РЕЖИМЫ АВТОРОТАЦИИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ ГТД

Компрессор ГТД работает на режимах авторотации в тех случаях, когда на вход компрессора набегает воздушный поток, а в камеру сгорания не подается топливо. Такие условия возможны при срыве пламени в камере сгорания авиационного ГТД в полете [1]; при движении судна или любого другого транспортного средства (тепловоза, автомобиля…), с одним из неработающих газотурбинных двигателей [2]; при запуске ГТД наддувом; при использовании сжатого воздуха подаваемого на вход для проворачивания ротора; при очистке проточной части компрессора струей сжатого воздуха с жидким или твердым очистителем и т.п. Обтекание лопаточного аппарата в проточной части компрессора ГТД на таких режимах имеет свои особенности. Эти режимы не являются основными рабочими, а носят функцию вспомогательных. В то же время они часто встречаются в эксплуатационных условиях, поэтому их исследование является актуальной задачей, так как позволяет повысить уровень эксплуатации компрессора. Вывод аналитических зависимостей для расчета таких режимов, позволит оценить их энергетические возможности на стадии проектирования. Работа и посвящена этому вопросу.

Основными параметрами, характеризующими эксплутационные показатели компрессора ГТД на различных режимах его работы, является потребляемая мощность и вращающий момент [3]. А на режимах авторотации - создаваемая мощность и вращающий момент [1,6]. Повышение качества таких режимов улучшает тактико-технические данные двигателя и делает его более эффективным в эксплуатации [4,5].

В лаборатории судовых турбин Севастопольского государственного технического университета были проведены исследования таких режимов на серийном двигателе марки ГТД-3Ф открытого цикла, oднопроточной конструкции, номинальной мощностью 750 кВт, с разрезным валом, семиступенчатым осецентробежным компрессором, двухступенчатой турбиной турбокомпрессорного вала и одноступенчатой свободной силовой турбиной для привода потребителя.

В процессе исследования измерялись частота вращения, мощность и расход газа на различных частичных и переходных режимах ГТД. При этом давление и температура газа измерялись по ступеням компрессора, а мощность на валу с помощью специального тормозного устройства. Измеряемые параметры фиксировались на осциллограмме с помощью шлейфового осциллографа Н-700 и контролировались приборами.

На режимах авторотации компрессор работает не в режиме потребления, а в режиме создания вращающего момента, поэтому фактор отклонения от расчетных параметров сказывается еще значительнее. Проточная часть компрессора проектировалась на расчетный режим и режимы авторотации не соответствует изменившимся рабочим условиям обтекания, что приводит к ударному входу на лопаточный аппарат ступеней компрессора, создавая турбулизацию потока, повышение потерь на трение и низкую экономичностью работы ступени (рисунок 1).

Для качественной оценки процесса и уточнения механизма авторотации на этих режимах воспользуемся уравнением Эйлера [4], позволяющим определить внутреннюю мощность компрессорной ступени на основании уравнения моментов количества движения

Такой вид выражений не противоречит общепринятым зависимостям, что подтверждает правильность рассуждений и выводов.

Анализ результатов исследования показывает, что на установившихся режимах авторотации, которые определяются соответствующим расходом воздуха, первые ступени компрессора повышают давление, т.е. работают в компрессорном режиме, средние в гидротормозном, а последние в турбинном, сообщая ротору вращающий момент. Это следует и из анализа уравнения (12). В зависимости от соотношения частоты вращения и объемного расхода мощность ступени может принимать как положительное, так и отрицательное значение. Уменьшение проходного сечения проточной части, повышенный расход и приводят к тому, что на этих режимах последние ступени работают с определенным перепадом и переходят в турбинный режим, так как на вход компрессора поступает поток воздуха повышенного давления, скорость его больше скорости лопаток поэтому он и увлекает их заставляя вращаться ротор. Эффективность ступеней при этом будет невелика, так как лопаточный аппарат рассчитан на другие условия работы, но положительный вращающий момент появляется и величина его пропорциональна разности скорости набегающего потока и лопатки.

Мощность компрессора на режимах авторотации будет равна сумме мощностей компрессорных ступеней

На рисунке 3 представлена зависимость вращающего момента от частоты вращения и расхода воздуха по результатам испытания и расчетов. Пунктиром отмечены граничные значения частоты вращения, при которых гидравлическое сопротивление компрессора для данного расхода равно нулю. Как следует из рисунка 3, область турбинных режимов (-Мк) будет тем больше, чем больше расход воздуха и меньше частота вращения.

Таким образом, с помощью предложенных аналитических выражений можно определить мощность режима авторотации компрессора , можно конкретизировать энергетические затраты на этот режим, экономичность и ряд других характеристик, оценив их эксплуатационную целесообразность. Поскольку при выводе данных формул использовались известные общепринятые уравнения (уравнение неразрывности и уравнение Эйлера), то можно считать, что они в значительной мере универсальны и обладают достаточной точностью для практических расчетов.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004