Регулирование компрессоров

С целью уменьшения рассогласования ступеней многоступенчатого компрессора на нерасчетных режимах в авиационных газотурбинных двигателях применяются различные способы регулирования компрессоров:

а) повышение запасов устойчивости компрессора;

б) снижение уровня вибронапряжений в лопатках;

в) повышение КПД компрессора на нерасчетных режимах работы двигателя;

г) изменение соотношения между приведенной частотой вращения и степенью повышения давления воздуха на рабочих режимах.

К основным способами регулирования компрессоров относятся:

а) перепуск воздуха из проточной части компрессора;

б) поворот направляющих или рабочих лопаток;

в) изменение соотношения между частотой вращения ступеней компрессора.

Перепуск воздуха является одним из наиболее простых способов регулирования компрессора. Устойчивая работа компрессора обеспечивается только при приведенных оборотах больших, чем обороты нижнего срыва. При меньших значениях приведенных оборотов расход воздуха через расположенную за компрессором турбину оказывается меньшим, чем на границе устойчивой работы компрессора. Устойчивую работу двигателя в этой области можно обеспечить, перепустив часть воздуха из проточной части компрессора мимо турбины через клапаны перепуска воздуха [2], управляемые системой автоматического регулирования двигателя. Клапаны перепуска воздуха часто выполняют в виде стальной ленты, закрывающей окна в статоре компрессора.

Более целесообразным является установка клапанов перепуска воздуха в средней части компрессора. В этом случае открытие клапанов перепуска воздуха при пониженных значениях приведенной частоты вращения приводит к увеличению расхода воздуха только через первые ступени, т. е. как раз через ступени, работающие с повышенными углами атаки. В результате осевые скорости воздуха в этих ступенях увеличиваются, а углы атаки уменьшаются, приближаясь к расчетным.

Затрата дополнительной работы на сжатие воздуха, выпускаемого через клапаны перепуска воздуха, приводит к необходимости увеличения подачи топлива для поддержания неизменной частоты вращения ротора компрессора и соответственно к увеличению температуры газов перед турбиной. Это приведет к уменьшению объемного расхода воздуха через последние ступени компрессора. Осевые скорости в этих ступенях уменьшаются, а углы атаки увеличиваются, что приводит к увеличению напора последних ступеней. В результате, открытие клапанов перепуска воздуха при понижении приведенной частоты вращения ротора приведет к увеличению запаса устойчивости компрессора, увеличению степени сжатия и повышению КПД как первых, так и последних его ступеней.

Изменение углов атаки в различных ступенях компрессора достигается изменением углов установки лопаток ротора или статора при изменении режима работы двигателя.

Чаще применяется поворот лопаток статора, причем число и расположение регулируемых лопаточных венцов выбирается в зависимости от числа ступеней компрессора. В некоторых двигателях применяется одновременное регулирование положения направляющих аппаратов в группе первых и в группе последних ступеней.

Каскадом компрессора называется группа ступеней, установленных на одном валу и вращаемой от отдельной турбины. Разделение компрессора на стоящие друг за другом каскады приводит к тому, что компрессор с высоким расчетным значением степени сжатия разделяется на группы ступеней со значительно меньшей величиной степени сжатия и соответственно с меньшим возможным рассогласованием ступеней в пределах каждого каскада. Рассогласование ступеней, находящихся в разных каскадах уменьшается за счет изменения соотношения частот вращения каскадов при изменении общей степени повышения давления.. Чем больше число каскадов компрессора, тем большим может быть и достигаемый эффект.

Передняя группа ступеней образует так называемый компрессор низкого давления (КНД), а вторая группа – компрессор высокого давления (КВД).

Оба компрессора приводятся во вращение каждый от своей турбины. На расчетном режиме параметры турбин подбираются таким образом, чтобы каждый из каскадов компрессора вращался с заданной частотой, при которой все ступени компрессора работают согласованно. Частота вращения компрессора низкого давления и частота вращения компрессора высокого давления может быть одинаковой или более высокой в КВД.

В компрессоре, не разделенном на каскады, углы атаки в первых ступенях при этом увеличиваются. В последних ступенях, наоборот, углы атаки уменьшаются. Иными словами, распределение работы вращения между ступенями изменяется в сторону увеличения доли работы, приходящейся на первые ступени. Компрессоры низкого и высокого давления имеют только газодинамическую связь друг с другом, причем при неизменной общей степени расширения газа в двух стоящих друг за другом турбинах распределение работы расширения газа между ними остается практически неизменным. Следовательно, неизменным должно быть и распределение работы вращения между каскадами компрессоров. Это означает, что турбины не смогут приводить оба каскада с прежним соотношением частот вращения: у КНД она упадет, а у КВД возрастет по сравнению с частотой вращения нерегулируемого (не разделенного на каскады) компрессора в аналогичных условиях.

Снижение оборотов компрессора низкого давления при неизменном расходе воздуха означает уменьшение углов атаки в ступенях компрессора низкого давления, а увеличение оборотов компрессора высокого давления – соответствующее увеличение углов атаки в последних ступенях двухкаскадного компрессора.