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, как на рис. 5.19, 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 с помощью надроторных устройств;

-  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. 5.19, 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 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. Это 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

 

Рис. 5.21. Схема осевого компрессора с клапаном перепуска воздуха	Рис. 5.22. Изменение Δ К упо n пр в высоконапорном компрессоре

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 клапан 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 m и соответствует минимально допустимому запасу устойчивости при работе двигателя без перепуска.

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. Эти устройства выполняются, например, в виде кольцевой полости, расположенной над рабочим колесом первой ступени (и несколько впереди него) и сообщенной с проточной частью компрессора через щели или отверстия. Один из возможных вариантов их выполнения показан 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.

Рис. 5.23. Схема организации кольцевого перепуска воздуха

Принцип работы устройства с кольцевой щелью 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 (рис. 5.23), то в месте расположения этих щелей давление практически не повышается, поэтому 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 уменьшается, 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.