3.10.4 Работа компрессора по дроссельной характеристике

При работе двигателя по дроссельной характеристике режим обтекания лопаточных венцов компрессора определяется его совместной работой с турбиной. В системе ТРД изменение режима по его дроссельной характеристике обычно связано с изменением частоты вращения. При этом на характеристике компрессора получается линия совместных установившихся режимов. Желательно, чтобы эта линия располагалась, по возможности, ближе к линии максимальных к.п.д. компрессора. Расположение рабочей линии относительно границы срыва компрессора определяется потребными запасами газодинамической устойчивости. Если ТРД не имеет регулируемых элементов в виде поворотных сопловых лопаток турбины или регулируемого сопла, то рабочая линия получается единственной для всех условий полета (рис. 6.18) до тех пор, пока в узком сечении реактивного сопла наступит критический режим течения газового потока (с q()  1). Из условия обеспеч ения достаточных запасов ГДУ ограничивается максимальная приведенная частота вращения. Как отмечалось, при n₀ ниже проектного значения n_0 р углы атаки на первых ступенях увеличиваются, на последних - уменьшаются. При обратном соотношении частот вращения, естественно, получаем обратную картину по углам атаки.

В системе одновального ТВД с винтом регулируемого шага дроссельная характеристика двигателя может осуществляться при постоянной частоте вращения n = const вследствие того, что при изменении шага винта последний потребляет различные мощности на одной частоте вращения. Поэтому считается, что ТВД имеет две степени свободы. В ТВД дроссельным характеристикам при различных температурах T₁^* на входе будет соответствовать область рабочих режимов на характеристике компрессора (рис. 6.19).

Для увеличения мощности ТВД увеличивают подачу топлива, это приводит к росту температуры газов перед турбиной, теплового сопротивления сети, и по напорной линии n₀ = const рабочая точка перемещается вверх, приближаясь к границе срыва. Если ТВД выполнен по двухкаскадной схеме, то каскад компрессора высокого давления (внутренний каскад) имеет, как и компрессор ТРД, единственную рабочую линию.

В двухвальном ТРД с нерегулируемым реактивным соплом каждый из каскадов компрессора обладает единственной рабочей линией, если в узком сечении сопла режим течения критический. В полетных условиях режим обычно крейсерский. В диапазоне рабочих режимов к.п.д. компрессора по дроссельной характеристике изменяется: в ТРД, предназначенном для дозвуковых скоростей полета, на 6...7%. а в ТРД для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета - на 6... 10%.

3.10.4 Способы регулирования многоступенчатых компрессоров

Современные газотурбинные двигатели имеют компрессоры со сравнительно высокими _к^* на проектном режиме, ступени выполняются с повышенной газодинамической нагрузкой. Опыт эксплуатации показывает, что такие компрессоры обязательно должны иметь регулируемые элементы (механизацию) для обеспечения ГДУ во всем диапазоне рабочих режимов: от малого газа до максимального. Для снижения мощности запуска и обеспечения достаточных запасов ГДУ на пусковых режимах и режимах вблизи малого газа часто входной направляющий аппарат выполняется с поворотными лопатками, тогда он называется “регулируемый направляющий аппарат” (РНА). Кроме того, за средними ступенями выполняется устройство для регулируемого перепуска воздуха. На основных рабочих режимах, на которых существенное значение имеют экономичность или величина тяги, механизация должна быть в оптимальном положении: лопатки РНА должны обеспечивать оптимальные углы атаки на входе в колеса первых ступеней, клапаны перепуска должны быть в закрытом положении. Перепуск осуществляется через щели, выполненные за рабочим колесом, или через отверстия (окна), расположенные равномерно по окружности между лопаток направляющего аппарата (рис. 6.20). Устройство перепуска располагается за средними ступенями, потому что оно предназначено для разгрузки по углам атаки первых ступеней на пониженных режимах. Если устройство расположить сразу за первыми ступеням и, то при его включении нагружались бы средние ступени (по углу атаки) из-за уменьшения расхода воздуха (осевой скорости перед ними). Обычно устройство перепуска воздуха бывает открыто до частоты вращения, начиная с которой углы атаки в первых ступенях станут меньше критических, и запасы ГДУ будут достаточны с закрытыми клапанами (клапаны на этой приведенной частоте вращения закрываются). При открытом устройстве перепуска на малых режимах увеличиваются углы атаки на задних ступенях и соответственно изменяется к.п.д. Это приводит к уменьшению мощности запуска. С другой стороны, при открытом устройстве перепуска выброс воздуха в атмосферу или наружный контур ТРДД нежелателен из-за ухудшения экономичности всего двигателя, так как выбрасывается воздух, на сжатие которого затрачена энергия. Следовательно, на основных рабочих режимах устройство перепуска должно быть закрыто. Частота вращения “закрытия перепуска” устанавливается экспериментально. Лопатки РНА на малых режимах устанавливают в прикрытое положение (рис. 6.21).

П рикрытие лопаток РНА уменьшает углы атаки на входе в рабочее колесо (рис. 6.22). Обычно лопатки РНА имеют два положения: прикрытое и основное (пусковое и рабочее). Частота вращения, на которой нужно перекладывать лопатки в основное положение, устанавливается экспериментально, исходя из условия обеспечения достаточных запасов ГДУ, с одной стороны, и получения максимально возможных к.п.д., с другой стороны. В компрессорах двигателей, предназначенных для значительных сверхзвуковых скоростей полета (M_п>2), возн икает необходимость регулирования нескольких направляющих аппаратов. Это обусловлено тем, что в таких двигателях компрессор должен обладать характеристикой со сравнительно большим диапазоном приведенных частот вращения, в котором требуются высокие к.п.д. при достаточных запасах ГДУ. В практике нашли применение конструкции компрессоров, у которых регулируются направляющие аппараты:

одной первой ступени;

нескольких (до семи) первых ступеней.

Разрабатывались также конструкции с регулированием нескольких передних и задних ступеней. Очевидно, что угол поворота лопаток связан с приведенной частотой вращения. На пониженных частотах лопатки аппаратов первых ступеней будут прикрываться, а задних - раскрываться. Величина угла поворота будет наибольшей у лопаток аппаратов первых и последних ступеней и уменьшится к середине компрессора, так как на средних ступенях при изменении режима работы всего компрессора углы атаки изменяются незначительно, и, естественно, нет необходимости в регулировании их направляющих аппаратов. Примерная программа регулирования показана на рис. 6.23.

На малых частотах вращения углы атаки на входе в колеса первых ступеней выше оптимальных, а на входе в колеса последних ступеней - ниже оптимальных. Прикрывая лопатки аппаратов первых ступеней, можно уменьшать углы атаки и соответственно увеличивать запасы ГДУ первых ступеней, а раскрывая лопатки аппаратов последних ступеней, увеличивать углы атаки и к.п.д. этих ступеней. Таким образом, одновременное регулирование лопаток аппаратов первых и последних ступеней должно давать существенное улучшение характеристик компрессора и двигателя в целом.