Теория газотурбинных двигателей

Характеристики компрессоров

В условиях эксплуатации двигателя высота, скорость полета, и частота вращения компрессора изменяются в широких пределах. При этом степень повышения давления, расход воздуха, окружные скорости, числа Маха и углы атаки на лопатках ступеней изменяются и отличаются от их расчетных значений. Это может явиться причиной значительного изменения потребляемой мощности и КПД компрессора, а в некоторых случаях – появления неустойчивости в его работе. Поэтому возникает необходимость в обеспечении устойчивости работы компрессора не только на расчетном, но и на других, нерасчетных режимах.

Зависимости, показывающие, как изменяются основные показатели работы компрессора – степень повышения давления и КПД при изменении частоты вращения компрессора и расхода воздуха называются характеристиками компрессора.

Зависимость степени сжатия компрессора от расхода воздуха называется напорной кривой.

По мере повышения давления в компрессоре повышается плотность воздуха, а массовый расход воздуха во всех сечениях компрессора, естественно, постоянен. Следовательно, по мере повышения плотности необходимо уменьшать площадь проходного сечения газового тракта.

Снижать осевую скорость, практически, нельзя.

Нецелесообразно беспредельно уменьшать высоту лопатки (проходную площадь компрессора), так как ступени с маленькими лопатками будут иметь недопустимо низкий КПД. Все это приводит к тому, что в авиационном компрессоре одновальной схемы нельзя получить степень повышения давления более 10—14.

В многокаскадных компрессорах частота вращения каждого последующего каскада больше предыдущего. Увеличение числа каскадов усложняет конструкцию компрессора и увеличивает его массу, поэтому в современных компрессорах число каскадов не превышает трех.

В условиях эксплуатации значения полного давления и температуры заторможенного потока воздуха на входе в компрессор двигателя могут изменяться в зависимости от атмосферных условий, скорости и высоты полета, потерь в воздухозаборнике и т. д. Эти изменения будут влиять на характеристики компрессора.

Расход воздуха изменяется пропорционально изменению давления, т. е. плотности воздуха на входе.

При уменьшении температуры воздуха на входе в компрессор массовый расход воздуха и степень повышения давления возрастают. Рост расхода воздуха при уменьшении температуры на входе в компрессор обусловлен увеличением плотности воздуха. Более холодный воздух может быть сжат до более высокого давления, что и влечет за собой возрастание степени сжатия при уменьшении температуры.

Изменение осевой скорости сказывается на величине угла атаки потока на лопатках рабочего колеса. Увеличение осевой скорости приводит к уменьшению угла атаки. Уменьшение осевой скорости, наоборот ведет к увеличению угла атаки и к увеличению закрутки воздуха в рабочем колесе.

Из-за превышения критических углов атаки в лопаточных венцах ступени возникает срыв потока, следствием которого могут явиться серьезные нарушения нормальной работы компрессора в эксплуатации.

Характеристики многоступенчатых компрессоров аналогичны характеристикам их ступеней. Но в то же время они имеют ряд особенностей, определяемых условиями совместной работы ступеней в многоступенчатом компрессоре.

Площадь проточной части многоступенчатого компрессора уменьшается от ступени к ступени. В нерегулируемом компрессоре соответствие между площадями проходных сечений и изменением плотности воздуха достигается только на расчетном режиме. На нерасчетных режимах это соответствие нарушается.

Условия совместной работы ступеней в нерегулируемом компрессоре определяются равенством расхода воздуха и частот вращения для всех его ступеней.

Всякое изменение степени повышения давления в компрессоре (или в какой-либо части его) неизбежно будет сопровождаться изменением коэффициентов расхода в различных ступенях.

Неустойчивые режимы работы многоступенчатых компрессоров

В определенных условиях может наблюдаться форма неустойчивой работы, характеризуемая термином «помпаж» отличающаяся возникновением сильных низкочастотных колебаний давления и расхода воздуха во всем газовоздушном тракте.

Эта частота зависит от объема (массы) воздуха, заключенного в компрессоре и элементах тракта двигателя. Обычно она составляет несколько герц и сравнительно слабо зависит от частоты вращения компрессора.

При уменьшении расхода воздуха наиболее резко будут увеличиваться углы атаки в последних ступенях компрессора и поэтому в рассматриваемом случае критические критические углы атаки будут достигнуты, прежде всего, в последних ступенях.

Однако вследствие малого рассогласования ступеней углы атаки в остальных ступенях также будут близки к критическим. Возникновение срыва в какой-либо из последних ступеней, имеющих малую длину лопаток обычно сопровождается образованием срывной зоны значительных размеров и резким падением напора.

В результате быстрого распространения срыва на все ступени степень сжатия и расход воздуха компрессора резко и самопроизвольно падают. Одновременно может наблюдаться выброс сжатого и нагретого воздуха на вход в компрессор. При этом в характеристике компрессора наблюдается гистерезис, и для вывод компрессора из срывного режима необходимо сделать сопротивление сети значительно меньшим, чем оно было в момент возникновения срыва.

При малых значениях приведенной частоты вращения у компрессора с высокими лопатками в довольно широком диапазоне расходов воздуха может существовать вполне сформировавшийся вращающийся срыв в первых его ступенях при нормальной, устойчивой работе компрессора в целом. Необходимо, однако, иметь в виду, что наличие вращающегося срыва может стать источником возбуждения опасных вибраций лопаток. Поэтому, несмотря на отсутствие внешних признаков неустойчивости и удовлетворительные значения КПД и напора, длительная работа компрессора на таких режимах может оказаться недопустимой.

При промежуточных значениях приведенной частоты вращения, когда критические углы атаки достигаются первоначально также на первых ступенях компрессора, срыв потока, возникший в одной из первых ступеней, может быстро распространиться на весь компрессор. Этот процесс будет сопровождаться скачкообразным падением напора и расхода. Поэтому в некотором диапазоне значений приведенной частоты вращения, лежащих ниже расчетного, граница устойчивой работы может определяться возникновением срыва в первых его ступенях. Обычно этот диапазон сравнительно невелик и располагается в интервале 0,8…095 приведенной частоты вращения.

Явление неустойчивости работы компрессора в некоторых случаях может возникнуть и тогда, когда угол притекания набегающего на лопатку потока меньше расчетного. Это наблюдается при работе компрессора на так называемом режиме «запирания» компрессора (при отрицательных углах атаки, имеющих место при увеличенных, по сравнению с расчетными, расходах воздуха). Однако неустойчивость работы компрессора в этом случае проявляется гораздо реже и слабее, чем при положительных углах атаки. Это объясняется различием в величинах срывных зон. При положительных углах атаки вследствие отрыва потока от спинки и поджатия его к корытцу лопатки под действием инерционных сил зона срыва сильно развита и значительно превышает зону срыва при отрицательных углах атаки.

На характеристики устойчивости компрессора и на возникновение его помпажа большое влияние оказывает явление так называемого вращающегося срыва. Дело в том, что при уменьшении расхода воздуха, срыв потока не возникает одновременно на всех лопатках ступени компрессора. Вследствие отсутствия строгой симметрии потока по многим причинам (в том числе по причине различий в геометрии элементов проточной части компрессора и наличия возмущений потока на входе в него) срыв вначале появляется в нескольких или даже в одном месте по окружности ступени, охватывая в каждом из них по нескольку межлопаточных каналов. При этом зона из-за уменьшения пропускной способности межлопаточных каналов, в которых происходит срыв потока с лопаток, перемещается по окружности в том же направлении, что и само колесо, но с меньшей скоростью. Следовательно, место образования зоны срыва не присуще постоянно одним и тем же межлопаточным каналам.

Возникновение вращающегося срыва характеризуется появлением дополнительных пульсаций давления в компрессоре. При помпаже, как уже отмечалось, происходит периодическая низкочастотная пульсация, т. е. колебание давления и скорости потока воздуха по тракту компрессора. КПД компрессора при этом резко уменьшается. Это приводит к падению тяги и ухудшению экономичности двигателя в целом. Сопровождается помпаж характерными периодическими сильными хлопками, ростом температуры газов и резким падением частоты вращения ротора двигателя.

Более того, вызываемая помпажом компрессора пульсация потока воздуха может привести к срыву и затуханию пламени в камере сгорания и, следовательно, к выключению двигателя.

При помпаже вследствие пульсации потока воздуха возникает вибрация лопаток компрессора, которая передается всей его конструкции. При сильном помпаже возникшая вибрация компрессора передается всей конструкции двигателя, вызывая его тряску. Последняя может привести к разрушению не только компрессора, но и двигателя. Поэтому помпаж компрессора двигателя в эксплуатации недопустим.

Рабочие режимы и запасы устойчивости компрессора

Целесообразным является устройство перепуска в средней части компрессора. В этом случае открытие клапанов перепуска при пониженных значениях приведенной частоты вращения приводит к увеличению расхода воздуха через первые ступени. В результате осевые скорости воздуха в этих ступенях увеличиваются, приближаясь к расчетным.

В то же время увеличение подачи топлива для поддержания неизменной частоты вращения ротора ГТД и соответственно к увеличение температуры газов перед турбиной влечет за собой уменьшение объемного расхода воздуха через последние ступени компрессора. В результате осевые скорости воздуха в этих ступенях уменьшаются, а углы атаки увеличиваются, приближаясь к расчетным. Открытие клапанов перепуска при пониженных значениях приведенной частоты вращения приводит к увеличению запаса устойчивости компрессора, увеличению степени сжатия и повышению КПД как первых, так и последних его ступеней.

Значения степени сжатия и расхода воздуха, соответствующие какому-либо конкретному рабочему режиму, изображаются на характеристике компрессора рабочей точкой. Важное значение в теории газотурбинных двигателей имеют точки, соответствующие установившимся режимам работы двигателя, т. е. постоянным во времени значениям частоты вращения, подачи топлива и других параметров и факторов, которые могут влиять на работу элементов двигателя.

Нарушение устойчивой работы компрессора газотурбинного двигателя является одним из наиболее опасных отказов авиационной авиадвигателей. Поэтому в эксплуатации работа на режимах, где рабочая точка располагается вблизи границы устойчивости, т. е. где запас устойчивости мал, недопустима.

Для предотвращения неустойчивой работы двигателя при высоких приведенных оборотах необходимо, чтобы значение максимальных приведенных оборотов было выше, чем самое высокое значение фактических приведенных оборотов, которое может встречаться в эксплуатации.

Влияние условий эксплуатации на характеристики компрессоров

Существенное влияние на характеристики компрессора могут оказать следующие условия:

а) влажности атмосферного воздуха;

б) неравномерное поле параметров потока на входе в компрессор;

в) нестационарность потока воздуха перед или за компрессором;

г) изменение размеров и состояния поверхности лопаток.

С подъемом на высоту уменьшается давление воздуха. При значения давления, меньших критического, падает КПД и степень повышения давления, в результате чего запас устойчивости компрессора на больших высотах полета может существенно сократиться.

При отрицательных температурах наружного воздуха даже при высокой относительной влажности влагосодержание составляет менее 0,005, т. е. менее 5 г паров на 1 кг воздуха, и его влияние не ощущается. Однако в условиях полета на малой высоте в жаркий день при большой относительной влажности влагосодержание может достигать значений 0,05…0,08, и влияние влажности на работу компрессора становится заметным.

Увеличение влажности воздуха ведет прежде всего, к увеличению скорости звука во влажном воздухе и снижению чисел М, с которыми обтекаются лопатки компрессора.

Рассмотрим механизм влияния радиальной неравномерности на работу компрессора.

Если неравномерность такова, что вызывает увеличение углов атаки лопаток, где имелся большой запас по срыву потока, и, наоборот, уменьшение в тех областях, где лопатки работали (в равномерном поле) почти с критическими углами атаки, то запас устойчивости ступени в целом возрастает.

Рабочие лопатки периодически попадают в зону пониженных осевых скоростей, т. е. периодически обтекаются с повышенными углами атаки.

В некоторых случаях (например, при отклонении струи газов, выходящих из сопла, в устройствах для реверса тяги, при отражении ее от поверхности земли у самолетов вертикального взлета и посадки, при неблагоприятном ветре на режиме висения вертолета и т. п.) возможно возникновение неравномерности поля температур на входе в компрессор вследствие попадания горячих газов (или подогретых ими воздушных струй) в воздухозаборник.

Попадание горячих газов или подогретых струй воздуха на вход в компрессоре приводит не только к снижению степени сжатия компрессора, но и к резкому снижению запаса устойчивости.

Течение воздуха в компрессоре из-за относительного перемещения рабочих и неподвижных лопаток всегда является нестационарным. В дополнение к этой нестационарности, характеризуемой частотами колебаний порядка нескольких тысяч герц, в условиях эксплуатации может возникнуть нестационарность со значительно меньшими частотами, вызванная, например, периодическими колебаниями давления на входе при нарушении устойчивости течения в воздухозаборнике, нестацинарностью процесса в камере сгорания, а также носящими случайный характер пульсациями потока и крупномасштабной турбулентностью, возникающими при срывах потока в каналах воздухозаборника, при повышенной турбулентности атмосферы и т. п.

Обрыв лопаток обычно приводит к таким разрушениям элементов проточной части, в результате которых (если двигатель продолжает работать) степень сжатия и КПД компрессора резко падают, а запас устойчивости существенно снижается; во многих случаях это приводит к нарушению устойчивости работы компрессора. Незначительные повреждения (забоины) приводят к менее резкому ухудшению параметров компрессора, но при большом их количестве также могут служить причиной заметного снижения КПД и запаса устойчивости. К такому же результату приводит увеличение радиальных зазоров или сильная коррозия лопаток.

Влиянию абразивного износа лопаток особенно подвержены компрессоры вертолетных двигателей. Это происходит потому, что вертолеты в большинстве случаев базируются на грунтовых площадках, не имеющих твердого покрытия, и длительное время работают вблизи земли.

При прохождении через двигатель 100 кг пыли степень сжатия компрессора уменьшается на 8% и КПД – примерно на 3%.

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.

Ограничения по устойчивой работе компрессора

Необходимость их введения диктуется тем, что запас устойчивости компрессора при некоторых условиях может снижаться до недопустимо малых значений.

1. Одной из причин наступления опасных с точки зрения срыва и помпажа режимов работы компрессора является значительное изменение в условиях полета приведенной частоты вращения, связанное с изменением температуры воздуха. Изменение приведенной частоты вращения может быть достаточным для того, чтобы возникла неустойчивая работа компрессора.

2. На характеристики газодинамической устойчивости компрессора отрицательное влияние оказывает уровень неравномерности и нестационарности потока на входе в авиадвигатель. В компоновке воздушного судна этот уровень определяется конструкцией и условиями работы входного устройства. С ростом числа Маха, углов атаки и скольжения ВС неравномерность потока перед двигателем (особенно при коротких входных каналах) возрастает и может достигать такого уровня, при котором даже на установившихся режимах работы двигателя запас газодинамической устойчивости компрессора оказывается меньше минимально допустимых значений. Это заставляет вводить ограничения по максимальным перегрузкам ВС (т. е. углам атаки и скольжения) в области больших чисел М полета, а в отдельных случаях ограничивать и максимальную высоту полета ВС значениями, меньшими статического потолка (где углы атаки достигают особенно больших значений).

3. К числу ограничений по устойчивой работе компрессора на некоторых авиадвигателях относится запрещение вывода турбореактивного двигателя на максимальный режим без прогрева. Снижение запаса устойчивости при максимальной частоте вращения двигателя в этом случае объясняется увеличением радиальных зазоров на последних ступенях компрессора (тонкий корпус компрессора нагревается быстрее, чем ротор), а также тем, что поток воздуха, интенсивно отдавая тепло элементам конструкции, сам охлаждается. Снижение температуры воздуха на выходе из компрессора приводит к увеличению плотности и снижению скорости воздуха на последних ступенях. По указанным причинам возможно появление «верхнего срыва» при приведенной частоте вращения менее максимальной, тогда как у прогретого двигателя при этом обеспечивается достаточный запас устойчивости.