61. Регулирование компрессора с помощью поворотных направляющих аппаратов.

ПОВОРОТ ЛОПАТОК НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА В СТУПЕНИ КОМПРЕССОРА

Характеристика сети при повороте лопаток направляющего аппарата

Регулирование многоступенчатого осевого компрессора путем поворота лопаток направляющего аппарата находит широкое применение. Такое регулирование в газотурбинных двигателях является весьма эффективным, позволяя увеличивать запас устойчивой работы компрессора, а также повышать к. п. д. и производительность компрессора. В случае изменения углов установки направляющего аппарата можно принять, что характеристика сети при испытании изолированного компрессора или отдельных ступеней, а также линия рабочих режимов на характеристике компрессора газотурбинного двигателя будут оста­ваться практически такими же, как и при изменении оборотов. В частности, если рассматривать характеристику сети в виде, соответствующем уравнению (8.78), то при одинаковых значениях , и показателя политропы пк (или к.п.д. компрессора) изменение в зависимости от q будет одним и тем же при изменении как числа оборотов, так и угла установки лопаток направляющего аппарата, поскольку эти изменения в явном виде не входят в уравнение (8. 78).

Аналогичное положение будет справедливо для характеристики сети, соответствующей уравнению (8.79), при одинаковых значениях Fс.а и Тг*/Тн*. Наконец, если характеристика сети выражается уравнением (8.82), то она будет одинакова при изменении числа оборотов и при повороте лопаток направляющего аппарата в случае сохранения неизменными значений Fс.а, и коэффициентов полезного действия компрессора и турбины, которые определяют величину коэффициента пропорциональности А в уравнении (8.82). Поэтому если вследствие изменения угла установки лопаток направляющего аппарата от до при п=const степень повышения давления изменится на некоторую величину , то расход должен измениться на величину , определяемую характеристикой сети а—б.

Е сли степень повышения давления изменится на ту же величину за счет изменения числа оборотов от до пх, то при указанных выше условиях, т. е. (Fс.а=const; к*=const и т. д.), расход изменится на такую же величину , что и при повороте лопаток направляющего аппарата. Обороты пх можно назвать эквивалентными оборотами. Однако при повороте лопаток нарушается геометрическое и кинематическое подобие в компрессоре, вследствие чего при одинаковом изменении к. п. д. компрессора должен изменяться по-разному в случае изменения углов установки лопаток или числа оборотов. Изменится также режим работы турбины, и поэтому получить в обоих случаях одинаковое Gпp возможно лишь при некотором различии в температуре газа или проходных сечений соплового аппарата турбины и реактивного сопла. Тем не менее, полезно применять понятие об эквивалентных оборотах при повороте лопаток направляющего аппарата, но только с учетом изменения к. п. д.

Если рассматривать характеристику ступени компрессора в виде H=f(ca), то для каждого положения дросселя характеристика сети согласно уравнению (8.76) будет иметь вид квадратной параболы:

При изменении оборотов, но с постоянной характеристикой сети, режим работы ступени будет оставаться в одной и той же точке А (рис. 9. 2). Таким образом, осевая скорость будет изменяться пропорционально числу оборотов, что отмечалось и ранее. В случае поворота лопаток направляющего аппарата характеристику сети при каждом значении Fдр можно считать неизменной; но характеристика компрессора, как показано ниже, переместится на графике влево или вправо от исходной в зависимости от того, уменьшается или увеличивается угол установки лопаток.

Таким образом, если сечение Fдр при повороте лопаток направляющего аппарата будет оставаться неизменным, то новым углам установки лопаток будут однозначно соответствовать режимы работы А' или А" находящиеся на характеристике сети OY.

Если при испытании изолированного компрессора одновременно с поворотом лопаток направляющего аппарата изменять проходные сечения в напорной магистрали, то, подчиняя изменение отдельных параметров (напора, расхода, углов атаки и т. д.) определенным условиям, можно получить полную характеристику компрессора, как при различных, так и при одних и тех же приведенных оборотах.

Влияние поворота лопаток направляющего аппарата на характеристики ступени

Качественный анализ

Влияние поворота лопаток направляющего аппарата на характеристики осевого компрессора целесообразно показать сначала применительно к ступени компрессора, рассматривая с этой целью треугольники скоростей элементарной ступени на среднем радиусе при различных углах потока на выходе из направляющего аппарата, расположенного перед колесом (рис. 9.3).

О тметим, что поворот лопаток направляющего аппарата и, следовательно, изменение их утла установки можно характеризовать изменением угла потока , т. е. величиной

При повороте лопаток направляющего аппарата можно сохранить неизменной осевую скорость, если соответствующим образом изменять характеристики сети (точка Аса на рис. 9.2 и 9.3).

Из изложенного видно, что поворот лопаток направляющего аппарата однозначно влияет на режим работы компрессора только при определенной характеристике сети и сопровождается наряду с изменением коэффициента напора также изменением са, и i. В общем же случае поворот лопаток может происходить как с изменением, так и с сохранением углов атаки и са в зависимости от того, как изменяется при этом характеристика сети.

П ри работе первых ступеней в многоступенчатом компрессоре мо­жет быть и такое положение, когда режим их работы находится в левой части характеристики (точка Б на рис. 9.2). В этом случае, как установлено ранее, часть лопатки охвачена обратным течением, а остальная часть работает при малых углах атаки. Напор ступени и расход воздуха через нее на этом режиме являются пониженными. Если в данном случае имеющийся расход отнести ко всей проточной части ступени, то это будет соответствовать весьма большому углу атаки при некотором очень малом (условном) значении угла потока . Поэтому поворот лопаток направляющего аппарата при неизменной характеристике сети будет эффективным только при уменьшении их угла установки, так как угол будет возрастать, а угол атаки при этом будет уменьшаться. Предположим теперь, что ступень работает при нормальном угле атаки (точка А1 на рис. 9.2). В этом случае с помощью поворота лопаток направляющего аппарата целесообразно как увеличивать, так и уменьшать напор и расход, поддерживая постоянный угол атаки, т.е. перемещаясь по линии =const. Наконец, при пониженных оборотах последние ступени многоступенчатого компрессора и на повышенных оборотах — первые ступени работают на режимах с малыми и отрицательными углами атаки (см. рис. 9.2, точка В), когда ступень заперта. Повысить расход в этом случае можно, только увеличивая угол установки лопаток направляющего аппарата и приводя угол атаки к нулевому и положительному значению (рис. 9.4), так как при этих углах режим запирания перемещается на большие числа М1. Одновременно будет возрастать и напор. При этом новый режим работы с большими значениями са может находиться на одной и той же характеристике сети (например, точка В" на рис. 9.2) или же соответствовать характеристике, где угол будет меньше (например, точка на рис. 9.2, где = ).

Рассмотрим теперь изменение теоретического напора при изменении , использовав вначале треугольники скоростей и принимая, что при повороте лопаток направляющего аппарата угол и угол атаки

сохраняются постоянными (рис. 9.6). Примем, как и ранее, что при повороте лопаток направляющего аппарата углы на выходе из рабочего колеса остаются постоянными.

Из рис. 9. 6, о видно, что при уменьшении угла установки лопаток (или угла )' сильно возрастает окружная составляющая на входе clu при относительно небольшом увеличении C2u. В результате си и Hth уменьшаются. В случае увеличения угла установки (рис. 9.6,6) окружная составляющая С1u уменьшается значительно существеннее, чем . Поэтому происходит рост си и теоретического напора.

ПОВОРОТ ЛОПАТОК НАПРАВЛЯЮЩИХ АППАРАТОВ В МНОГОСТУПЕНЧАТОМ ОСЕВОМ КОМПРЕССОРЕ

Особенности регулирования многоступенчатого компрессора

П оскольку на режимах работы многоступенчатого компрессора, отличных от расчетного, изменение режимов отдельных ступеней происходит по-разному, то и поворот лопаток направляющих аппаратов в каждой ступени должен быть различным *. Выше, при рассмотрении влияния поворота лопаток на характеристики ступени, были уже отмечены особенности регулирования первых, средних и последних ступеней многоступенчатого компрессора. Наиболее эффективно использование поворотных лопаток направляющих аппаратов в многоступенчатом компрессоре на пониженных приведенных оборотах, когда сильно уменьшается запас устойчивой работы, тем более, что при больших расчетных степенях повышения давления компрессор на этих режимах вообще устойчиво работать не может. Кроме того, применение поворотных лопаток на пониженных приведенных оборотах позволяет несколько повысить производительность компрессора.

Использование поворотных лопаток на режимах с повышенными приведенными оборотами менее эффективно, так как в этом случае первые ступени работают на режимах, близких к запиранию. Тем не менее поворот лопаток направляющих аппаратов первых и последних ступеней может и на этих режимах внести заметные положительные изменения в характеристики первых и последних ступеней, как уже отмечалось выше.