Исследование процессов развития вращающегося срыва в осевом компрессоре после нарушения газодинамической устойчивости

Том XXXIX

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 200 8

№ 1 — 2

УДК 629.7.015.3.036

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ СРЫВА В ОСЕВОМ КОМПРЕССОРЕ ПОСЛЕ НАРУШЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Л. Д. КОЛЕСИНСКИЙ

Проведено расчетное исследование динамики развития срыва течения в многоступенчатом компрессоре, возникающего в условиях однородного потока на входе при переходе границы устойчивости. Получены формулы для оценки времени развития срывной зоны по окружности лопаточного венца и времени переходного процесса от устойчивого бессрывного течения к развитому срывному. Дано сравнение расчетных оценок с результатами записей изменения величин давлений на входе и на выходе компрессора. Выполнены оценки относительной скорости вращения срывной зоны в компрессоре.

1. Статья посвящена разработке модели срыва осевого компрессора, имеющего разрывные характеристики в рамках представлений о динамическом срыве на крыловых профилях [1 — 4] и

цилиндрического характера течения в лопаточных венцах с втулочным отношением

с учетом эффекта загромождения в решетках [5] и свойств одиночной зоны полного срыва [6]. Модель отражает последовательность аэродинамических явлений, приводящих к неустойчивости течения во всем компрессоре: отрывы потока с тонкого профиля в периферийных сечениях лопаток с образованием одной или нескольких первоначальных вихревых зон (ПВЗ) в проточной части компрессора и первоначальная неустойчивость течения в передних (критических) ступенях компрессора в результате прорыва через ПВЗ сжатого воздуха с выхода компрессора (из камеры нагнетания) на его вход. Однако так бывает не всегда. В частности, зарождение ПВЗ может происходить в любой группе степеней.

К настоящему времени предложено несколько механизмов возникновения срыва компрессора. Так, один из них является лопаточным срывом потока [5] (обусловленным предельным углом атаки решетки лопаток), второй — пристеночным срывом пограничного слоя [7], третий — обусловлен разрушением вихря, образующегося при перетекании газа через радиальный зазор [8]. Согласно предлагаемой версии момент окончания образования ПВЗ в компрессоре и есть начало возникновения срыва компрессора. Обзор литературы по осевым и центробежным компрессорам показал, что понятие ПВЗ в ней отсутствует. Есть трудности с определением начала помпажа. Тем не менее, отмечается существование переходной области между зоной устойчивой работы и помпажом, в которой существуют умеренные пульсации, проходящие через всю проточную часть компрессора. Никаких особенностей в поведении компрессора при его дросселировании до самой границы не наблюдалось.

Анализ экспериментальных данных по рассматриваемой проблеме, в частности [9, 10], позволил сделать вывод о том, что к образованию ПВЗ в компрессоре, работающем вблизи границы срыва (где наклон характеристики П£ < 0), причастны повышенный уровень турбулентности (пульсаций) скорости в рабочих колесах (РК) компрессора у стенки корпуса [10], малые отклонения угла установки лопатки в решетке [9] и другие факторы. При этом генерация пульсаций внутри компрессора объясняется влиянием больших градиентов осредненной скорости у стенки

корпуса, аэродинамических следов от лопаток статора, стоек и гребенок, наличием мощной струи перетекающего через зазор газа и т. д.

При докритических углах обтекания лопатки пульсации скорости могут приводить к достаточно большим углам атаки (в течение непродолжительного периода времени) и, соответственно, достаточно большим положительным градиентам давления с учетом нестационарности потока, что может вызвать отрыв ламинарного пограничного слоя вблизи передней кромки тонкого профиля (стах — 0.04) с образованием пузыря на его верхней поверхности, а затем диффузорный отрыв уже турбулентного пограничного слоя вблизи задней кромки [11, 12]. Этот быстротекущий процесс слабого динамического отрыва распространяется по всей длине компрессора (или его части) предположительно на радиусе г — 0.94— 0.98 согласно [9], образуя ПВЗ с угловым размером, равным, как минимум, шагу решетки, и толщиной ~10% высоты лопатки, и не оказывает заметного влияния на его характеристики.

Что касается образования нескольких ПВЗ, то этот процесс связан с многозонным частичным срывом слабой интенсивности, обусловленным либо повторным срывом с лопатки, на которой он возник [9], либо неоднородностью пульсаций (асимметрией) потока от следов лопаток, например входного направляющего аппарата (ВНА), из-за неконцентричности входного канала [13]. В работе [13] было найдено также подтверждение возникновения и наличия ПВЗ (до N = 7 — 10) на границе срыва низкоскоростной ступени на основании анализа спектров пульсаций скорости и угла потока перед РК. Можно говорить о двух важных физических моментах:

1) С помощью спектров пульсаций скорости выявлено, что угловая скорость вращения таких зародышевых зон Ni (/ = 1, 2, 3... 7... 10) близка к скорости вращения РК

/

(срзi =—i— - 0 97— 1), тогда как для начальной точки левой ветви характеристики, где заре-

Nins

гистрирован развитый однозонный вращающийся срыв, Иср з — 0.3.

2) В результате анализа взаимных спектров между указанными сигналами обнаружен сдвиг по фазе между ними. При этом на границе срыва пульсации скорости запаздывают по отношению к пульсациям угла потока, тогда как в других точках характеристики ступени пульсации скорости опережают пульсации угла потока.

Характеризуя возникновение срыва компрессора, как момент окончания образования ПВЗ на части высоты лопаток РК (и направляющих аппаратов (НА)), следует подчеркнуть, что ПВЗ представляет собой газовый канал, «отверстие», через которое с выхода компрессора на его вход происходит прорыв сжатого и нагретого воздуха. К числу других примеров доказательства существования ПВЗ можно отнести такие наблюдаемые явления, как: задержка срыва компрессора двигателя при возникновении критического пика возмущения в канале воздухозаборника [14]; обеспечение механизма распространения срыва вдоль решетки лопаток в окружном направлении.

2. На основе модели выполнены расчеты для компрессора Н-25 (г = 5) на режиме ппр > 1. На

рис. 1 представлена его осциллограмма срыва (данные ВВИА). Из нее видно, что процесс падения давления за компрессором рк протекает очень быстро (~0.1 с) и завершается формиро-

Рис. 1. Осциллограмма срыва потока в компрессоре Н-25

ванием вращающегося срыва, наличие которого проявляется в виде периодических колебаний рк и рв (давление на входе в компрессор) сравнительно высокой частоты /= 30 — 50 Гц. Первоначальный выброс воздуха на вход в компрессор внешне сопровождается хлопком и кратковременными колебаниями расхода Лрв (Л#кол), которые длятся —0.15 с и затем исчезают. Средние значения рк и рв (на которые наложены пульсации, вызванные вращающимся срывом) также не испытывают при этом заметных колебаний. После перехода на срывную ветвь характеристики компрессор работает устойчиво, хотя и с пониженными значениями п*, Свпр и п^дк .

Необходимо было понять, с чем связаны колебания рв и Лрв . На осциллограмме в течение времени переходного процесса отчетливо видны пять пиков, соответствующих, по всей видимости, развитию срывных зон в отдельных ступенях пятиступенчатого компрессора Н-25. По данным работы [9] было известно, что после возникновения первоначальной срывной зоны ее рост в первую очередь происходит по окружной координате 0, а затем по радиусу г. Поэтому, предполагая, что время развития срывной зоны по окружности т*0 лопаточного венца равно произведению количества межлопаточных каналов решетки без одного (-1), охваченных зоной срыва 0срз (из эксперимента 0срз = 0.5) на время образования срыва т* с профиля лопатки РК (или НА) критической /-ступени [1,2], где — количество лопаток венца, будем иметь

т*0=(Л- 1)0Ср,т*.

Ниже в таблице приведены результаты расчета т*0 по РК и данные эксперимента:

Номер ступени 1 2 3 4 5

т*, мс 1.33 0.98 0.784 0.71 0.684

т*о, мс расчет 25.5 27.4 28.2 27.7 26.7

т*0, мс эксперимент 26 30 31 30 28

Были проведены также расчеты т*е по НА, поскольку такой тип вращающегося срыва рассматривался в литературе [15]. Авторы этой работы пришли к выводу, что в условиях равномерного потока на входе зона вращающегося срыва начинается на статоре, а ротор реагирует на соответствующее запирание межлопаточных каналов ниже по потоку. В случае неравномерного течения на входе зона срыва возникает на роторе. При этом запуск механизма развития срывной зоны по 0 на части высоты лопаток РК (и НА) критических ступеней (последние определялись по коэффициенту П) в отличие от модели перекрытия решетки [5] происходит из-за прорыва через ПВЗ сжатого и нагретого воздуха навстречу основному потоку. В результате осевая скорость около тех лопаток, где первоначально возник срыв, резко уменьшается, а углы атаки а сильно возрастают. Это дает импульс к распространению срыва по 0. В модели Эммонса [5] механизм распространения срыва вдоль решеток лопаток вызывался достижением на одной из лопаток а > акр в условиях входной неоднородности потока.

Как показали расчеты, для компрессора Н-25 на ппр > 1 время переходного процесса ґпер

определяется суммарным временем т*о в РК (или НА) всех пяти ступеней и составляет по РК ~ 136 мс (по НА 138 мс) (эксперимент ~ 145 мс), что соответствует ~ 15 оборотам компрессора. Интересно, что расчеты т*о косвенно показали, что первые две ступени (dвт = 0.43, 0.57) компрессора на этом режиме могли иметь разрывную характеристику, подобной последним ступеням (а?вт > 0.7 ). Такой факт известен из практики.

Таким образом, на участке резкого падения давления за компрессором энергия сжатого воздуха, выбрасываемого через ПВЗ из камеры нагнетания на фоне нормального течения через дроссель, расходуется, в основном, на повышение давления на входе в первые три (критические) ступени компрессора, а также на развитие срывной зоны по окружности на части высоты лопаток в этих ступенях. Так как в радиальном направлении срывная зона развивается слабее, чем в окружном [9], загромождение, вызванное вихревой зоной на части высоты лопаток, увеличивает скорость около втулки, что препятствует полному развитию срыва по всей лопатке

(^вт I - 0 43, ^вт II = °.57, <^вТ III = °.67) .

В отличие от этих ступеней в двух последних из числа критических ступеней (четвертая и пятая ступени) наблюдается переход в левую срывную ветвь их характеристик с возбуждением вращающегося срыва, т. е. имеет место полный срыв. (Здесь зона срыва захватывает всю высоту

кольцевого канала проточной части и имеет большую окружную протяженность 0срз —180°.)

Причиной перехода, возможно, является первоначальная неустойчивость течения в передних ступенях компрессора и дальнейшее уменьшение расхода воздуха в результате дросселирования компрессора с выхода. После этого практически мгновенно происходит окончательное формирование срывной зоны по радиусу на всю высоту лопатки в первых трех ступенях вследствие сильного дросселирующего эффекта, оказываемого срывной зоной четвертой и пятой ступеней. В результате возникает мощная срывная зона, пронизывающая все ступени компрессора и вращающаяся как одно целое примерно с той же угловой скоростью, которая характерна для последних ступеней (Шср з = 0.37). С этой точки зрения четвертая и пятая ступени являются управляющими

ступенями, т. е. определяющими вход и выход компрессора из вращающегося срыва.

3. Рассмотрим результаты испытаний компрессора CRF (г = 10). Данных по нему для расчета 1*0 нет, зато имеются осциллограммы (рис. 2, 3) изменения р* за компрессором и на входе в девятую, седьмую, пятую и третью ступени (кроме первой ступени). С этой точки зрения компрессор перестает быть «черным ящиком».

Рис. 2. Изменение полного давления за компрессором и на входе в девятую ступень при срыве компрессора

Рис. 3. Изменение полного давления на входе в третью, пятую и седьмую ступени при срыве компрессора СМ"

Для данного компрессора [16] величина срывной зоны 0срзО в начальной точке срывной

ветви его характеристики не остается постоянной в отличие от Н-25, а изменяется от 0.5 до 0.3 в диапазоне частоты вращения ппр = 0.785 + 0.5. Замечено, что влияние вращающегося срыва

(и связанный с ним дефект массового расхода перед компрессором) распространяется слабее к выходу из компрессора, чем перед компрессором. Последнее очень напоминает влияние входной окружной неравномерности полного давления при известном граничном условии на выходе

из компрессора (рк = const или р* = const).

Картина развития отрывной зоны в CRF на режиме работы компрессора ппр = 0.785 очень

близка к Н-25 при ппр > 1, что объясняется одинаковостью ^max, поскольку для СRF

Пкmax = 3.2, а для Н-25 — п*max = 3.4 . Отметим только, что снижение давления за компрессором свидетельствует о снижении давления в группе последних ступеней. Этот эффект приводит к дросселированию первых ступеней, благодаря чему их режимы смещаются в сторону повышенного напора.

Второй участок переходного процесса начинается с подъема полного давления за компрессором на входе в девятую и седьмую ступени, чего нельзя сказать о третьей и пятой ступенях (рис. 3). Видно, что в четвертой и пятой ступенях имеет место переход скачком в левую ветвь своих характеристик с возбуждением вращающегося срыва, сопровождающийся также увеличением среднего значения р* в ступенях, расположенных за ними (с шестой по десятую ступени),

а значит и рк . После чего зона срыва, как и в случае Н-25, захватывает практически всю высоту лопатки в первых трех ступенях компрессора и при этом мгновенно начинается процесс поочередного возбуждения вращающегося срыва во всех остальных пяти ступенях компрессора (с шестой по десятую ступени), на что затрачивается время ~ 0.084 с (84 мс). Этот процесс носит явно неустановившийся характер, так как средние значения давлений испытывают заметные колебания. В результате возникает мощная срывная зона, пронизывающая весь компрессор и вращающаяся как одно целое примерно с той же угловой скоростью (мсрз = 0.4— 0.44), которая

• Рождение ПВЗ — возникновение отрыва в проточной части компрессора при работе последнего вблизи границы срыва.

• Возникновение срыва компрессора — конец образования ПВЗ.

• Первоначальная неустойчивость течения в первых трех (критических) ступенях (1 — 3 ст.).

• Переход двух последних из числа критических ступеней (4 — 5 ст.) в левую ветвь своих характеристик.

• Окончательное формирование по г (и 0) срывной зоны в 1 — 3 ст.

• Поочередное возбуждение вращающегося срыва в 6 — 10 ст.

• Возникновение неустойчивости течения в компрессоре в целом.

Рис. 4. Схема развития срывной зоны в многоступенчатом компрессоре

характерна для четвертой и пятой ступеней. Расчет юсрз по формуле ЦИАМ [17] дает без учета длины присоединенных участков L мсрз = 0.49, а с учетом L при /вх = 2 (40 мм) и /вых = 0.5 (10 мм) юср з = 0.435, если брать средние осевые размеры лопаточных венцов, т. е. так, как простирается срывная зона в реальном компрессоре. Для компрессора Н-25 по расчету юср з = 0.36

(эксперимент 0.37), если /вых < 1.4 и /вх < 3.4 .

Подводя итоги разработки модели срыва осевого компрессора с однородным потоком на входе по материалам для двух компрессоров Н-25 (z = 5) и CRF (z = 10), можно отметить, что в принципе удалось понять, какие явления предшествуют возникновению срыва компрессора, а также восстановить последовательность событий после возникновения срыва, приводящих к вращающемуся срыву (рис. 4). Модель включает следующие основные моменты (этапы):

образование ПВЗ на части высоты лопатки (явление распространения первоначального отрыва);

возникновение срыва компрессора (конец образования ПВЗ);

первоначальная неустойчивость течения в первых трех ступенях компрессора (развитие срывной зоны по 0 и r);

переход двух последних из числа критических ступеней (четвертой и пятой) в левую ветвь своих характеристик (наличие управляющих ступеней), после чего происходит окончательное формирование по радиусу срывной зоны в первой — третьей ступенях; поочередное возбуждение срыва с шестой по десятую ступени; возникновение неустойчивости течения в компрессоре в целом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Cart а F. O. Experimental Investigations of the Unsteady Aerodynamic Characteristics of a NACA 0012 Airfoil // Res. Rep. № 1283-1, United Aircraft Corp. 1960.

2. L i i v a I. Unsteady aerodynamic and stall effects on helicopter rotor blade airfoil sections // AIAA Paper 68-58. 1968.

3. M с Croskey W. J., Pucei S. L. Viscous — Inviscid interaction on oscillating airfoils in subsonic flow // AIAA J. 1982. V. 20, N 20.

4. K арр Л. В. Прогресс в исследовании и методах расчета динамического срыва // Аэрокосмическая техника. 1988. № 12.

5. Emmons N. W., Pearson C. E., Grant H. P. Compressor surge and stall propagation // ASME Transactions. Аpr. i955. V. 27.

6. Day I. J., C ump s t y N. A. The Measurement and interpretation of flow within rotating stall cells in axial compressors // J. оf Mechanical Engineering Sciences. i978. V. 20.

7. Грейцер, Никканен, Хаддад, Маззави, Джослин. Критерий применимости специальной обработки корпуса компрессора // Теоретические основы инженерных расчетов (ТОИР). i979. № 2.

8. F r e e m a n C. Effect of tip clearance on compressor stability and engine performance // In: V. K. T. Turbomachines. Apr. i985.

9. Джексон А. Д. Развитие срывной зоны в осевом компрессоре // Энергетические машины и установки (ЭМ и У). i988. № 4.

10. Пандия, Лакшминараяна. Исследование структуры потока в области радиального зазора внутри и на выходе из межлопаточного канала рабочего колеса компрессора.

Ч. I и II // ЭМ и У. i983. № i.

11. Чжен П. Отрывные течения. — М.: Мир, i973. Т. 2.

12. Сычев В. В., Рубан В. В., Королев Г. Л. Асимптотическая теория отрывных течений. — М.: Наука, i987.

13. Breugelmans F. F. E., Mathicndakis K, Casalini F. Flow in rotating stall cells of a low speed axial compressor // AIAA Paper, N7073. i983 (см. перевод ЦИАМ «Исследование структуры течения в ступени осевого компрессора, работающей на режиме вращающегося срыва». Новости зарубежной науки и техники. Серия авиационное двигателе-строение. i984. № 7).

14. Колесинский Л. Д. Оценка времени до срыва компрессора двигателя при появлении критических пиковых значений р* и Т* во входном устройстве // ТВФ. 200i. № 2.

15. Коссар Б., Моффат В., Пикок Р. Вращающийся срыв в компрессорах при равномерном и неравномерном течениях // ЭМ и У. i980. № 4.

^. Copenhaver W. W. // AIAA Paper 89-2б84. July i989.

i7. Борисов Г. А., Локштанов Е. А., Ольштейн Л. Е. Вращающийся срыв в осевом компрессоре. — Сб. «Промышленная аэродинамика». — M.: Оборонгиз, ^2, вып. 24.

Рукопись поступила J0/VII2006 г.