Почему центробежный компрессор в авиационном двигателе менее подвержен остановке и помпажу?

Причина сводится к принципу работы компрессоров - центробежный компрессор, как следует из его названия, просто очень быстро вращается, а центробежная сила сжимает воздух. Как вы можете видеть на изображении ниже, лопасти крыльчатки центробежного компрессора просто помогают толкать воздух по кругу (в отличие от аэродинамического профиля), а центробежная сила выполняет сжатие: Центробежный компрессор обведен синим. Как видите, когда крыльчатка вращается, она выталкивает воздух в сторону.

Источник изображения — https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Saturn_MD-120_cutaway.jpg

Осевой компрессор имеет лопасти, которые работают как маленькие роторы (на самом деле это просто вращающиеся крылья): роторы ускоряют воздух, а статоры снова замедляют его, используя эту кинетическую энергию для сжатия газа. Как и крылья, эти лопасти могут заглохнуть и перестать работать всякий раз, когда входной поток достаточно возмущен (например, локальный угол атаки части лопасти слишком велик для данных условий локального потока). Затем эта остановка может потенциально распространиться на другие лопасти или на весь двигатель.

Как вы сказали, лопасти крыльчатки в центробежном компрессоре не работают как аэродинамические поверхности (вместо этого они просто вращаются и проталкивают воздух, как турникет), поэтому, если они сталкиваются с возмущениями воздушного потока, они не остановятся, как аэродинамический профиль был бы. Конечно, если указанное возмущение воздушного потока похоже на сильное ограничение воздушного потока, компрессор будет генерировать помпаж, но на практике это считается редкостью.

Таким образом, осевой компрессор намного легче заставить работать помпаж или останавливаться (просто сильно нарушая поток воздуха) по сравнению с центробежным компрессором, который требует ограничения потока воздуха.

Для компрессионной системы, работающей в нормальных условиях, снижение массового расхода приводит к увеличению повышения давления. Постоянно снижая массовый расход, вы достигаете точки максимальной степени повышения давления, после которой компрессор работает по-другому. Это может привести к аэродинамическому срыву потока и ухудшению характеристик.

• Вращающийся срыв (часто называемый срывом) представляет собой стабильный рабочий механизм, который позволяет компрессору адаптироваться к очень маленькому массовому расходу и влияет на общую производительность. Появляются некоторые застойные зоны, называемые «ячейками», которые имеют очень слабый поток (низкая скорость). Это можно сравнить со сваливанием на аэродинамических профилях, но блокировка, вызванная ячейками, повлияет на падение соседних лопаток (или нижних рядов). Обратите внимание, что застой может (на самом деле довольно часто) предшествовать всплеску, но не всегда.

• Помпаж представляет собой неустойчивый процесс, при котором средний массовый расход в кольцевом пространстве изменяется во времени и циклически. Компрессор переходит из неостановленной фазы в застопорившуюся и обратно. Эта нестабильность потока связана не только с одним компрессором, но и со всей системой, в которой он работает. Обычно это моделируется с помощью дроссельной заслонки (см. рисунок ниже).

В номинальной рабочей зоне компрессор безусловно стабилен, так как компрессорная и дроссельная магистрали ведут себя «противоположно». Небольшое уменьшение массового расхода приводит к увеличению подъема давления в компрессоре и уменьшению перепада давления в дросселе. Следовательно, поток будет ускоряться до тех пор, пока не установится равновесие.

В нестабильной области дроссель не компенсирует изменения повышения давления из-за нестационарности массового расхода.

Чтобы ответить на ваш вопрос, механизмы, представленные ранее, действительны для любой системы сжатия.

Действительно, центробежные компрессоры иногда работают с остановкой: вблизи наконечников индуктора или над крыльчаткой из-за асимметрии ниже по потоку. Но они могут оставаться стабильными даже при наличии срыва, и вероятность помпажа меньше.

Причина этого в том, что большая часть сжатия осуществляется за счет центробежных эффектов с вращающимся срывом или без него. Линия компрессора в области остановки (на предыдущей диаграмме), вероятно, более плоская (и, следовательно, более стабильная) для центробежного двигателя.

Работу, совершаемую компрессором, можно оценить по теореме Эйлера (учитывая входной/выходной момент импульса):

Это подразумевает два способа заставить работать компрессор: отклонить поток (V тета) и/или увеличить сечение (радиус r). Последнее, очевидно, связано с центробежными силами.

Если произойдет срыв, это повлияет на отклонение (V theta), по крайней мере, локально (поскольку вращение сваливания представляет собой трехмерное неосесимметричное явление). Для осевого компрессора большая часть повышения давления происходит за счет отклонения. Для центробежного компрессора это не так существенно.