РЕГУЛИРОВАНИЕ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК

РЕГУЛИРОВАНИЕ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК

Обзор

Аликин А.А. *

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (alikin123[at]mail.ru)

Аннотация

Повышение КПД и мощностей газотурбинных двигателей (ГТД) требует усовершенствования и усложнения вспомогательных систем, обеспечивающих безаварийность работы и приемлемые эксплуатационные характеристики на долевых режимах эксплуатации. Использование продвинутых технологий регулирования поворотом лопаток компрессора повышает ресурс ГТД, экономичность, эффективность в больших диапазонах работы (особенно показательно в авиадвигателях, работающих на скоростях от 0 до 3300 км/ч.).

Ключевые слова: осевой компрессор, помпаж, регулирование, направляющий аппарат.

CONTROL OF AXIAL-FLOW COMPRESSOR BY ROTATING BLADES

Review

Alikin A.A. *

St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (alikin123[at]mail.ru)

Abstract

Increasing the efficiency and power of gas turbine engines (GTE) requires the improvement and complication of auxiliary systems that ensure trouble-free operation and acceptable performance characteristics in shared operation modes. The use of advanced technologies for controlling the rotation of the compressor blades increases the gas turbine engine resource, economy, efficiency in large ranges of operation (especially significant in aircraft engines operating at speeds from 0 to 3300 km/h).

Keywords: axial compressor, surge, regulation, guiding apparatus.

Введение

Во всех осевых компрессорах в составе ГТД применяется регулирование лопаток хотя-бы 1-ой ступени.  В связи с отсутствием показательного описания физики процесса, методик и реализации изменением угла направляющих аппаратов была написана статья, целью которой было провести полный и систематизированный обзор технологии поворота лопаток компрессора от физического описания до реализации на реальных агрегатах.

Основная часть

Рассмотрим обтекание лопаток компрессора на нерасчетном режиме. Напор H в осевых компрессорных ступенях увеличивается с уменьшением расхода G (и как следствием с_{а расч.}).  Изоэнтропийный к. п. д. ступени с уменьшением расхода вначале возрастает и при некотором значении напора достигает максимума. Дальнейшее уменьшение расхода приводит к снижению КПД. Вследствие снижения осевой скорости потока с_{а расч.} уменьшается угол β₁ входа потока на рабочие лопатки, увеличивается угол атаки i = β₁ -β₁. Изменение изоэнтропийного КПД ступени от расхода является следствием зависимости потерь в решетках от угла атаки. Как при больших отрицательных углах атаки, так и при положительных углах атаки потери в решетках резко возрастают и к. п. д. ступени падает. Особенно неблагоприятны положительные углы атаки (рис. 1). При больших положительных углах атаки работа компрессорной ступени полностью нарушается, и она вступает в режим помпажа. Под помпажем понимается неустойчивая работа компрессора, обусловленная срывом потока на рабочих или направляющих лопатках и соответственно резким увеличением потерь в решетках из-за больших положительных углов атаки) [1]. Срыв потока возникает на спинке лопатки, после чего образовавшийся вихрь заполняет всю площадь сечения канала (см. рис. 1).

Рис. 1 – Срыв потока при обтекании лопаток

При появлении помпажа резкио увеличивается шум, уменьшается подача компрессора, появляется сильная вибрация, вызванная периодическим движением воздуха из камеры нагнетания в камеру всасывания в период срыва напора, и движения в обратном направлении в период кратковременной нормальной работы. Работа компрессора в зоне помпажа может привести к поломкам лопаток и корпуса. Чтобы предотвратить помпаж, компрессор проектируют таким образом, чтобы на всех режимах работы условия, вызывающие помпаж, не возникали. Это достигается в том числе устройствами регулирования ГТД.

Основная задача регулирования - сохранить угол атаки близким к расчетному при изменении частоты вращения и расхода. Основные способы регулирования в современных ГТД:

• Перепуск – прост в осуществлении, но вызывает рост температуры перед лопатками, снижает тягу, снижает КПД. К тому же им нельзя регулировать компрессор при больших значениях частот вращения из-за опасности возникновения срыва на последних ступенях.
• Многокаскадные схемы – надежно предохраняют от срыва и сохраняют высокие значения КПД компрессора и соединенной с ним турбины. Однако такие решения дороги и сложны в изготовлении, и используются крайне редко.
• Регулирование изменением угла наклона лопаток – наиболее распространённый метод. Конструкция из относительно простых и дешевых приводов обеспечивает четкое положение лопаток первых ступеней i = β_1л -β₁ = 0. Как правило применяется совместно с перепуском.

Рис. 2 – Схема поворота лопаток РНА

 

Принцип действия регулирования изменением угла наклона лопаток следующий: Если расход уменьшился по сравнению с расчетным, то осевая составляющая скорости c_{a II} < c_{a расч.}. Чтобы сохранить угол атаки, надо сохранить величину угла β₁. С этой целью лопатки НА или СА поворачивают в положение II (см. рис. 2) на величину φ, при этом α_{1 II} < α_{1 расч.}[3].

На рис.3 изображены границы неустойчивой работы на графике зависимости напора H от расхода воздуха G. Сплошными и пунктирными линиями обозначены характеристики и рабочие линии (РЛ) компрессора в открытом и прикрытом положении лопаток соответственно. Видно, как увеличение угла поворота лопаток поднимает границу помпажа вверх на пониженных числах оборотов (n_пр < 1)  в условиях низкого расхода воздуха.

Рис.3 – Изменение границ помпажа при регулировании

В настоящее время на некоторых ГТД осуществляется поворот лопаток спрямляющих аппаратов трех или даже семи ступеней. Это усложняет конструкцию компрессора, но существенно снижает возможность появления срывных режимов и повышает значение КПД компрессора в широком диапазоне изменения расхода и частоты вращения. Например, на двигателе АЛ-31Ф3 поворотными выполнены входной НА и направляющие аппараты 0-3 и 8-12 ступеней.

Привод может быть гидравлическим, пневматическим или электрическим. Перекладка поворотных лопаток НА осуществляться по программе регулирования, в зависимости от изменения приведенных оборотов компрессора.

Поворотные лопатки НА могут выполняться консольными или двухопорными. Последние конструктивно несколько сложнее, однако, позволяют решить проблему обеспечения динамической прочности НА, поэтому применяются в первых ступенях компрессоров, где имеют большое относительное удлинение. В одноступенчатых вентиляторах авиационных ГТД применяют в некоторых случаях поворотные рабочие лопатки - для реверса двигателя и снижения авторотации двигателя в полете при его отказе.

Рис. 4 – Поворотный направляющий аппарата компрессора в ГТУ

 

На рис. 4 показан Поворотный направляющий аппарат двухопорных лопаток НА. Ось каждой лопатки 3 крепится с поворотным рычагом 2, который связан с поворотным кольцом 1. При необходимости изменения расхода воздуха кольцо 1 поворачивается с помощью электродвигателя; при этом поворачиваются одновременно все рычаги 2 и соответственно лопатки НА 5.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Тихонов Н.П. Теория лопаточных машин авиационных газотурбинных двигателей / Н.П. Тихонов // Самарский государственный аэрокосмический университет. Самара. 2001г. – 317 c.
2. Зайцев В.И. Судовые паровые и газовые турбины / В.И. Зайцев // Транспорт. Москва. 1981г. – 210 c.
3. Кистойчев А.В. Проектирование лопаточного аппарата осевых компрессоров ГТУ / А.В. Кистойчев // Уральский энергетический институт. Екатеринбург. 2014г. – 360 с.
4. Белоусов А.Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / А.Н. Белоусов // Самара. 2003г. – 176 с.
5. Иноземцев А.А. Газотурбинные двигатели / А.А. Иноземцев // ОАО Авиадвигатель. Пермь. 1180 с.
6. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / К.В. Холщевников // Издательство Машиностроение. Москва 1970г. – 604 с.
7. Зрелов В.А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы / В.А. Зрелов // Машиностроение. Москва. 2005 г. – 329 г.
8. Нихамкин М.А. Конструкция проектирование газотурбинных двигателей наземного применения / М.А. Нихамкин // Издатеельство Пермского национального исследовательского политехнического университета. Пермь. 2011. – 91с.
9. Елисеев Ю.С. Теория и проектирование газотурбинных установок. / Ю.С. Елисеев // Издательство МГТУ им. Баумана. Москва. 2000г. – 624с.
10. Манушин Э. А. Конструирование и расчет на прочность турбомашин / Э.А. Манушин // Машиностроение. Москва. 1990г. – 395 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Tikhonov N.P. Teoriya lopatochnyh mashin aviacionnyh gazoturbinnyh dvigatelej [Theory of blade machines of aircraft gas turbine engines] / N.P. Tikhonov // Samara State Aerospace University. Samara 2001 - 317 p. [in Russian]
2. Zaitsev V.I. Sudovye parovye i gazovye turbiny [Ship steam and gas turbines] / V.I. Zaitsev // Transport. Moscow. 1981 - 210 p. [in Russian]
3. Kistoychev A.V. Proektirovanie lopatochnogo apparata osevyh kompressorov GTU [Design of the blade apparatus of axial compressors GTU] / A.V. Kistoychev // Ural Energy Institute. Ekaterinburg. 2014 - 360 p. [in Russian]
4. Belousov A.N. Teoriya i raschet aviacionnyh lopatochnyh mashin [Theory and calculation of aircraft blade machines] / A.N. Belousov // Samara. 2003 - 176 p. [in Russian]
5. Inozemtsev A.A. Gazoturbinnye dvigateli [Gas turbine engines] / A.A. Inozemtsev // Aviadvigatel OAO. Permian. 1180 p [in Russian]
6. Kholshchevnikov K.V. Teoriya i raschet aviacionnyh lopatochnyh mashin [Theory and calculation of aircraft blade machines] / K.V. Kholshchevnikov // Mechanical Engineering Publishing House. Moscow 1970 - 604 p. [in Russian]
7. Zrelov V.A. Otechestvennye gazoturbinnye dvigateli. Osnovnye parametry i konstruktivnye skhemy [Domestic gas turbine engines. Main parameters and design schemes] / V.A. Zrelov // Mechanical Engineering. Moscow. 2005 - 329 p. [in Russian]
8. Nikhamkin M.A. Konstrukciya proektirovanie gazoturbinnyh dvigatelej nazemnogo primeneniya [Design design of gas turbine engines of ground application] / M.A. Nikhamkin // Publishing House of the Perm National Research Polytechnic University. Permian. 2011. —91p. [in Russian]
9. Eliseev Yu.S. Teoriya i proektirovanie gazoturbinnyh ustanovok [Theory and design of gas turbine units] / Yu.S. Eliseev // Publishing house of MGTU im. Bauman. Moscow. 2000 – 624p. [in Russian]
10. Manushin E. A. Konstruirovanie i raschet na prochnost' turbomashin [Design and strength analysis of turbomachines] / E.A. Manushin // Mechanical Engineering. Moscow. 1990 - 395 p. [in Russian]