промышленных компрессоров эта граница определяется как перегрузка, дросселирование, звуковая или каменная стена. О приближении к этому пределу потока свидетельствует то, что линии скорости становятся более вертикальными. Другие области карты — это области, где колебательное срыв лопасти может взаимодействовать с структурными изменениями лопатки, что приводит к отказу, т. е. вращающийся срыв, вызывающий усталость металла . [27]
Разные приложения перемещаются по своей конкретной карте по разным путям. Пример карты без рабочих линий показан в виде графической справки с линией срыва/помпажа слева и линиями повышения скорости в сторону дросселирования и перегрузки справа.
Карты имеют схожие характеристики и общую форму, поскольку все они применимы к машинам с вращающимися лопастями, которые используют схожие принципы перекачивания сжимаемой жидкости. Не все машины имеют стационарные лопатки (центробежные компрессоры могут иметь как лопаточные, так и безлопастные диффузоры). Однако компрессор, работающий как часть газовой турбины или двигателя с турбонаддувом, ведет себя иначе, чем промышленный компрессор, поскольку его характеристики расхода и давления должны соответствовать характеристикам его приводной турбины и других компонентов двигателя, таких как силовая турбина или реактивное сопло газовой турбины. а для турбонагнетателя — расход воздуха в двигателе, который зависит от частоты вращения двигателя и давления наддува. [28] Связь между газотурбинным компрессором и его двигателем может быть показана линиями постоянного соотношения температур двигателя, т.е. эффектом подачи топлива/повышенной температуры турбины, которая поднимает рабочую линию по мере увеличения соотношения температур.
Одно из проявлений другого поведения появляется в области дросселя в правой части карты. Это состояние холостого хода в газовой турбине, турбокомпрессоре или промышленном осевом компрессоре и перегрузка в промышленном центробежном компрессоре. [29] Хиерет и др. На [30] показана кривая полной нагрузки компрессора турбокомпрессора или максимальной заправки топливом, приближающаяся к линии помпажа. Линия полной нагрузки компрессора газовой турбины также проходит рядом с линией помпажа. Перегрузка промышленного компрессора является пределом производительности и требует высоких уровней мощности для обеспечения требуемого высокого расхода. [31] Избыточная мощность может непреднамеренно вывести компрессор за пределы перегрузки и привести его в опасное состояние в холодные дни, если он приводится в движение газовой турбиной. [32] [33] [34]
Компрессор должен работать с той же скоростью (или фиксированным передаточным числом), что и его ведущая турбина, иметь равную мощность и пропускать тот же поток, что и его ведущая турбина. Это газогенератор, который производит газовую энергию. Компрессор также должен пропускать тот же поток, что и все, что использует энергию газа, то есть дополнительные ступени турбины для одновального двигателя, отдельные силовые турбины или реактивное сопло. Это требование равного расхода сочетается с требованием равного соотношения давлений между общими степенями сжатия и расширения, и вместе они позиционируют рабочую линию для работы в устойчивом состоянии.
Одновальные двигатели, приводящие в движение электрогенератор или винт вертолета/авиационного винта, работают с компрессором на холостом ходу, разгоняясь до рабочей скорости. Отсутствие нагрузки означает минимальную заправку топлива, необходимую для работы генератора без электрической нагрузки или минимального шага ротора/гребного винта, что происходит вблизи дросселирования. Коэн и др. [35] показывают, что электрические генераторы разгоняются до необходимой скорости без нагрузки. Увеличение электрической нагрузки достигается за счет увеличения расхода топлива. Барки и др. В [36] дано подробное описание последовательности событий, которые приводят турбину генератора к расчетной скорости или частоте сети без нагрузки перед увеличением подачи топлива при появлении нагрузки. Грандкуэн [37] демонстрирует работу вертолетного двигателя Turbomeca Artouste на постоянной скорости от холостого хода до максимальной мощности. Холостой ход – это минимальный шаг ротора и расход топлива на холостом ходу. Увеличение расхода топлива показано на карте компрессора в виде линий постоянного соотношения температур двигателя: температура на входе в турбину/температура на входе в компрессор. Грандкуэн [37] также демонстрирует эффект быстрого увеличения нагрузки, когда скорость падает, прежде чем восстановить требуемое значение.
Авиационные двигатели с фиксированной площадью выхлопного сопла имеют единую установившуюся рабочую или рабочую линию, которая фиксируется расходом топлива от холостого хода до максимальной скорости. Переменные углы лопаток и сечения потока (спускные клапаны) в компрессоре не меняют рабочую линию в конкретной рабочей точке, поскольку углы и положения клапанов уникальны для скорректированной скорости, то есть они контролируются по графику в зависимости от скорректированной скорости. . Избыточная или недостаточная заправка топливом по сравнению с расходом топлива, необходимым для работы на постоянной скорости, перемещает магистраль вверх или вниз, в то время как двигатель меняет скорость в соответствии с новыми требованиями.
Кэмпбелл [10] показывает влияние различных площадей сопла на установившуюся бегущую линию. Для этого расследования автоматический контроль территории был отключен. В процессе эксплуатации зона открыта на холостом ходу и постепенно закрывается по мере ускорения двигателя, как показано в расписании зоны. [38] Регулируемое сопло для этой конкретной цели не добавляется, но если установлена форсажная камера, ее можно использовать для уменьшения тяги на холостом ходу и ускорения времени разгона до уровня тяги, при котором форсажная камера начинает работать. Идеальная рабочая линия вентилятора турбовентиляторного двигателя с турбонаддувом обеспечивает максимально высокую степень сжатия вентилятора, чтобы оптимизировать производительность и тягу вентилятора, сохраняя при этом достаточный запас по срыву вентилятора. Рабочая линия вентилятора контролируется путем изменения площади сопла, которое действует как дроссельный клапан. Дроссельное регулирование представляет собой комбинацию термического воздействия от горящего топлива и геометрического от регулируемой площади сопла. [39]
Низкоскоростная турбина задней ступени [40] [41] происходит с чрезмерным отрицательным углом наклона, что приводит к степени сжатия меньше единицы и ступени компрессора, поглощающей мощность воздушного потока. Два примера, когда пересечение линии помпажа препятствовало разгону до высокой скорости, произошли в первых конструкциях Rolls-Royce Avon [42] и IAE V2500 [43] и потребовали серьезной модернизации компрессора. Вращающийся срыв на низких скорректированных скоростях приводил к поломке лопаток ранних осевых компрессоров. [44]
Диапазон расхода и давления компрессора показан с помощью коврового графика постоянных оборотов двигателя и линий постоянного крутящего момента, наложенных на карту. В материале OpenCourseWare [45] показана ковровая диаграмма частоты вращения и нагрузки двигателя с учетом требований к воздушному потоку 4-тактного двигателя грузового автомобиля. Шахед [46] показывает линии постоянной частоты вращения двигателя и BMEP двигателя для тяжелонагруженного дизеля. Вулленвебер [47] показывает требования к воздушному потоку двигателя при различных оборотах двигателя и нагрузке/заправке топливом/крутящем моменте. Хиерет и др. В [48] показаны рабочие линии для различных применений, таких как рабочая линия при полной нагрузке для двигателя легкового автомобиля, влияние неуправляемого турбокомпрессора на дизельный двигатель грузового автомобиля и управление перепускной заслонкой на легковых дизельных и бензиновых двигателях, а также влияние высоты на дизельный двигатель грузового автомобиля. рабочая линия компрессора.
Требования к процессу могут измениться, что приведет к изменению условий работы компрессора. Компрессор может приводиться в движение машиной с регулируемой или постоянной скоростью. Если он приводится в движение электродвигателем с постоянной скоростью, им можно управлять с помощью регулируемых впускных направляющих лопаток или дросселирования всасывания и нагнетания. Уэлч [49] показывает влияние переменного угла лопаток на поток центробежного компрессора.
Ось X обычно представляет собой некоторую функцию массового расхода на входе в компрессор, обычно скорректированного расхода или безразмерного расхода, в отличие от реального расхода. Эту ось можно считать грубой мерой осевого числа Маха потока через устройство.
Обычно ось Y представляет собой соотношение давлений (P на выходе / P на входе ), где P — давление торможения (или общий напор).
Также используется ΔT/T (или аналогичный), где T — температура застоя (или общего напора).
Слегка изогнутая диагональная линия на основной части карты известна как линия всплеска (или срыва). Выше этой линии находится область нестабильного потока, которую лучше избегать.
Помпаж компрессора или его остановка вызывают резкое изменение направления потока воздуха в компрессоре. Лопасти компрессора создают насосное действие, работая как аэродинамические профили . При помпаже или срыве лопасти испытывают аэродинамический срыв (похожий на сваливание крыла самолета) и теряют способность сдерживать более высокое давление на выходе, что приводит к резкому изменению направления потока. Пламя, которое обычно ограничивается камерой сгорания, может выходить как из впускного отверстия двигателя, так и из выхлопного сопла.
Как следует из названия, запас по перенапряжению обеспечивает меру того, насколько близка рабочая точка к скачку напряжения. К сожалению, существует ряд различных определений запаса прочности. Популярный в использовании определяется следующим образом:
где:
это массовый расход в рабочей точке, будь то установившийся или переходный режим
— это массовый расход при помпаже при той же скорректированной скорости, что и
Слегка изогнутые, почти вертикальные линии на основной части карты представляют собой линии скорректированной скорости (постоянного вращения). Они являются мерой числа Маха кончика лопасти несущего винта .
Обратите внимание на рисунок, что линии скорости не распределяются линейно с потоком. Это связано с тем, что этот конкретный компрессор оснащен регулируемыми статорами , которые постепенно открываются по мере увеличения скорости, вызывая чрезмерное увеличение расхода в диапазоне средних и высоких скоростей. На низкой скорости регулируемые статоры блокируются, что приводит к более линейной зависимости между скоростью и расходом.
Также обратите внимание, что при расходе выше 100% линии скорости быстро закрываются из-за засорения. Помимо дросселирования, любое дальнейшее увеличение скорости не приведет к дальнейшему увеличению воздушного потока.
Подграфик показывает изменение изэнтропического (то есть адиабатического ) КПД в зависимости от потока при постоянной скорости. Некоторые карты используют политропную эффективность. Альтернативно, в иллюстративных целях, контуры эффективности иногда наносятся на основную карту.
Обратите внимание, что кривая пиковой эффективности имеет небольшой излом в восходящей тенденции. Это происходит из-за дросселирования компрессора при увеличении скорости, когда регулируемые статоры закрыты. Линия тренда возобновляется, как только переменные начинают открываться.
На карте также показана типичная устойчивая рабочая (или рабочая/рабочая) линия. Это место расположения рабочих точек двигателя, так как он дросселируется.
Поскольку это устройство с высоким коэффициентом давления, рабочая линия относительно неглубокая. Если бы агрегат не имел изменяемой геометрии, возникли бы проблемы с обращением, поскольку линия помпажа была бы очень крутой и пересекала бы рабочую линию при частичном потоке.
Во время резкого ускорения из среднего положения дроссельной заслонки рабочая линия компрессора будет быстро перемещаться в сторону помпажа, а затем медленно приближаться к установившейся рабочей точке, дальше вверх по карте. Обратный эффект возникает при резком замедлении. Эти эффекты вызваны вялой реакцией золотника (т.е. эффектом инерции) на быстрые изменения расхода топлива в двигателе. Помпаж компрессора представляет собой особую проблему во время резких ускорений, и ее можно решить путем соответствующей корректировки графика заправки топливом и/или использования продувки (стравливания воздуха из компрессора для манипуляционных целей).
В показанном конкретном примере резкое ускорение на холостом ходу может вызвать помпаж компрессора высокого давления. Открытие продувки могло бы помочь, но также могут потребоваться некоторые изменения в графике регулируемого статора.
Поскольку компрессор высокого давления «видит» дроссельную пропускную способность турбины высокого давления, условия полета практически не влияют на рабочую линию компрессора. Наклон рабочей линии приближается к постоянному скорректированному выходному расходу.
Вентилятор с низкой степенью двухконтурности (например, используемый в турбовентиляторных двигателях с высокой степенью двухконтурности ) имеет ряд рабочих линий. На высоких скоростях полета степень сжатия поршня увеличивает степень давления в холодном сопле, что приводит к дросселированию сопла. Выше состояния запирания рабочие линии имеют тенденцию сливаться в уникальную крутую прямую линию. Когда сопло разблокируется, рабочая линия начинает становиться более изогнутой, отражая кривизну характеристики сопла. С уменьшением числа Маха полета степень сжатия холодного сопла уменьшается. Первоначально это не влияет на положение рабочей лески, за исключением изогнутого (незащемленного) хвоста, который становится длиннее. В конце концов, холодное сопло перестанет дросселироваться при более низких числах Маха полета, даже на полном газу. Рабочие линии теперь станут изогнутыми, постепенно перемещаясь в сторону помпажа по мере уменьшения числа Маха полета. Самая низкая рабочая линия запаса по помпажу возникает в статических условиях.
Из-за характера возникающих ограничений рабочие линии вентилятора смешанного турбовентиляторного двигателя несколько более крутые, чем у эквивалентного несмешанного двигателя.
Вентилятор может иметь две карты: одну для обходной (т.е. внешней) секции и одну для внутренней секции, которая обычно имеет более длинные и плоские линии скорости.
Военные турбовентиляторные двигатели, как правило, имеют гораздо более высокую расчетную степень давления вентилятора, чем гражданские двигатели. Следовательно, конечное (смешанное) сопло дросселируется на всех скоростях полета, на большей части диапазона дроссельной заслонки. Однако при малых настройках газа сопло расцепится, в результате чего нижний конец рабочих строп будет иметь короткий изогнутый хвост, особенно на низких скоростях полета.
Однако турбовентиляторные двигатели со сверхвысокой степенью двухконтурности имеют очень низкую расчетную степень сжатия вентилятора (например, 1,2 на секции двухконтурности). Следовательно, даже на крейсерских скоростях полета холодное (или смешанное) реактивное сопло может засориться только при высоких настройках газа. Рабочие линии вентилятора становятся более изогнутыми и быстро смещаются в сторону помпажа по мере уменьшения числа Маха полета. В результате статическая рабочая линия может оказаться в помпажном режиме, особенно при низких настройках газа.
Одним из решений является использование холодного (или смешанного) сопла переменной площади. Увеличение площади сопла на малых скоростях полета уводит рабочую линию вентилятора от помпажа. [50]
Альтернативное решение — установка вентилятора с регулируемым шагом. Планирование шага лопастей вентилятора не влияет на положение рабочих линий вентилятора, но может использоваться для перемещения линии помпажа вверх, чтобы улучшить запас по помпажу вентилятора. [51]
Некоторые турбовентиляторные двигатели имеют компрессор промежуточного давления (IP), расположенный между вентилятором и компрессором высокого давления (HP) для увеличения общей степени сжатия. Гражданские двигатели в США, как правило, устанавливают компрессор IP на валу низкого давления, непосредственно за вентилятором, тогда как компания Rolls-Royce обычно устанавливает компрессор IP на отдельном (т.е. IP) валу, который приводится в движение турбиной IP. В любом случае могут возникнуть проблемы с сопоставлением.
Скорректированный расход на выходе компрессора IP должен соответствовать скорректированному расходу на входе компрессора ВД, который уменьшается по мере обратного дросселирования двигателя. При определенном наклоне рабочей линии компрессора IP скорректированный расход на выходе компрессора IP остается постоянным. Однако за счет использования более мелкой рабочей линии дополнительная степень давления компрессора IP при данном скорректированном расходе на входе компрессора IP позволяет скорректированному расходу на выходе компрессора IP уменьшаться и соответствовать падающему скорректированному расходу на входе компрессора высокого давления. К сожалению, это может привести к недостаточному запасу по помпажу компрессора IP при частичном расходе.
Запас по перенапряжению можно повысить, добавив регулируемые статоры к компрессору IP и/или добавив продувочный клапан между компрессорами IP и HP. Первый вариант делает линию помпажа компрессора IP более мелкой, отклоняя ее от неглубокой рабочей линии, тем самым увеличивая запас по помпажу компрессора IP.
При заданной степени сжатия компрессора IP открытие продувочного клапана приводит к увеличению скорректированного расхода на входе компрессора IP до точки, в которой запас по помпажу компрессора IP имеет тенденцию быть лучше. Фактически открытие продувочного клапана снижает рабочую линию компрессора IP. Любой избыток потока по сравнению с требуемым компрессором ВД проходит через продувочный клапан в перепускной канал. Выпускной клапан обычно открывается только в условиях дросселирования, поскольку он тратит энергию.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )