Срыв компрессора — это локальное нарушение потока воздуха в компрессоре газовой турбины или турбокомпрессора . Срыв, который приводит к полному нарушению потока воздуха через компрессор, называется помпажем компрессора . Серьезность явления варьируется от кратковременного падения мощности, едва регистрируемого приборами двигателя, до полной потери компрессии в случае помпажа, требующего корректировки потока топлива для восстановления нормальной работы.
Срывы компрессора были распространенной проблемой на ранних реактивных двигателях с простой аэродинамикой и ручными или механическими блоками управления топливом , но были фактически устранены благодаря лучшей конструкции и использованию гидромеханических и электронных систем управления, таких как Full Authority Digital Engine Control . Современные компрессоры тщательно спроектированы и управляются, чтобы избежать или ограничить срыв в рабочем диапазоне двигателя.
Существует два типа остановки компрессора:
Вращающийся срыв потока представляет собой локальное нарушение воздушного потока внутри компрессора , который продолжает подавать сжатый воздух, но с пониженной эффективностью. Вращающийся срыв потока возникает, когда небольшая часть аэродинамических поверхностей испытывает срыв потока , нарушая локальный воздушный поток, не дестабилизируя компрессор. Застрявшие аэродинамические поверхности создают карманы относительно застоявшегося воздуха (называемые ячейками срыва потока ), которые, вместо того чтобы двигаться в направлении потока, вращаются по окружности компрессора. Ячейки срыва потока вращаются вместе с лопатками ротора, но со скоростью от 50 до 70% от их скорости, влияя на последующие аэродинамические поверхности вокруг ротора, когда каждая из них сталкивается с ячейкой срыва потока. Распространение неустойчивости вокруг кольцевого пространства пути потока обусловлено блокировкой ячейки срыва потока, вызывающей скачок падения на соседней лопатке. Соседняя лопатка срывается в результате скачка падения, тем самым вызывая «вращение» ячейки срыва потока вокруг ротора. Могут также возникать устойчивые локальные срывы потока, которые являются осесимметричными и охватывают всю окружность диска компрессора, но только часть его радиальной плоскости, при этом остальная часть поверхности компрессора продолжает пропускать нормальный поток.
Срыв потока может быть кратковременным, вызванным внешним возмущением, или может быть устойчивым, поскольку компрессор находит рабочее равновесие между областями срыва и без срыва. Локальные срывы потока существенно снижают эффективность компрессора и увеличивают структурные нагрузки на аэродинамические профили, сталкиваясь с ячейками срыва потока в затронутой области. Однако во многих случаях аэродинамические профили компрессора критически нагружены без возможности поглощать возмущение нормального воздушного потока, так что исходные ячейки срыва потока влияют на соседние области, и область срыва потока быстро разрастается, превращаясь в полную остановку компрессора.
Осесимметричный срыв , более известный как скачок давления компрессора ; или скачок давления , представляет собой полный срыв сжатия, приводящий к изменению направления потока и резкому выбросу ранее сжатого воздуха через впускной патрубок двигателя из-за неспособности компрессора продолжать работать против уже сжатого воздуха позади него. Компрессор либо испытывает условия, которые превышают предел его возможностей по повышению давления, либо сильно загружен, так что он не имеет возможности поглощать кратковременное возмущение, создавая вращательный срыв, который может распространиться менее чем за секунду, чтобы охватить весь компрессор.
Компрессор восстановится до нормального расхода, как только степень повышения давления в двигателе снизится до уровня, при котором компрессор сможет поддерживать стабильный поток воздуха. Однако, если условия, вызвавшие срыв, сохранятся, возврат стабильного потока воздуха воспроизведет условия во время помпажа, и процесс повторится. [2] Такой «заблокированный» или самовоспроизводящийся срыв особенно опасен, поскольку очень высокие уровни вибрации вызывают ускоренный износ двигателя и возможный ущерб, даже полное разрушение двигателя из-за поломки лопаток компрессора и статора и их последующего засасывания, разрушая компоненты двигателя ниже по потоку.
Компрессор будет качать воздух стабильно только до определенного коэффициента давления. За пределами этого значения поток прервется и станет нестабильным. Это происходит на так называемой линии помпажа на карте компрессора . Весь двигатель спроектирован так, чтобы компрессор работал на небольшом расстоянии ниже коэффициента давления помпажа на так называемой рабочей линии на карте компрессора. Расстояние между двумя линиями называется запасом помпажа на карте компрессора. Во время работы двигателя могут происходить различные вещи, чтобы снизить коэффициент давления помпажа или повысить коэффициент рабочего давления. Когда эти два параметра совпадают, запаса помпажа больше нет, и ступень компрессора может остановиться или весь компрессор может помпажить, как объяснялось в предыдущих разделах.
Следующие факторы, если они достаточно серьезные, могут вызвать остановку двигателя или помпаж.
Аксиально-симметричные срывы компрессора, или помпаж компрессора, можно распознать сразу, потому что они производят один или несколько чрезвычайно громких хлопков из двигателя. Сообщения о струях пламени, вырывающихся из двигателя, являются обычным явлением во время этого типа срыва компрессора. Эти срывы могут сопровождаться повышением температуры выхлопных газов, увеличением скорости ротора из-за значительного снижения работы, выполняемой застопорившимся компрессором, и — в случае многомоторного самолета — рысканием в направлении пораженного двигателя из-за потери тяги.
Соответствующий ответ на срыв компрессора зависит от типа двигателя и ситуации, но обычно заключается в немедленном и постепенном снижении тяги на затронутом двигателе. В то время как современные двигатели с усовершенствованными блоками управления могут избежать многих причин срыва, пилоты реактивных самолетов должны продолжать учитывать это при снижении скорости полета или увеличении дроссельной заслонки.
Система предотвращения остановки компрессора — это система выпуска воздуха из компрессора, которая автоматически сбрасывает нежелательный воздух, чтобы предотвратить остановку компрессора. [5] Другие методы предотвращения остановки могут включать обработку корпуса наконечником, препятствующим остановке. [6]
Турбореактивный двигатель Rolls -Royce Avon в начале разработки 1940-х годов страдал от повторяющихся скачков давления в компрессоре, которые оказалось трудно устранить из конструкции. Важность и срочность двигателя были настолько очевидны, что Rolls-Royce лицензировала конструкцию компрессора двигателя Sapphire у Armstrong Siddeley, чтобы ускорить разработку.
Модернизированный двигатель впоследствии использовался на таких самолетах, как бомбардировщик English Electric Canberra , а также на авиалайнерах de Havilland Comet и Sud Aviation Caravelle .
В 1960-х годах при разработке сверхзвукового транспортного самолета Concorde (SST) произошел крупный инцидент, когда помпаж компрессора вызвал структурный отказ впускного отверстия. Удар молота, который распространялся вперед от компрессора, был достаточно сильным, чтобы вызвать отсоединение входной рампы и ее выброс из передней части впускного отверстия. [7] Механизм рампы был усилен, а законы управления изменены, чтобы предотвратить повторное возникновение. [8]
Срыв компрессора стал причиной гибели в 1994 году лейтенанта Кары Халтгрин , первой женщины - пилота истребителя ВМС США на палубе . Ее самолет, Grumman F-14 Tomcat , испытал срыв компрессора и отказ левого двигателя, турбовентиляторного Pratt & Whitney TF30 , из-за возмущения воздушного потока, вызванного попыткой Халтгрин выйти из неправильного конечного положения захода на посадку путем выполнения бокового скольжения ; срыв компрессора из-за чрезмерного угла рыскания был известным недостатком этого типа двигателя.
Потеря самолета McDonnell Douglas DC-9-9-31 авиакомпании Southern Airways Flight 242 в 1977 году при проникновении в грозовую ячейку над Джорджией была приписана срывам компрессора, вызванным попаданием большого количества воды и града . Срывы привели к столкновению лопаток с неподвижными лопастями в обоих турбовентиляторных двигателях Pratt & Whitney JT8D-9 . Срывы были настолько серьезными, что привели к разрушению двигателей, в результате чего экипажу не оставалось ничего другого, кроме как совершить аварийную 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 был уничтожен, когда он потерпел крушение 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 дал скачок. Поднимаясь с большим углом атаки , двигатели 1 и 2 также дали скачок, в результате чего самолет потерпел крушение примерно в 1600 метрах (5200 футов) от конца взлетно-посадочной полосы. Он врезался в несколько домов в жилом районе, в результате чего погибли все 23 человека на борту и 45 человек на земле. [9]
6 ноября 1967 года рейс 159 авиакомпании TWA , Boeing 707, взлетавший из тогдашнего аэропорта Большого Цинциннати , пролетел мимо рейса 379 авиакомпании Delta Air Lines , McDonnell Douglas DC-9, застрявшего в грязи в нескольких футах от края взлетно-посадочной полосы . Второй пилот самолета TWA услышал громкий хлопок, который, как теперь известно, был вызван срывом компрессора, вызванным попаданием выхлопных газов из самолета Delta 379, когда он пролетал мимо. Полагая, что произошло столкновение, второй пилот прервал взлет. Из-за своей скорости самолет выкатился за пределы взлетно-посадочной полосы, в результате чего 11 из 29 пассажиров получили ранения, один из которых скончался четыре дня спустя в результате полученных травм.
В декабре 1991 года рейс 751 авиакомпании Scandinavian Airlines , McDonnell Douglas MD-81, следовавший из Стокгольма в Копенгаген, потерпел крушение после отказа обоих двигателей из-за попадания льда, что привело к остановке компрессора вскоре после взлета. Из-за недавно установленной системы автомата тяги, предназначенной для предотвращения снижения мощности пилотами во время набора высоты при взлете, команды пилота снизить мощность при распознавании помпажа были отменены системой, что привело к повреждению двигателя и его полному отказу. Авиалайнер успешно совершил вынужденную посадку на лесной поляне без человеческих жертв.
Реактивный двигатель — Rolls-Royce plc, 1995. ISBN 0-902121-23-5 .