2.16.2. Перепуск воздуха

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 (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).

Более 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 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, что не только обеспечивает работу этих ступеней (и вместе с тем всего компрессора) без срыва, но и приводит к возрастанию их КПД, а также благоприятно сказывается на уровне вибронапряжений в лопатках.

В то же время затрата дополнительной работы на сжатие воздуха, выпускаемого через систему перепуска, приводит обычно к необходимости увеличения подачи топлива для поддержания неизменной частоты вращения ротора ГТД и соответственно к увеличению температуры газов перед турбиной, что влечет за собой уменьшение объемного расхода воздуха через последние ступени компрессора. В результате осевые скорости воздуха в этих ступенях уменьшаются, а углы атаки увеличиваются, также приближаясь к расчетным, что приводит к увеличению напора и КПД последних ступеней. Таким образом, 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.

2.16.3. Поворот лопаток компрессора

Изменение в желаемом направлении углов атаки в различных ступенях компрессора может быть достигнуто соответствующим изменением углов установки (т.е. поворотом) лопаток ротора или статора при изменении режима работы двигателя.

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

2.16.4. Применение двух- и многокаскадных компрессоров

Каскадом компрессора называется группа ступеней, установленных на одном валу и приводимых отдельной турбиной. Идея разделения компрессора на стоящие друг за другом каскады сводится к следующему: 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 каждой из них; при этом 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. чем больше число каскадов, тем большим может быть и достигаемый эффект.

Примером использования этой идеи может служить двухвальный ТРД. В этом двигателе 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, причем обе турбины также расположены друг за другом. На расчетном режиме параметры этих турбин подбираются таким образом, чтобы каждый из каскадов компрессора вращался с заданной частотой, при которой все ступени компрессора работают согласованно. Частота вращения КНД и частота вращения КВД может быть одинаковой или более высокой в КВД.

Рассмотрим, как будет вести себя такая конструкция при уменьшении приведенной частоты вращения каскадов. В компрессоре, не разделенном на каскады, углы атаки в первых ступенях при этом растут, что приводит к возрастанию аэродинамических нагрузок на лопатки. В последних ступенях, наоборот, углы атаки уменьшаются. Иными словами, распределение работы вращения между ступенями изменяется в сторону увеличения доли работы, приходящейся на первые ступени. В одновальном компрессоре это перераспределение происходит за счет изменения усилий в элементах, передающих крутящий момент от турбины к венцам лопаток различных ступеней. Но в рассматриваемой схеме КНД и КВД 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 КНД и КВД. Это означает, что турбины не смогут приводить оба каскада с прежним соотношением частот вращения: у компрессора низкого давления она упадет, а у компрессора высокого давления возрастет по сравнению с частотой вращения нерегулируемого (не разделенного на каскады) компрессора в аналогичных условиях. В результате так называемое "скольжение" роторов (отношение оборотов КВД к оборотам КНД) при снижении приведенной частоты вращения увеличится. Расход воздуха при этом по сравнению с нерегулируемым компрессором изменится мало, так как снижение частоты вращения КНД и увеличение ее у КВД воздействует на расход взаимно противоположным образом.

Но снижение оборотов КНД при неизменном расходе воздуха означает уменьшение углов атаки в ступенях КНД, а увеличение оборотов КВД - 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.