Остановка компрессора — это локальное нарушение воздушного потока в компрессоре газовой турбины или турбокомпрессора . Остановка, приводящая к полному нарушению потока воздуха через компрессор, называется помпажем компрессора . Серьезность явления варьируется от мгновенного падения мощности, едва регистрируемого приборами двигателя, до полной потери компрессии в случае помпажа, что требует корректировки подачи топлива для восстановления нормальной работы.
Остановка компрессора была распространенной проблемой на первых реактивных двигателях с простой аэродинамикой и ручными или механическими блоками управления подачей топлива , но она была практически устранена за счет улучшения конструкции и использования гидромеханических и электронных систем управления, таких как полноавтоматическое цифровое управление двигателем . Современные компрессоры тщательно спроектированы и контролируются, чтобы избежать или ограничить остановку в рабочем диапазоне двигателя.
Существует два типа остановки компрессора:
Вращающийся срыв — это локальное нарушение воздушного потока внутри компрессора , который продолжает подавать сжатый воздух, но с пониженной эффективностью. Вращающийся срыв возникает, когда небольшая часть аэродинамических профилей испытывает срыв профиля , нарушая местный поток воздуха без дестабилизации компрессора. Застопорившиеся аэродинамические профили создают карманы относительно застойного воздуха (так называемые ячейки срыва ), которые вместо того, чтобы двигаться в направлении потока, вращаются по окружности компрессора. Ячейки срыва вращаются вместе с лопастями несущего винта, но со скоростью от 50 до 70% их скорости, воздействуя на последующие профили вокруг ротора, когда каждый из них сталкивается с ячейкой срыва. Распространение нестабильности вокруг кольцевого пространства канала потока обусловлено закупоркой срывной ячейки, вызывающей всплеск падения на соседнюю лопатку. Соседняя лопасть останавливается в результате резкого падения угла падения, что вызывает «вращение» ячейки срыва вокруг ротора. Также могут возникать устойчивые локальные срывы, которые являются осесимметричными и охватывают всю окружность диска компрессора, но только часть его радиальной плоскости, при этом остальная часть лицевой поверхности компрессора продолжает пропускать нормальный поток.
Остановка вращения может быть кратковременной, вызванной внешним возмущением, или может быть устойчивой, поскольку компрессор находит рабочее равновесие между остановленными и неостановленными участками. Локальные срывы существенно снижают эффективность компрессора и увеличивают структурные нагрузки на крылья, встречающиеся с ячейками срыва в зоне воздействия. Однако во многих случаях аэродинамические профили компрессора критически нагружены и не способны поглощать нарушения нормального воздушного потока, так что исходные ячейки срыва влияют на соседние области, и область срыва быстро увеличивается, превращаясь в полный срыв компрессора.
Осесимметричный срыв , более известный как помпаж компрессора ; или скачок давления - это полное нарушение сжатия, приводящее к изменению направления потока и резкому вытеснению ранее сжатого воздуха через воздухозаборник двигателя из-за неспособности компрессора продолжать работать с уже сжатым воздухом позади него. Компрессор либо находится в условиях, которые превышают предел его возможностей повышения давления, либо сильно нагружен, так что он не способен поглотить мгновенное возмущение, создавая вращательный срыв, который может распространиться менее чем за секунду и охватить весь компрессор.
Компрессор вернется к нормальному потоку, как только степень сжатия двигателя снизится до уровня, при котором компрессор способен поддерживать стабильный поток воздуха. Однако если условия, вызвавшие остановку, сохраняются, возвращение стабильного воздушного потока воспроизведет условия во время помпажа, и процесс повторится. [2] Такое «заблокированное» или самовоспроизводящееся срыв особенно опасно, поскольку очень высокий уровень вибрации приводит к ускоренному износу двигателя и возможному повреждению, вплоть до полного разрушения двигателя из-за разрушения лопаток компрессора и статора и их последующее проглатывание, разрушающее расположенные ниже по ходу компоненты двигателя.
Компрессор будет стабильно накачивать воздух только до определенного коэффициента давления. За пределами этого значения поток нарушится и станет нестабильным. Это происходит на так называемой линии помпажа на карте компрессора . Весь двигатель спроектирован таким образом, чтобы компрессор работал на небольшом расстоянии ниже коэффициента перенапряжения на так называемой рабочей линии на карте компрессора. Расстояние между двумя линиями известно как запас по перенапряжению на карте компрессора. Во время работы двигателя могут произойти различные события, которые могут привести к снижению степени импульсного давления или повышению степени рабочего давления. Когда они совпадают, запас по помпажу больше не существует, и ступень компрессора может заглохнуть, или весь компрессор может помпать, как описано в предыдущих разделах.
Следующие факторы, если они достаточно серьезные, могут привести к остановке или помпажу.
Осесимметричные остановки компрессора, или помпажи компрессора, можно сразу распознать, поскольку они вызывают один или несколько чрезвычайно громких ударов в двигателе. Сообщения о струях пламени, исходящих из двигателя, являются обычным явлением во время остановки компрессора такого типа. Эти срывы могут сопровождаться повышением температуры выхлопных газов, увеличением частоты вращения несущего винта из-за значительного уменьшения работы, совершаемой заглохшим компрессором, и — в случае многомоторных самолетов — рысканием в направлении пораженного двигателя из-за потеря тяги.
Соответствующая реакция на остановку компрессора зависит от типа двигателя и ситуации, но обычно заключается в немедленном и постепенном уменьшении тяги неисправного двигателя. Хотя современные двигатели с усовершенствованными блоками управления позволяют избежать многих причин сваливания, пилоты реактивных самолетов должны продолжать учитывать это при снижении скорости полета или увеличении газа.
В начале 1940-х годов турбореактивный двигатель Rolls -Royce Avon подвергался повторяющимся помпажам компрессора, которые оказалось трудно исключить из конструкции. Важность и актуальность двигателя была настолько велика, что компания Rolls-Royce лицензировала конструкцию компрессора двигателя Sapphire у Армстронга Сиддели , чтобы ускорить разработку.
Модернизированный двигатель стал использоваться в таких самолетах, как бомбардировщик English Electric Canberra , а также авиалайнеры de Havilland Comet и Sud Aviation Caravelle .
Во время разработки Concorde Supersonic Transport (SST) в 1960-х годах произошел серьезный инцидент, когда помпаж компрессора привел к разрушению конструкции впускного коллектора. Удар молотка, распространявшийся вперед от компрессора, был достаточно сильным, чтобы заставить впускную рампу оторваться и вылететь из передней части впуска. [5] Механизм рампы был усилен, а законы контроля изменены, чтобы предотвратить повторение подобных ситуаций. [6]
Застой компрессора стал причиной гибели в 1994 году лейтенанта Кары Халтгрин , первой женщины - пилота палубного истребителя ВМС США . На ее самолете, Grumman F-14 Tomcat , произошел срыв компрессора и отказ левого двигателя, турбовентиляторного двигателя Pratt & Whitney TF30 , из-за нарушения воздушного потока, вызванного попыткой Халтгрина выйти из неправильного положения конечного захода на посадку путем выполнения бокового скольжения ; Остановка компрессора из-за чрезмерного угла отклонения от курса была известным недостатком двигателей этого типа.
Гибель самолета McDonnell Douglas DC-9-9-31 авиакомпании Southern Airways, выполнявшего рейс 242, в 1977 году при проникновении в грозовую ячейку над Джорджией была связана с остановкой компрессора, вызванной попаданием большого количества воды и градом . Из-за сваливания лопасти столкнулись с неподвижными лопатками обоих турбовентиляторных двигателей Pratt & Whitney JT8D-9 . Сваливание было настолько серьезным, что привело к разрушению двигателей, в результате чего летному экипажу ничего не оставалось, как совершить вынужденную посадку на дороге общего пользования, в результате чего погибли 62 пассажира и еще восемь человек на земле.
6 декабря 1997 года транспортный самолет Ан-124 разбился сразу после взлета из аэропорта Иркутск-2 в России. Через три секунды после взлета с взлетно-посадочной полосы 14, на высоте около 5 метров (16 футов), двигатель номер 3 заработал. При наборе высоты под большим углом атаки двигатели 1 и 2 также включились, в результате чего самолет разбился примерно в 1600 метрах (5200 футов) от конца взлетно-посадочной полосы. Он ударил по нескольким домам в жилом районе, в результате чего погибли все 23 человека, находившиеся на борту, и 45 человек на земле. [7]
6 ноября 1967 года рейс 159 компании TWA , Боинг 707 , на взлете из тогдашнего аэропорта Большого Цинциннати , пролетел мимо рейса 379 компании Delta Air Lines , самолета McDonnell Douglas DC-9 , застрявшего в грязи в нескольких футах от взлетно-посадочной полосы . край. Первый офицер самолета TWA услышал громкий хлопок, который, как теперь известно, был остановкой компрессора, вызванной попаданием выхлопных газов Delta 379 во время его прохождения. Полагая, что столкновение произошло, второй пилот прервал взлет. Из-за своей скорости самолет вылетел за пределы взлетно-посадочной полосы, ранив 11 из 29 пассажиров, один из которых скончался через четыре дня в результате полученных травм.
В декабре 1991 года рейс 751 компании Scandian Airlines , самолет McDonnell Douglas MD-81, выполнявший рейс из Стокгольма в Копенгаген, разбился после потери обоих двигателей из-за попадания льда, что привело к остановке компрессора вскоре после взлета. Из-за недавно установленной системы автоматического тяги, предназначенной для предотвращения снижения пилотами мощности во время набора высоты при взлете, команды пилота снизить мощность при обнаружении помпажа были отменены системой, что привело к повреждению двигателя и полному отказу двигателя. Авиалайнер успешно совершил вынужденную посадку на лесной поляне без человеческих жертв.
Реактивный двигатель — Rolls-Royce plc, 1995. ISBN 0-902121-23-5 .