Компрессорный стенд
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2024 г. ) |
Остановка компрессора — это локальное нарушение потока воздуха 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.
Типы
[ редактировать ]
Существует два типа остановки компрессора:
Вращающийся стойло
[ редактировать ]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 сталкивается с срывом профиля , нарушая местный воздушный поток 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 неостановившимися участками. Локальные срывы существенно снижают эффективность компрессора и увеличивают структурные нагрузки на аэродинамические профили, 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 или помпаж компрессора
[ редактировать ]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] Такой «заблокированный» или самовоспроизводящийся срыв особенно опасен, поскольку очень высокий уровень вибрации вызывает ускоренный износ двигателя и возможные повреждения, вплоть до полного разрушения двигателя из-за разрушения лопаток компрессора и статора и их последующего проглатывания. разрушение компонентов двигателя, расположенных ниже по потоку.
Причины
[ редактировать ]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 . Двигатель в сборе 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.
Факторы, снижающие запас по помпажу компрессора
[ редактировать ]Следующие факторы, если они достаточно серьезные, могут привести к остановке или помпажу.
- Проглатывание посторонних предметов , приводящее к повреждению, а также эрозия песка и грязи могут привести к снижению линии напора.
- Накопление грязи в компрессоре и износ, приводящий к увеличению зазоров между наконечниками компрессора или утечкам через уплотнения, приводят к повышению рабочей линии.
- Полная потеря запаса по помпажу из-за сильного помпажа может произойти в случае столкновения с птицей . Руление по земле, взлет, полет на малой высоте (военный) и заход на посадку — все это происходит там, где столкновение с птицами представляет опасность. Когда птица попадает в компрессор, возникающая в результате закупорка и повреждение аэродинамического профиля вызывают помпаж компрессора. Примерами мусора на взлетно-посадочной полосе или кабине авианосца, который может причинить ущерб, являются куски резины покрышек, мусор, гайки и болты. Конкретный пример — металлический предмет, упавший с другого самолета . [3] Взлетно-посадочные полосы и летные палубы авианосцев часто очищаются, чтобы предотвратить попадание в них посторонних предметов.
- Эксплуатация воздушного судна за пределами проектного диапазона; например , экстремальные маневры в полете, приводящие к отрыву воздушного потока внутри воздухозаборника двигателя, полет в условиях обледенения, когда лед может накапливаться во воздухозаборнике или компрессоре, полет на чрезмерных высотах. [4]
- Эксплуатация двигателя за пределами инструкций по летной эксплуатации; например , на первых реактивных двигателях резкие движения дроссельной заслонки ( ударное ускорение ), когда в заметках пилота указано медленное движение дроссельной заслонки. Из-за чрезмерного перелива топлива рабочая линия поднималась до тех пор, пока не достигла линии помпажа. (Возможность контроля подачи топлива расширена для автоматического ограничения перелива топлива во избежание помпажа).
- Турбулентный или горячий поток воздуха в воздухозаборник двигателя, например , использование обратной тяги на низкой скорости движения вперед, что приводит к повторному засасыванию горячего турбулентного воздуха или, для военных самолетов, засасыванию горячих выхлопных газов от ракетного запуска.
- Горячие газы от стрельбы из пистолета, которые могут вызвать деформацию впускного отверстия; например , Микоян МиГ-27 .
Эффекты
[ редактировать ]
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.
Реагирование и восстановление
[ редактировать ]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.
Система предотвращения остановки компрессора — это система прокачки компрессора, которая автоматически удаляет ненужный воздух, чтобы предотвратить остановку компрессора. [5] Другие методы предотвращения сваливания могут включать обработку наконечника обсадной колонны, предотвращающую сваливание. [6]
Заметные случаи сваливания
[ редактировать ]Разработка самолетов
[ редактировать ]Двигатель Роллс-Ройс Эйвон
[ редактировать ]Rolls -Royce Avon В начале 1940-х годов турбореактивный двигатель 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 .
Олимп 593
[ редактировать ]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. [7] Механизм рампы был усилен, а законы контроля изменены, чтобы предотвратить повторение подобных ситуаций. [8]
Авиакатастрофы
[ редактировать ]Крушение F-14 ВМС США
[ редактировать ]Застой компрессора стал причиной гибели в 1994 году лейтенанта Кары Халтгрин , первой женщины - ВМС США пилота палубного истребителя . На ее самолете, Grumman F-14 Tomcat , произошел срыв компрессора и отказ левого двигателя, Pratt & Whitney TF30 турбовентиляторного двигателя , 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.
Рейс 242 компании Southern Airways
[ редактировать ]Гибель авиакомпании Southern Airways, выполнявшего рейс 242 , самолета McDonnell Douglas DC-9-9-31 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 сильным, что привело к разрушению двигателей, в результате чего летному экипажу ничего не оставалось, кроме как совершить вынужденную посадку на дороге общего пользования, в результате чего погибли 62 пассажира и еще восемь человек на земле.
1997 г. Иркутск, крушение Ан-124.
[ редактировать ]6 декабря 1997 года транспортный самолет Ан-124 разбился аэропорта сразу после взлета из 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. [9]
Рейс 159 авиакомпании Trans World Airlines
[ редактировать ]6 ноября 1967 года рейс 159 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 из самолета Delta 379, когда он пролетал мимо. 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.
Рейс 751 Скандинавских авиалиний
[ редактировать ]В декабре 1991 года рейс 751 компании «Скандинавские авиалинии» , 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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]Реактивный двигатель — Rolls-Royce plc, 1995 год. ISBN 0-902121-23-5 .
Примечания
[ редактировать ]- ^ Справочник пилота по авиационным знаниям . Федеральное управление гражданской авиации . 24 августа 2016 г. стр. 7–24.
- ^ Керреброк 1992, стр.261.
- ↑ Крушение рейса 4590 авиакомпании Air France произошло из-за куска титанового сплава, упавшего с самолета DC-10 на взлетно-посадочную полосу. Металлические обломки разорвали шину Air France Concorde, а куски взорвавшейся шины повредили самолет, повредив топливный бак и вызвав разрушение конструкции крыла и отказ двигателя. Хотя металлический обломок не стал причиной отказа компрессора, авария Конкорда является примером того, как небольшой кусок металлического мусора был сброшен одним самолетом на взлетно-посадочную полосу и ударился другим самолетом, и вполне возможно, что такой кусок мусора, однажды выпав на взлетно-посадочную полосу, он может быть выброшен колесом перед воздухозаборником реактивного двигателя и проглочен двигателем, что приведет к повреждению компрессора. Более того, помпаж левых двигателей рейса 4590 «Конкорд» мог быть примером остановки компрессора, вызванной скачками внутреннего давления в двигателе, когда вытекшее топливо попадало в двигатели (за пределами управления дроссельной заслонкой) и быстро сгорало.
- ^ «Реактивное движение для аэрокосмических применений», 2-е издание, 1964 г., Уолтер Дж. Хессе Николас против Мамфорда, Pitman Publishing Corporation, стр. 201
- ^ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ КОМПРЕССОРОМ С АВТОМАТИЧЕСКИМ КЛАПАНОМ, Александру-Николае Тудоси, факультет электротехники, энергетических систем и аэрокосмической техники, факультет электротехники, Университет Крайовы, Румыния
- ^ EP1478857B1 - Компрессор с противостопорной обработкой наконечника - Google Patents
- ^ Примечание. Перед выбросом из впускного отверстия впускная рампа сначала переместилась внутрь и ударилась о переднюю поверхность компрессора, что привело к значительному повреждению начальных ступеней компрессора. Несмотря на это повреждение, Olympus 593 оставался работоспособным примерно до 80% мощности.
- ^ Трубшоу, Брайан; Эдмондсон, Салли. Брайан Трубшоу, летчик-испытатель . стр 110. ISBN 0 7509 1838 1
- ^ «АСН Авиакатастрофа Антонов Ан-124-100 08 Черный Аэропорт Иркутск-2» .
Библиография
[ редактировать ]- Керреброк, Джек Л. «Авиационные двигатели и газовые турбины», 2-е издание. Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 1992. ISBN 0-262-11162-4 .