Задачи и способы регулирования компрессоров гтд

Выше было показано, что при < 1 режимы работы первых ступеней переходят на левые ветви их характеристик, при­ближаясь к границе срыва, а у последних ступеней — на правые ветви с отрицательными углами атаки. Это отрицательно сказывается как на КПД компрессора, так и на запасе его устойчивости. И если ухудшение этих параметров при > 1 можно ограничить просто путем ограничения максимально допустимых в эксплуатации значений , то область < 1 охватывает широкий диапазон эксплуатационных режимов, начиная с режимов запуска двигателя. Поэтому, если, например, рабочая кривая при некотором значении доходит то точки нижнего срыва (см. рис. 5.20), то эксплуатация двигателя с таким компрессором оказывается невозможной. Поэтому с целью уменьшения рассогласования ступеней многоступенчатого компрессора на нерасчетных режимах в авиацион­ных ГТД широко применяются различные способы регулирования компрессоров, решающие следующие основные задачи:

— повышение запасов устойчивости компрессора в области < 1 для обеспече­ния устойчивой работы его во всех условиях эксплуатации;

— повышение КПД компрессора на нерасчетных режимах при < 1;

— снижение уровня вибронапряжений в лопатках, возникающих на повышенных углах атаки.

Основными способами регулирования компрессоров являются:

— перепуск воздуха из проточной части компрессора в атмосфе­ру, в наружный контур двигателя или в какое-либо другое прост­ранство с пониженным давлением;

— щелевой (кольцевой) перепуск;

— поворот лопаток направляющих аппаратов или рабочих лопаток;

— изменение соотношения (на нерасчетных режимах) между частотами вращения различ­ных ступеней за счет разделения компрессора на каскады (группы ступеней).

Рассмотрим существо и некоторые особенности каждого из этих способов.

Перепуск воздуха.Перепуск воздуха является одним из наибо­лее простых в конструктивном отношении способов регулирования компрессора. Как видно из рис. 5.20, устойчивая работа ТРД с нерегулируемым компрессором обеспечивается только при > . При меньших значениях расход воздуха (газа) через расположенную за компрессором тур­бину на установившихся режимах оказывается меньшим, чем на границе устойчивой работы компрессора. Следовательно, устойчи­вую работу двигателя в этой области можно обеспечить, перепус­тив часть воздуха из проточной части компрессора (за теми ступенями, которые работают при повышенных углах атаки в лопаточных венцах) мимо турбины через специальный клапан (клапан перепуска, рис. 5.21), управляемый сис­темой автоматического регулирования двигателя. Отк­рытие клапана (или ленты) перепуска при пониженных значениях приведенной частоты вращения в этом случае приводит к увеличе­нию расхода воздуха только через первые ступени. В результате осевые скорости воздуха в этих ступенях увеличиваются, а уг­лы атаки уменьшаются, приближаясь к расчетным, что не только обеспечивает работу этих ступеней (и вместе с тем всего компрес­сора) без срыва, но и приводит к возрастанию их КПД, а также благоприятно сказывается на уровне вибронапряжений в лопатках

В то же время затрата дополнительной работы на сжатие воз­духа, выпускаемого через систему перепуска, приводит к необходимости увеличения подачи топлива в двигатель для поддержания неиз­менной частоты вращения ротора ГТД и, соответственно, к увеличению температуры газов перед турбиной, что влечет за собой умень­шение объемного расхода воздуха через последние ступени комп­рессора. В результате осевые скорости воздуха в этих ступенях уменьшаются, а углы атаки увеличиваются, также приближаясь к расчетным, что приводит к увеличению напора и КПД последних ступеней. Таким образом, открытие клапана перепуска при пониженных значениях приводит к увеличению запаса устойчивости компрессора, увеличению и к повышению КПД как первых, так и последних его ступеней.

Однако следует подчеркнуть, что положительный эффект пере­пуска наблюдается только при пониженном значении компрес­сора. При высоких срыв потока возникает прежде всего в пос­ледних ступенях. Поэтому открытие клапана перепуска в этом случае из-за вызванного им увеличения углов атаки в последних ступенях приведет к более раннему срыву, т. е. не к увеличению, а к снижению запаса устойчи­вости.

На рис. 5.22 показан примерный характер изменения запаса устойчивости компрессора с большим , работающего в системе ТРД, при закрытом и открытом клапане перепуска. С точки зрения обеспечения максимального запаса устойчиво­сти необходимо открывать окна перепуска воздуха, как только при­веденная частота вращения окажется меньшей, чем в точке m. Однако непроизводительные затраты мощности на сжатие перепускаемого воздуха приводят к ухудшению экономичности двигателя при включении перепуска. Поэтому на практике значение , при котором открываются окна перепуска, обычно располагается левее точки а и соответствует ми­нимально допустимому запасу устойчивости или максимально допустимому уровню вибронапряжений в лопатках при работе двига­теля без перепуска.

В некоторых случаях применяют не один, а несколько ря­дов перепускных окон, расположенных в различных сечениях комп­рессора (в различных ступенях) и открываемых при снижении последовательно.

Щелевой перепуск. Срыв потока c лопатках первой ступени компрессора на границе устойчивости при < 1 обычно происходит прежде всего в периферийной чести рабочих лопаток, где углы атаки возрастают наиболее значительно. Для расширения диапазона устойчивой работы первой ступени, а с ней и всего компрессора (каскада), на ряде авиационных ГТД применяются специальные надроторные устройства. Это устройства выполняются в виде кольцевой полости, расположенной над рабочим колесом первой ступени (и несколько впереди него) и сообщенной с проточной частью компрессора через щели или отверстия. Два возможных варианта их выполнения показаны на рис. 5.23. Ориентация щелей или отверстий подбирается при этом так, чтобы была возможность возникновения кольцевого течения воздуха по типу изображенного на рис. 5.23,а.

Принцип работы таких устройств состоит в следующем. При малых углах атаки повышение давления воздуха в межлопаточных каналах рабочего колеса происходит, в основном, в задней (по отношению к набегающему потоку) их части, т.е. ближе к задним кромкам лопаток. Так как кольцевая полость и, соответственно, щели смещены несколько вперед по отношению к рабочему колесу (см. рис. 5.23), то в месте расположения этих щелей давление практически не повышается, и сколь нибудь существенных течений в кольцевой области не наблюдается. Но по мере возрастания угла атаки давление воздуха всё в большей мере начинает повышаться в передней части межлопаточного канала, и при значительном увеличении угла атаки возникает интенсивное циркуляционное течение через кольцевую полость и периферийную часть РК, подобное изображенному на рис. 5.23. В результате проходное сечение для основного потока воздуха через РК уменьшаются, осевые скорости увеличиваются, а углы атаки уменьшаются. В конструкции каналов щелевого перепуска могут иметься элементы, обеспечивающие закрутку выходящего из щели воздуха (в циркуляционном течении) в сторону вращения РК, что дает дополнительное уменьшение углов в периферийной части лопаток колеса.

Кроме того, при возникновении периодически пульсаций радиальных составляющих скорости потока, характерных для течений с вращающимися срывными зонами, наличие щелей или перфорации приводит к рассеиванию (диссипации) энергии пульсаций потока и тем самым задерживает развитие вращающегося срыва.