62. Регулирование компрессора с помощью поворотных направляющих аппаратов.

При n_пр<1 режимы работы первых ступеней переходят на левые ветви характеристик, приближаясь к границе срыва, а у последних ступеней — на правые ветви с отрицательными углами атаки, с пониженными значениями напора и КПД. При n_пр>1 рассогласование ступеней имеет противоположный характер. Для уменьшения рассогласования ступеней многоступенчатого компрессора на нерасчетных режимах и улучшения работы его в различных условиях эксплуатации в авиационных ГТД широко применяются различные способы регулирования

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 и его назначения. Чаще всего используется поворот лопаток ВНА или направляющих аппаратов нескольких первых ступеней. В некоторых двигателях, рассчитанных на большие сверхзвуковые скорости полета, применяется одновременное регулирование положения направляющих аппаратов в группе первых и в группе последних ступеней.

Поворот лопаток ВНА. Возможность воздействия на углы атаки у лопаток рабочего колеса первой ступени компрессора поворотом лопаток ВНА наглядно показана на рис. 4.42. При пониженных значениях приведенной частоты вращения первая ступень работает с пониженным коэффициентом расхода с_а и с повышенными углами атаки. Соответствующий этому случаю треугольник скоростей изображен на рис. 4.42 сплошными линиями. Там же сплошными линиями изображены контуры лопаток ВНА в исходном (расчетном) положении. Если же повернуть эти лопатки в положение, показанное пунктиром, то вследствие изменения направления вектора ско­рости С(треугольник скоростей «деформируется» (см. пунктир на рис. 4.42) и угол атаки при неизменном значении расходной составляющей .скорости воздуха уменьшится.

Рис, 4.42. К объяснению влияния поворота лопа­ток ВНА на угол атаки в рабочих лопатках пер­вой ступени компрессора: а—схема поворота лопаток ВНА; б—изменение треуголь­ников скоростей; в—ВНА с лопатками переменной кривизны

Поворот лопаток статора на уменьшение угла установки (т. е. на уменьшение a₁) и увеличение предварительной закрутки воздуха перед колесом принято называть поворотом «на прикрытие» и приписывать ему отрицательный знак. Как видно, при таком направлении поворота лопаток ВНА можно и при пониженном коэффициенте расхода с_а обеспечить сохранение расчетного угла атаки у лопаток рабочего колеса и тем самым предотвратить возникновение срыва потока и падение КПД первой ступени при n_пр<1. При этом угол β₂ в треугольнике скоростей ступени изменится незначи­тельно и, следовательно, одновременно с уменьшением с_а будет уменьшаться также закрутка воздуха ∆w_v (согласно рис. 4.42) и в конечном счете работа, затрачиваемая на вращение ступени, и развиваемый ею напор. В результате вся характеристика компрессора смещается при прикрытии лопаток ВНА на меньшие расходы и напоры.

Таким образом, поворот лопаток ВНА на прикрытие при пониженных значениях n_пр приводит не только к повышению запаса устойчивости компрессора (вследствие уменьшения углов атаки), но и к снижению потребляемой работы, степени повышения давления и расхода воздуха, что благоприятно сказывается на мощности, потребной для прокрутки компрессора при запуске двигателя.

Однако поворот ВНА существенно улучшает условия обтекания практически только для лопаток первой ступени. Поэтому общая эффективность такого регулирования сравнительно невелика и для обеспечения устойчивой работы компрессора при пониженных значениях n_пр часто оказывается недостаточной, что заставляет применять сочетание поворота ВНА с перепуском воздуха. Кроме того, условия обтекания лопаток самого ВНА при их прикрытии, как видно из рис. 4.42, ухудшаются (резко возрастают углы атаки). Поэтому КПД всего компрессора увеличивается при таком регулировании незначительно. Несколько более эффективным в этом отношении является применение ВНА с лопатками переменной кривизны, один из вариантов конструкции которых схематично показан на рис. 4.42, в.

Поворот лопаток НА нескольких первых ступеней. Такое регулирование компрессора по физическим основам аналогично регулированию поворотом ВНА, но по достигаемому эффекту значительно превосходит его, так как при этом увеличивается число рабочих колес, углы атаки на лопатках которых могут быть непосредственно и значительно снижены в результате поворота стоящих перед ними направляющих аппаратов. Кроме того, поворот лопаток этих аппаратов, уменьшая углы атаки в рабочих лопатках, как видно из анализа треугольников скоростей, приводит одновременно к уменьшению углов атаки (т. е. к улучшению условий обтекания) и в самих поворотных аппаратах (за исключением ВНА).

В результате при регулировании компрессора поворотом НА в нескольких первых ступенях запас устойчивости на пониженных значениях n_пр, увеличивается настолько, что надобность в одновременном применении, например, перепуска воздуха обычно отпадает (за исключением иногда режимов запуска и земного малого газа), при этом КПД компрессора может быть существенно повышен.

На рис. 4.43 показан характер влияния различных способов регулирования на КПД компрессора с высоким расчетным значением π_к*. В нерегулируемом компрессоре (кривая 1) при пониженных значениях n_пр КПД существенно снижается из-за рассогласования ступеней (см. также рис. 4.23). Поворот лопаток ВНА лишь незначительно увеличивает π_к* (кривая 2). Управление с помощью направляющих аппаратов углами атаки на рабочих лопатках в несколько первых ступенях (кривая 3) позволяет в широком диапазоне приведенных частот вращения сохранить КПД компрессора на уровне не ниже расчетного. Кроме того, одновременное прикрытие ВНА и НА в нескольких первых ступенях компрессора приводит к более значительно­му уменьшению работы, потребной для вращения компрессора, и расхода воздуха, чем при прикрытии только ВНА, что существенно облегчает процесс запуска ГТД с таким компрессором.

Одновременное регулирование НА в первых и последних ступенях. В двигателях, рассчитанных на большие сверхзвуковые скорости полета, снижение может быть вызвано не переходом к пониженным режимам работы, а значительным увеличением температуры воздуха на входе вследствие торможения набегающего на самолет сверхзвукового потока. В этом случае уменьшение расхода воздуха при повороте направляющих аппаратов первых ступеней (для уменьшения углов атаки) является нежелательным, так как в конечном счете приводит к снижению тяги двигателя.

Этого можно избежать, применяя одновременное регулирование НА, как в первых, так и в последних ступенях.

Рис. 4.44. Сравнение ха­рактеристик компрессоров:

Если при пониженных значениях n_пр направляющие аппараты в последних ступенях повернуть в сторону, противоположную показанной на рис. 4.42, т. е. на увеличение угла установки (на «раскрытие»), то это приведет к увеличению углов атаки, т. е. к улучшению условий обтекания лопаток (за счет приближения углов атаки к расчетным) и, что важно, к увеличению работы вращения этих ступеней. В результате увеличения передаваемой воздуху работы и роста КПД последних ступеней увеличится степень повышения давления воздуха в компрессоре, плотность воздуха в последних ступенях и, в конечном счете, расход воздуха через двигатель.

нерегулируемого;

— — — регулируемого пово­ротом направляющих аппаратов в группе первых ступеней; — —то же в группе первых и в группе последних ступеней; О—рабочие точки

При этом запас по срыву в последних ступенях несколько снизится вследствие увеличения углов атаки. Но поскольку при пониженных значениях n_пр у нерегулируемого компрессора углы атаки в этих ступенях отрицательны и, кроме того, вызванное регулированием увеличение расхода воздуха приводит к уменьшению углов атаки в первых ступенях, запас устойчивости компрессора в целом в итоге может даже возрасти. Для иллюстрации на рис. 4.44 показан характер изменения характеристики компрессора и положения рабочих точек при регулировании его поворотом лопаток в нескольких венцах статора.

Рис. 4.45. Характер изменения углов поворота лопаток НА много­ступенчатого компрессора в зави­симости от n_пр

Следует отметить, что регулирование направляющих аппаратов первых и последних ступеней является конструктивно более сложной задачей и приводит к более дорогому и несколько менее надежному компрессору, чем, например, при регулировании положения направляющих аппаратов только в первых ступенях, и по­этому может быть оправдано только в тех случаях, когда снижение приведенного расхода воздуха в результате регулирования ком­прессора нежелательно.

Углы поворота лопаток в различных вендах статора должны быть различными. Чем меньше относительное значение n_пр и чем дальше расположена данная ступень от середины компрессора, тем в большей мере отклоняется режим ее работы от оптимального (см. рис. 4.22) и, следовательно, тем больше должен быть угол поворота направляющего аппарата, стоящего перед ее рабочим колесом, для сохранения углов атаки, близких к оптимальным (рис. 4.45). В средних ступенях отклонения режимов работы от оптимальных обычно невелики, и поэтому эти ступени могут выполняться нерегулируемыми.

Поворот рабочих лопаток в конструктивном отношении более сложен и находит в настоящее время ограниченное применение только в одноступенчатых вентиляторах некоторых двухконтурных двигателей. Реализация такого регулирования позволяет изменять в значительных пределах коэффициент напора вентилятора при сохранении высокого уровня КПД и расширить диапазон устойчивой его работы. Аналогичные результаты можно получить и с помощью регулируемого ВНА с лопатками переменной кривизны. Но постановка ВНА значительно увеличивает шум, создаваемый вентилятором. Кроме того, поворот рабочих лопаток обеспечивает возможность реверсирования тяги, создаваемой вентилятором, а также флюгирования его лопаток при полете с выключенным или отказавшим двигателем для уменьшения его лобового сопротивления.