60. Изменение расхода воздуха через компрессор по частоте вращения. Регулирование компрессора с помощью перепуска воздуха.

Если изменить, например, уменьшить, частоту вращения ротора компрессора, то вследствие изменения окружной скорости изменит­ся работа, затраченная на вращение каждой ступени, и, следова­тельно, работа сжатия воздуха. В результате при n₂<n₁ при каждом положении дросселя р_к* уменьшится, а вместе с ним упадут _к* и расход через дроссель, т. е. вся напорная кривая сместится, как показано на рис. 4.2, вниз и влево. Кривая _к* также сместит­ся влево.

Е сли провести испытания компрессора и построить соответст­вующие зависимости при нескольких значениях частоты вращения,, получим полную характеристику компрессора при данных условиях на входе (рис. 4.3). Штриховая линия на этом рисунке соединяет точки г, а штрихпунктирная — точки з, соответствующие различным п. Первая из них называется границей устойчивых режимов работы, а вторая — гра­ницей запирания компрессора по вы­ходу. Линия, соединяющая точки о, в которых при каждом значении п до­стигается максимальная величина _к*, носит название линии оптимальных режимов. Наибольшее значение к* до­стигается обычно при п, меньшей рас­четной (на рис. 4. 3 при n=90%). Чем выше п, тем круче становятся харак­теристики, а их вертикальные участки, расположенные ниже линии в — в, за­нимают все большую часть общей про­тяженности напорных кривых между точками ги з.

Детали протекания характеристик зависят от типа компрессора, расчет­ной степени повышения давления и ряда других факторов. Но общий харак­тер зависимости _к* и _к* от п и G_B, показанный на рис. 4.3, справедлив для любого компрессора.

ИЗМЕНЕНИЕ ЧИСЛА ОБОРОТОВ

Н а рис. 9. 1 дана характеристика компрессора с нанесенными на ней прямолинейными характеристиками сети, проходящими через нуле­вую точку ( _к* = 1,0; G_ПР = 0). Как было показано в гл. 8, каждая из линий характеристики сети приблизительно соответствует режимам работы компрессора при определенном положении дросселя в напор­ной магистрали и критическом или сверхкритическом перепаде давлений в нем.

Эти же линии можно рассматривать как линии рабочих режимов компрессора в системе газотурбинного двигателя при критическом и сверхкритическом перепаде в сопловом аппарате. При этом угловой коэффициент каждой линии можно выразить в виде

Если проходные сечения F_B и F_c.a принять постоянными, то каждой линии будет соответствовать определенное отношение Т_г/Т_н*, которое, следовательно, определяет пропускную способность компрессора.

Необходимо одновременно иметь в виду, что сохранение Т_г^*/Т_н^*=const при постоянных значениях F_B, F_с.а и n_пр=var связано с соответ­ствующим изменением сечения реактивного сопла F_c.

Было доказано, что характеристики сети в системе газотур­бинного двигателя, или линия рабочих режимов, может быть также вы­ражена уравнением (8.82), в котором линейная зависимость между _к* и q( _B) не соблюдается (линия а—б на рис. 9. 1). Очевидно, что линии характеристик сети останутся без изменения, если предположить, что переменной величиной в коэффициенте К является проходное сечение соплового аппарата турбины, а следовательно, и отношение F_B/ F_с.а отношение же температур Т_г*/Т_н* будет для всех линий одинаковым. Из рис. 9. 1 следует, что изменение оборотов однозначно определяет режим работы компрессора только при данном значении углового коэффициента К и входящих в чего параметров. Одновременное воздействие числа оборотов и проходных сечений (или Т_г*/Т_н*) позволяет получить любую точку на характеристике компрессора и любой закон изме­нения степени повышения давления в зависимости от приведенного расхода воздуха. В частности, можно получить постоянную степень повышения давления при изменении расхода воздуха и оборотов (линия АОБ). В этом случае необходимо увеличить угловой коэффициент К путем уменьшения проходного сечения соплового аппарата или увеличения Т_г*/Т_н* при уменьшении оборотов, или уменьшая К при увеличении числа оборотов.

Можно также поддерживать постоянный расход воздуха (линия ВОГ) при увеличении или уменьшении оборотов при условии, что режим G_Bпp=const не совпадает с линией, имеющей постоянные приведенные обороты.

При работе компрессора в системе двигателя наиболее часто при­меняется изменение числа оборотов с сохранением постоянных проходных сечений в сопловом аппарате турбины и в реактивном сопле. Интересны также двигатели с изменяемыми проходными сечениями в сопловом аппарате турбины и в реактивном сопле, что позволяет получать более выгодные параметры компрессора на различных режимах работы.

ПЕРЕПУСК ВОЗДУХА

Назначение перепуска и его влияние на работу отдельных ступеней

Регулирование многоступенчатого осевого компрессора путем пере­пуска в атмосферу части воздуха из промежуточных ступеней применяется при работе компрессора на режимах с пониженными приведен­ными оборотами.

Такое регулирование применительно к компрессорам газотурбин­ных двигателей имеет своей целью обеспечить устойчивую работу ком­прессора, уменьшить вибрационные напряжения в лопатках, я также уменьшить мощность постороннего источника (стартера), требующуюся при запуске двигателя. Влияние перепуска сказывается положительно только при работе ступеней, расположенных до перепуска, на режимах в левой части их характеристик. Чтобы показать это, рассмотрим для примера режимы работы первой ступени при отсутствии и при наличии перепуска. Предположим, что при отсутствии перепуска режим работы первой ступени на своей характеристике соответствует точке С (рис. 9. 16). Если будет открыт перепуск, то расход воздуха через рассматри­ваемую ступень возрастет и станет равным

G _B = G_BЫX+ Gпep,

где G_вых- полезный расход воздуха на выходе из компрессора при перепуске.

Режим работы ступени переместится вправо по ее характеристике (например, в точку D), и, следовательно, напор и к. п. д. ступени возрастут.

Если же предположить, что при отсутствии перепуска режим работы ступени соответствует точке А, то, когда с перепуском режим переместится вправо (например, в точку В), произойдет уменьшение напора и к. п. д.

Как уже указывалось, режим работы первой ступени может нахо­диться в левой части ее характеристики при работе компрессора с пониженными приведенными оборотами.

Режимы работы других ступеней, расположенных до перепуска, будут в меньшей степени смещаться в левую часть своих характеристик при уменьшении приведенных оборотов, и может оказаться, что в ступенях, расположенных вблизи от перепускного устройства, режим работы

находится уже в правой части характеристик. Поэтому перепуск будет оказывать различное влияние на работу отдельных ступеней, располженных до перепуска. В последних ступенях компрессора, расположенных после перепускного устройства и работающих при приведенных оборотах в правой ветви характеристики, коэффициент расхода при открытом перепуске будет уменьшаться вследствие увеличения напора и роста плотности воздуха в ступенях, расположенных до перепуска. Это приводит к увеличению напорности и последних ступеней. В связи с тем, что режимы работы различных ступеней неодинаковы, более эффективным являлся бы перепуск в нескольких сечениях многоступен­чатого компрессора. Однако это связано со значительным конструктив­ным усложнением.

Влияние перепуска на характеристики многоступенчатого компрессора

В связи с изложенным выше влияние перепуска на характеристику многоступенчатого компрессора будет в сильной степени зависеть от ре­жима работы ступеней, находящихся до перепуска. Очевидно, что на рас­четных приведенных оборотах и близких к ним применение перепуска будет приводить к уменьшению к. п. д. и напора всего компрессора, так как все ступени, расположенные до перепуска, будут работать на режи­мах правой части своих характеристик. На пониженных же против расчетных приведенных оборотах к. п. д. и напор должны возрастать. Однако на малых оборотах эффективность перепуска будет невелика, главным образом вследствие того, что степень повышения давления в ступенях, расположенных до перепуска, на этих оборотах мала и рас­ход воздуха через перепускные окна должен быть весьма небольшим. Эффективность компрессора с перепуском целесообразно оценивать с помощью к. п. д., учитывающего затрату мощности на сжатие перепу­скаемого воздуха:

где -коэффициент, показывающий превышение расхода в i-й ступени над полезным расходом на выходе из компрессора при перепуске.

П ри работе с перепуском, когда напор увеличивается, к. п. д. _к.эф , как правило, возрастает, несмотря на непроизводительную затрату мощности на сжатие перепускаемого воздуха. Если не учитывать перепускаемого воздуха, то , т. е. равен обычному адиабатическому к. п. д. Этот к. п. д. будет характеризовать лишь изменение режимов работы отдельных ступеней и компрессора в целом при перепуске, но не отражает действительного соотношения между полезной и затраченной мощностью. Изложенное иллюстрируется характеристиками многоступенчатого компрессор с перепуском и без перепуска, построенными по расходу воздуха на выходе из компрессора для средних (рис. 9.17, а) и малых (рис. 9.17,6) оборотов. Из них сле­дует, что при среднем числе обо­ротов, составляющем 60% от расчетных, перепуск увеличивает степень повышения давления с 1,85 до 2,1, т. е. на 13%. Мак­симальный к. п. д. компрессора без учета перепускаемого воз­духа возрастает от 0,64 до 0,76, т. е. на 19%; к. п. д. , учитывающий затрату мощности на перепускаемый воздух, возрастет примерно на 5%. Из рис. 9.17,а, кроме того, следует, что граница неустойчивого режима при перепуске мало сдвигается по величине , и на этом режиме расход на входе будет больше, чем без перепуска приблизительно на величину .

При малом числе оборотов, составляющем 35% от расчетного, при­менение перепуска практически не дает улучшения характеристик (см. рис. 9.17,6). Максимальный рост степени повышения давления состав­ляет всего 4%; к. п. д., учитывающий затрату мощности на перепуск, практически совпадает с величиной к. п. д. без перепуска. Изменение характеристик при применении перепуска может быть качественно раз­личным в зависимости от расчетных параметров компрессора, законо­мерности распределения напора по ступеням и других особенностей.

Наличие перепуска вызывает в сечениях, где находятся перепуск­ные окна, перестройку потока, при которой возможны местные срывы потока и вибрация лопаток. Для предотвращения этих явлений необхо­димо увеличивать зазор между ступенями в зоне расположения пере­пускных окон и щелей, кроме того, желательно перепускать воздух по всей окружности.

Одновременно необходимо тщательно тензометрировать лопатки ступеней, чтобы убедиться в отсутствии опасных вибраций при работе с открытым перепуском.

П ерепуск воздуха. Перепуск воздуха является одним из наибо­лее простых способов регулирования компрессора. Как видно из рис. 4.32, устойчивая работа ТРД с нерегулируемым компрессором обеспечивается только при п_пр>n_пр.н. При меньших значениях п_пр 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 мимо турбины через специальный клапан (клапан перепуска), управляемый сис­темой автоматического регулирования двигателя. Клапан перепус­ка часто выполняют в виде стальной ленты, закрывающей окна в корпусе компрессора (окна перепуска). В этом случае может ис­пользоваться термин «лента перепуска».

В принципе клапан перепуска может быть расположен за комп­рессором. Однако в этом случае возможности такого регулирова­ния будут ограничены пропускной способностью последних ступе­ней, малые проходные сечения которых являются одной из основ­ных причин ухудшения работы компрессора при низких п_пр. Поэто­му более целесообразным является устройство перепуска в средней части компрессора.

Н а рис. 4.40 показано типичное изменение характеристики и положения рабочей кривой многоступенчатого осевого компрессора при открытии клапана (ленты) перепуска. По горизонтали здесь отложен приведенный расход воздуха на входе в компрессор. Как видно, при пониженных значениях п_пр. открытие перепуска приводит к смещению напорных кривых вправо и вверх, т. е. к увеличению G_Bпр и _к*. Но при более высоких значениях п_пр. расход возраста­ет в значительно меньшей степени (из-за приближения к режимам-запирания в лопаточных венцах первых ступеней), а падает.

С точки зрения обеспечения максимального запаса устойчиво­сти необходимо открывать окна перепуска воздуха, как только при­веденная частота вращения окажется меньшей, чем в точке а (рис. 4.41). Однако непроизводительные затраты мощности на сжатие перепускаемого воздуха приводят к значительному снижению тяги и ухудшению экономичности двигателя при включении перепуска. Поэтому на практике значение п_пр, 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.

Обычно перепускается 15—25% воздуха, поступающего в комп­рессор. В некоторых случаях применяют не один, а несколько ря­дов перепускных окон, расположенных в различных сечениях комп­рессора (в различных ступенях) и открываемых при снижении н_пр последовательно с таким расчетом, чтобы обеспечить наилучшее (со­отношение между количеством перепускаемого воздуха и достига­емым при этом увеличением запаса устойчивости.