1.5. Регулирование компрессоров

Рассматривая ступень ОК мы уже упоминали о том, что на нерасчётных режимах нарушается плавное обтекание лопаток РК вследствие отклонения направления вектора относительной скорости W₁ от расчётного. При увеличении угла атаки больше критического срывные явления на спинке профиля приводят к неустойчивой работе (помпажу).

В многоступенчатом ОК неустойчивая работа (помпаж) возникает вследствие рассогласования в работе первых и последних ступеней на нерасчётных режимах (подробнее этот вопрос рассматривается в лекционном курсе). При этом чем больше степень повышения давления воздуха , тем больше это рассогласование.

Для уменьшения рассогласования ступеней многоступенчатого ОК на нерасчётных режимах и улучшения его работы в различных условиях эксплуатации применяются различные способы регулирования компрессоров.

Кроме расширения диапазона устойчивой работы, такое регулирование повышает к.п.д. компрессора на нерасчётных режимах, уменьшает вибрацию лопаток и вибронапряжения в них, облегчает запуск двигателя (меньше потребная мощность стартера).

Основными способами регулирования компрессоров являются:

– перепуск воздуха из проточной части в атмосферу или в наружный контур ТРДД;

– поворот лопаток ВНА, НА (в турбовентиляторных двигателях иногда поворот рабочих лопаток вентилятора);

– изменение соотношения между частотами вращения ступеней (путем применения 2- и 3‑вальных ОК).

На некоторых двигателях применяются одновременно несколько способов регулирования (в литературе встречается также термин–механизация компрессора).

В лекционном курсе дано обоснование каждого из этих способов регулирования. Для напоминания на рис. 1.4 приведены схемы, поясняющие принцип восстановления расчётного обтекания каждым из указанных способов регулирования.

- 18 -

Рис. 1.4. Треугольники скростей на входе в РК 1-й ступени и их изменение при различных способах регулирования

- 19 -

На двигателях, представленных в лаборатории, можно ознакомиться со всеми основными способами регулирования компрессоров.

На двигателе ВК‑1 применяемый ЦК имеет сравнительно низкую степень повышения давления и регулирования не требует. Кроме того, центробежные компрессоры более устойчивы к помпажу из-за работы центробежных сил.

На двигателе РД‑3М –  , регулирование осуществляется перепуском до 15% воздуха из компрессора в атмосферу. Окна перепуска расположены в корпусе компрессора за третьей ступенью и закрываются лентой перепуска. При частоте вращения ротора окна перепуска открыты, а при достижении , они автоматически закрываются лентой ( ). Соответственно, при уменьшении частоты вращения лента открывает окна. Сигнал на открытие и закрытие ленты перепуска выдается центробежным датчиком (расположен на корпусе компрессора сверху), а механическое воздействие на ленту осуществляется пневмомеханизмом (расположен на корпусе компрессора справа). Лента перепуска закрывается и удерживается в закрытом положении сжатым воздухом, а открывается пружиной, находящейся внутри пневмоцилиндра.

Перепуск воздуха наиболее простой способ регулирования компрессора. Восстановление расчётного обтекания лопаток РК при перепуске воздуха происходит за счёт увеличения расхода воздуха через первые ступени и, вследствие этого, увеличения скорости C₁ (рис.1.4, а). Основной недостаток его в большой потере сжатого воздуха, что приводит к снижению тяги и увеличению удельного расхода топлива при открытых окнах перепуска. Следует также иметь в виду, что перепуск воздуха облегчает запуск двигателя.

На двигателе АИ‑20 –  , регулирование осуществляется перепуском воздуха в атмосферу через 4 окна в корпусе компрессора, по два за 5‑й и за 8‑й ступенями. Воздух выпускается через клапаны, которые открыты при частоте вращения ротора: для первых двух и для вторых – ( . Управление клапанами автоматическое, сигнал выдается командно-топливным агрегатом системы регулирования двигателя.

- 20 -

На двигателе ТВ2‑117А – регулирование осуществляется поворотными лопатками ВНА и НА 1‑й, 2‑й и 3‑й ступеней, а также перепуском воздуха за 6‑й ступенью компрессора в атмосферу через 2 клапана перепуска. Более сложное регулирование этого двигателя, по сравнению с предыдущими, объясняется высокой частотой вращения ротора турбокомпрессора этого двигателя ( ).

При регулировании поворотом лопаток ВНА и НА расчётное обтекание лопаток РК обеспечивается изменением направления вектора абсолютной скорости C₁ (рис. 1.4, б). Эффективность регулирования только поворотом лопаток ВНА и НА недостаточна, что приводит к необходимости дополнять его перепуском воздуха. Угол поворота лопаток ВНА и НА изменяется плавно в пределах от –30° до 0° при изменении приведенных оборотов ротора от 75 до 100% от n_max. Управление лопатками осуществляется гидромеханизмом, сигнал выдаётся командным агрегатом системы регулирования двигателя. Клапаны перепуска открыты при оборотах ротора компрессора ниже 53% от n_max.

На двигателе Д‑20П – , регулирование происходит, во‑пер­вых, за счёт 2‑вальной схемы компрессора, и, во‑вторых, путём перепуска воздуха в наружный контур через 2‑окна в корпусе КВД. Окна, расположенные за 3‑й и 4‑й ступенями, закрываются двумя заслонками, которые управляются гидроцилиндрами, установленными на переднем наружном кожухе камеры сгорания; слева. Сигнал на автоматическое открытие и закрытие заслонок выдается центробежным регулятором при .

Напомним, что регулирование за счёт 2‑вальной схемы происходит благодаря тому, что при уменьшении частоты вращения обоих роторов угол атаки при обтекании рабочих лопаток ротора КНД увеличивается, нагрузка на лопатки возрастает, происходит относительное торможение этого ротора, т.е. уменьшение окружной скорости U и благодаря этому постоянно восстанавливается расчётное обтекание лопаток (рис. 1.4, в). Регулирование при этом происходит плавно.

Степень повышения давления в КНД ( ) невысока и поэтому в этом компрессоре никаких дополнительных противопомпажных мер не требуется.

- 21 -

В 8‑ступенчатом КВД ( ), как указано выше, применяется перепуск воздуха для предотвращения срывных явлений на лопатках первых ступеней этого компрессора.

Как видим, при 2‑валъной схеме ОК регулирование проще, чем при одновальной. Благодаря этому 2‑вальная схема позволяет реализовать более высокие степени повышения давления и при этом иметь достаточно широкий диапазон устойчивой работы. Преимуществом этой схемы является также и то, что при запуске двигателя приходится раскручивать только ротор турбокомпрессора высокого давления и меньше потребная мощность стартера.

Дальнейшим развитием ТРДД Д‑20П является ТРДД Д‑30. У этого двигателя степень повышения давления компрессора ( ; ). Обратите внимание что произведение оказывается больше, чем , попробуйте объяснить это. КНД этого двигателя регулируется только благодаря 2‑вальнэй схеме. КВД, кроме заслонок перепуска, имеет ВНА с поворотными лопатками. Конструкция компрессоров 2‑валъной схемы в целом сложнее, чем одновальных.