- •36. Классификация турбомашин по направлению передачи энергии, по преимущественному направлению потока. Преимущества и недостатки различных типов турбомашин.
- •37. Классификация осевых турбомашин по форме меридионального сечения проточной части, преимущества и недостатки различных схем проточной части.
- •39. Классификация турбомашин по скорости обтекания профилей (истечения из межлопаточных каналов). Краткая характеристика указанных видов турбомашин.
- •40. Классификация турбомашин по числу валов. Обоснование необходимости применения многовальных турбомашин.
- •41. Основные показатели работы и параметры турбомашин. Требования, предъявляемые к компрессорам и турбинам.
- •42. Основные геометрические параметры проточной части, ограничения и перспективы развития параметров проточных частей.
- •43. Геометрические параметры профиля, краткий анализ и характерные значения.
- •44. Геометрические параметры решетки профилей и лопаток. Краткий анализ.
- •47. Активный и реактивный принцип работы ступени турбомашины. Кинематическая степень реактивности. Термодинамическая степень реактивности.
- •48. Распределение параметров потока по длине ступени в активных и реактивных ступенях.
- •49. Основы расчета ступени турбомашин с использованием степени реактивности. Входная и выходная закрутка потока.
- •50. Анализ влияния кинематической степени реактивности на планы скоростей ступени осевого компрессора.
- •51. Анализ влияния кинематической степени реактивности на планы скоростей ступени осевой турбины.
- •5 2. Атакоустойчивость профиля и решетки профилей компрессоров и турбин. Характеристика компрессора по потерям (кпд). Факторы, определяющие атакоустойчивость.
- •54. Особенности характеристик центробежных компрессоров с различной формой лопаток.
- •55. Обобщенные и универсальные характеристики компрессора. Приведение параметров компрессора к стандартным атмосферным условиям. Возможные погрешности формул приведения.
- •56. Газодинамические основы рассогласования работы первых и последних ступеней компрессора (ступени и сети) на нерасчетных режимах работы.
- •59. Вращающийся срыв в компрессорах, надроторные устройства.
- •60. Изменение расхода воздуха через компрессор по частоте вращения. Регулирование компрессора с помощью перепуска воздуха.
- •61. Регулирование компрессора с помощью поворотных направляющих аппаратов.
- •62. Регулирование компрессора, 2-х и более вальная схема компрессора, изменение скольжения роторов при изменении частоты вращения.
- •63. Короткие, средние и длинные лопатки. Профилирование длинных лопаток по высоте, законы профилирования. Основные положения и уравнения для расчета планов скоростей по высоте.
- •64. Профилирование по закону постоянной циркуляции и закону постоянного угла выхода из соплового аппарата, сравнение с законом постоянной реактивности.
- •65. Профилирование по закону постоянной реактивности (твердого тела), сравнение с законом постоянной циркуляции.
- •66. Общая номенклатура потерь в решетках турбомашин, краткая характеристика видов потерь и их зависимость от основных режимных и геометрических параметров.
- •67. Дополнительные потери в турбомашинах: от нестационарности, в зазорах, на трение о диски, на охлаждение, с выходной скоростью.
- •68. Кпд турбомашин: адиабатный по параметрам торможения, адиабатный по статическим параметрам за турбиной/ступенью (мощностной), политропный.
- •69. Зависимость адиабатного и мощностного кпд от отношения u/c.
- •70. Оптимальные планы скоростей в активно-реактивной одноступенчатой турбине при переменной степени реактивности. Управление отношением u/c.
- •71. Распределение работы, кпд, осевой скорости и степени реактивности по ступеням многоступенчатых компрессоров.
- •73. Предел реализуемой в ступени турбины и отдельных лопаточных решетках работы (см. Вопрос 32). Влияние предела расширительной способности косого среза и запирания каналов по расходу.
- •74. Многоступенчатые турбины, турбины со ступенями скорости и ступеням и давления.
60. Изменение расхода воздуха через компрессор по частоте вращения. Регулирование компрессора с помощью перепуска воздуха.
Если изменить, например, уменьшить, частоту вращения ротора компрессора, то вследствие изменения окружной скорости изменится работа, затраченная на вращение каждой ступени, и, следовательно, работа сжатия воздуха. В результате при n2<n1 при каждом положении дросселя рк* уменьшится, а вместе с ним упадут к* и расход через дроссель, т. е. вся напорная кривая сместится, как показано на рис. 4.2, вниз и влево. Кривая к* также сместится влево.
Е сли провести испытания компрессора и построить соответствующие зависимости при нескольких значениях частоты вращения,, получим полную характеристику компрессора при данных условиях на входе (рис. 4.3). Штриховая линия на этом рисунке соединяет точки г, а штрихпунктирная — точки з, соответствующие различным п. Первая из них называется границей устойчивых режимов работы, а вторая — границей запирания компрессора по выходу. Линия, соединяющая точки о, в которых при каждом значении п достигается максимальная величина к*, носит название линии оптимальных режимов. Наибольшее значение к* достигается обычно при п, меньшей расчетной (на рис. 4. 3 при n=90%). Чем выше п, тем круче становятся характеристики, а их вертикальные участки, расположенные ниже линии в — в, занимают все большую часть общей протяженности напорных кривых между точками ги з.
Детали протекания характеристик зависят от типа компрессора, расчетной степени повышения давления и ряда других факторов. Но общий характер зависимости к* и к* от п и GB, показанный на рис. 4.3, справедлив для любого компрессора.
ИЗМЕНЕНИЕ ЧИСЛА ОБОРОТОВ
Н а рис. 9. 1 дана характеристика компрессора с нанесенными на ней прямолинейными характеристиками сети, проходящими через нулевую точку ( к* = 1,0; GПР = 0). Как было показано в гл. 8, каждая из линий характеристики сети приблизительно соответствует режимам работы компрессора при определенном положении дросселя в напорной магистрали и критическом или сверхкритическом перепаде давлений в нем.
Эти же линии можно рассматривать как линии рабочих режимов компрессора в системе газотурбинного двигателя при критическом и сверхкритическом перепаде в сопловом аппарате. При этом угловой коэффициент каждой линии можно выразить в виде
Если проходные сечения FB и Fc.a принять постоянными, то каждой линии будет соответствовать определенное отношение Тг/Тн*, которое, следовательно, определяет пропускную способность компрессора.
Необходимо одновременно иметь в виду, что сохранение Тг*/Тн*=const при постоянных значениях FB, Fс.а и nпр=var связано с соответствующим изменением сечения реактивного сопла Fc.
Было доказано, что характеристики сети в системе газотурбинного двигателя, или линия рабочих режимов, может быть также выражена уравнением (8.82), в котором линейная зависимость между к* и q( B) не соблюдается (линия а—б на рис. 9. 1). Очевидно, что линии характеристик сети останутся без изменения, если предположить, что переменной величиной в коэффициенте К является проходное сечение соплового аппарата турбины, а следовательно, и отношение FB/ Fс.а отношение же температур Тг*/Тн* будет для всех линий одинаковым. Из рис. 9. 1 следует, что изменение оборотов однозначно определяет режим работы компрессора только при данном значении углового коэффициента К и входящих в чего параметров. Одновременное воздействие числа оборотов и проходных сечений (или Тг*/Тн*) позволяет получить любую точку на характеристике компрессора и любой закон изменения степени повышения давления в зависимости от приведенного расхода воздуха. В частности, можно получить постоянную степень повышения давления при изменении расхода воздуха и оборотов (линия АОБ). В этом случае необходимо увеличить угловой коэффициент К путем уменьшения проходного сечения соплового аппарата или увеличения Тг*/Тн* при уменьшении оборотов, или уменьшая К при увеличении числа оборотов.
Можно также поддерживать постоянный расход воздуха (линия ВОГ) при увеличении или уменьшении оборотов при условии, что режим GBпp=const не совпадает с линией, имеющей постоянные приведенные обороты.
При работе компрессора в системе двигателя наиболее часто применяется изменение числа оборотов с сохранением постоянных проходных сечений в сопловом аппарате турбины и в реактивном сопле. Интересны также двигатели с изменяемыми проходными сечениями в сопловом аппарате турбины и в реактивном сопле, что позволяет получать более выгодные параметры компрессора на различных режимах работы.
ПЕРЕПУСК ВОЗДУХА
Назначение перепуска и его влияние на работу отдельных ступеней
Регулирование многоступенчатого осевого компрессора путем перепуска в атмосферу части воздуха из промежуточных ступеней применяется при работе компрессора на режимах с пониженными приведенными оборотами.
Такое регулирование применительно к компрессорам газотурбинных двигателей имеет своей целью обеспечить устойчивую работу компрессора, уменьшить вибрационные напряжения в лопатках, я также уменьшить мощность постороннего источника (стартера), требующуюся при запуске двигателя. Влияние перепуска сказывается положительно только при работе ступеней, расположенных до перепуска, на режимах в левой части их характеристик. Чтобы показать это, рассмотрим для примера режимы работы первой ступени при отсутствии и при наличии перепуска. Предположим, что при отсутствии перепуска режим работы первой ступени на своей характеристике соответствует точке С (рис. 9. 16). Если будет открыт перепуск, то расход воздуха через рассматриваемую ступень возрастет и станет равным
G B = GBЫX+ Gпep,
где Gвых- полезный расход воздуха на выходе из компрессора при перепуске.
Режим работы ступени переместится вправо по ее характеристике (например, в точку D), и, следовательно, напор и к. п. д. ступени возрастут.
Если же предположить, что при отсутствии перепуска режим работы ступени соответствует точке А, то, когда с перепуском режим переместится вправо (например, в точку В), произойдет уменьшение напора и к. п. д.
Как уже указывалось, режим работы первой ступени может находиться в левой части ее характеристики при работе компрессора с пониженными приведенными оборотами.
Режимы работы других ступеней, расположенных до перепуска, будут в меньшей степени смещаться в левую часть своих характеристик при уменьшении приведенных оборотов, и может оказаться, что в ступенях, расположенных вблизи от перепускного устройства, режим работы
находится уже в правой части характеристик. Поэтому перепуск будет оказывать различное влияние на работу отдельных ступеней, располженных до перепуска. В последних ступенях компрессора, расположенных после перепускного устройства и работающих при приведенных оборотах в правой ветви характеристики, коэффициент расхода при открытом перепуске будет уменьшаться вследствие увеличения напора и роста плотности воздуха в ступенях, расположенных до перепуска. Это приводит к увеличению напорности и последних ступеней. В связи с тем, что режимы работы различных ступеней неодинаковы, более эффективным являлся бы перепуск в нескольких сечениях многоступенчатого компрессора. Однако это связано со значительным конструктивным усложнением.
Влияние перепуска на характеристики многоступенчатого компрессора
В связи с изложенным выше влияние перепуска на характеристику многоступенчатого компрессора будет в сильной степени зависеть от режима работы ступеней, находящихся до перепуска. Очевидно, что на расчетных приведенных оборотах и близких к ним применение перепуска будет приводить к уменьшению к. п. д. и напора всего компрессора, так как все ступени, расположенные до перепуска, будут работать на режимах правой части своих характеристик. На пониженных же против расчетных приведенных оборотах к. п. д. и напор должны возрастать. Однако на малых оборотах эффективность перепуска будет невелика, главным образом вследствие того, что степень повышения давления в ступенях, расположенных до перепуска, на этих оборотах мала и расход воздуха через перепускные окна должен быть весьма небольшим. Эффективность компрессора с перепуском целесообразно оценивать с помощью к. п. д., учитывающего затрату мощности на сжатие перепускаемого воздуха:
где -коэффициент, показывающий превышение расхода в i-й ступени над полезным расходом на выходе из компрессора при перепуске.
П ри работе с перепуском, когда напор увеличивается, к. п. д. к.эф , как правило, возрастает, несмотря на непроизводительную затрату мощности на сжатие перепускаемого воздуха. Если не учитывать перепускаемого воздуха, то , т. е. равен обычному адиабатическому к. п. д. Этот к. п. д. будет характеризовать лишь изменение режимов работы отдельных ступеней и компрессора в целом при перепуске, но не отражает действительного соотношения между полезной и затраченной мощностью. Изложенное иллюстрируется характеристиками многоступенчатого компрессор с перепуском и без перепуска, построенными по расходу воздуха на выходе из компрессора для средних (рис. 9.17, а) и малых (рис. 9.17,6) оборотов. Из них следует, что при среднем числе оборотов, составляющем 60% от расчетных, перепуск увеличивает степень повышения давления с 1,85 до 2,1, т. е. на 13%. Максимальный к. п. д. компрессора без учета перепускаемого воздуха возрастает от 0,64 до 0,76, т. е. на 19%; к. п. д. , учитывающий затрату мощности на перепускаемый воздух, возрастет примерно на 5%. Из рис. 9.17,а, кроме того, следует, что граница неустойчивого режима при перепуске мало сдвигается по величине , и на этом режиме расход на входе будет больше, чем без перепуска приблизительно на величину .
При малом числе оборотов, составляющем 35% от расчетного, применение перепуска практически не дает улучшения характеристик (см. рис. 9.17,6). Максимальный рост степени повышения давления составляет всего 4%; к. п. д., учитывающий затрату мощности на перепуск, практически совпадает с величиной к. п. д. без перепуска. Изменение характеристик при применении перепуска может быть качественно различным в зависимости от расчетных параметров компрессора, закономерности распределения напора по ступеням и других особенностей.
Наличие перепуска вызывает в сечениях, где находятся перепускные окна, перестройку потока, при которой возможны местные срывы потока и вибрация лопаток. Для предотвращения этих явлений необходимо увеличивать зазор между ступенями в зоне расположения перепускных окон и щелей, кроме того, желательно перепускать воздух по всей окружности.
Одновременно необходимо тщательно тензометрировать лопатки ступеней, чтобы убедиться в отсутствии опасных вибраций при работе с открытым перепуском.
П ерепуск воздуха. Перепуск воздуха является одним из наиболее простых способов регулирования компрессора. Как видно из рис. 4.32, устойчивая работа ТРД с нерегулируемым компрессором обеспечивается только при ппр>nпр.н. При меньших значениях ппр 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). В этом случае может использоваться термин «лента перепуска».
В принципе клапан перепуска может быть расположен за компрессором. Однако в этом случае возможности такого регулирования будут ограничены пропускной способностью последних ступеней, малые проходные сечения которых являются одной из основных причин ухудшения работы компрессора при низких ппр. Поэтому более целесообразным является устройство перепуска в средней части компрессора.
Н а рис. 4.40 показано типичное изменение характеристики и положения рабочей кривой многоступенчатого осевого компрессора при открытии клапана (ленты) перепуска. По горизонтали здесь отложен приведенный расход воздуха на входе в компрессор. Как видно, при пониженных значениях ппр. открытие перепуска приводит к смещению напорных кривых вправо и вверх, т. е. к увеличению GBпр и к*. Но при более высоких значениях ппр. расход возрастает в значительно меньшей степени (из-за приближения к режимам-запирания в лопаточных венцах первых ступеней), а падает.
С точки зрения обеспечения максимального запаса устойчивости необходимо открывать окна перепуска воздуха, как только приведенная частота вращения окажется меньшей, чем в точке а (рис. 4.41). Однако непроизводительные затраты мощности на сжатие перепускаемого воздуха приводят к значительному снижению тяги и ухудшению экономичности двигателя при включении перепуска. Поэтому на практике значение ппр, при котором открываются окна-перепуска, обычно располагается левее точки а и соответствует минимально допустимому запасу устойчивости или максимально допустимому уровню вибронапряжений в лопатках при работе двигателя без перепуска.
Обычно перепускается 15—25% воздуха, поступающего в компрессор. В некоторых случаях применяют не один, а несколько рядов перепускных окон, расположенных в различных сечениях компрессора (в различных ступенях) и открываемых при снижении нпр последовательно с таким расчетом, чтобы обеспечить наилучшее (соотношение между количеством перепускаемого воздуха и достигаемым при этом увеличением запаса устойчивости.