Разделение компрессора на каскады (группы ступеней)

Каскадом компрессора называется группа ступеней, установленных на одном валу и приводимых отдельной турбиной. Идея разделения компрессора на стоящие друг за другом каскады с целью улучшения работы его ступеней на нерасчетных режимах сводится к тому, что компрессор с высоким расчетным значением  разделяется на группы ступеней со значительно меньшей величиной  и, соответственно, с меньшим возможным рассогласованием ступеней в пределах каждой из них. А рассогласование ступеней, находящихся в разных каскадах, может быть уменьшено за счет естественного или принудительного изменения соотношения частот вращения каскадов при изменении общей степени повышения давления. Число каскадов в компрессорах современных ГТД достигает трех.

Примером использования этой идеи может служить двухвальный ТРД, схема которого приведена на рис. 5.27. Здесь первая группа ступеней образует так называемый компрессор (каскад) низкого давления (КНД), а вторая группа - компрессор (каскад) высокого давления (КВД). Оба компрессора расположены на соосных валах и приводятся во вращение каждый от своей турбины. На расчетном режиме все ступени компрессора работают согласованно (хотя частоты вращения КНД и КВД могут насколько различаться).

 

Рис. 5.27. Схема двухвального ТРД			Рис. 5.28. Изменение скольжения роторов в двухвальном ТРД при изменении n нд пр

 

В компрессоре, не разделенном на каскады, при уменьшении приведенной частоты вращения углы атаки в первых ступенях растут, что приводит к возрастанию аэродинамических нагрузок на лопатки - ступени «затяжеляются», на их вращение требуется больше усилий. В последних ступенях (т.е. в КВД), наоборот, углы атаки уменьшаются, ступени «облегчаются». Значит, распределение между ступенями работы, затрачиваемой на их вращение, изменяется в сторону увеличения доли работы, приходящейся на первые ступени. В рассматриваемой схеме КНД и КВД не связаны механически друг с другом, а распределение работы между ступенями турбины изменяется мало. Поэтому у «затяжеленного» КНД частота вращения  упадет, а у «облегченного» КВД частота вращения  возрастет по сравнению с частотой вращения нерегулируемого (не разделенного на каскады) компрессора в аналогичных условиях. В результате так называемое скольжение роторов  при снижении приведенной частоты вращения любого из них увеличится, как показано на рис. 5.28. Расход воздуха при этом по сравнению с нерегулируемым компрессором изменится мало, так как снижение частоты вращения КНД и увеличение её у КВД воздействуют на расход взаимно противоположным образом. Но снижение  при неизменном расходе воздуха означает уменьшение углов атаки в ступенях КНД, а увеличение   - соответствующее увеличение углов атаки в последних ступенях двухкаскадного компрессора. Таким образом, в рассматриваемом ТРД с двухкаскадным компрессором наблюдается эффект саморегулирования компрессора, в результате которого рассогласование его ступеней существенно уменьшается, что приводит к значительному возрастанию его КПД и запаса устойчивости (по сравнению с нерегулируемым компрессором) и в ряде случаев позволяет обойтись без других средств регулирования.

Выбор того или иного способа регулирования компрессора ГТД зависит от многих факторов, среди которых первостепенное значение имеют расчетная степень повышения давления, схема двигателя и его назначение. При этом могут использоваться также сочетания различных способов регулирования.

 

Глава 6

 

ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ ГТД