К ВОПРОСУ О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность совершенствования рабочего процесса осевого компрессора путем улучшения его рабочих параметров и разработкой новых способов регулирования. Проводится оценка эффективности некоторых способов обеспечения газодинамической устойчивости осевых компрессоров.

ABSTRACT

The article considers the possibility of improving the working process of an axial compressor by improving its operating parameters and developing new control methods. The efficiency of some methods of ensuring gas dynamic stability of axial compressors is evaluated.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель (ГТД), осевой компрессор, газовая турбина, основная камера сгорания.

Keywords: gas turbine engine, axial compressor, gas turbine, main combustion chamber.

Развитие авиационного двигателестроения не только в России, но и в мире идет по пути уменьшения массовых характеристик газотурбинных двигателей (ГТД) и увеличения топливной эффективности.  Для этого с каждым поколением к конструктивным элементам ГТД предъявляются все более жесткие требования.

На всех режимах работы конструктивные элементы силовой установки для обеспечения устойчивой работ ГТД должны работать устойчиво.

Осевой компрессор и газовая турбина – лопаточные машины, в которых протекают процессы обратные друг другу [1].

Например, осевой компрессор – обеспечивает устойчивую работу не только ГТД, но и силовой установки в целом, должен иметь меньшую массу, габариты и соответственно большую напорность ступеней.

Для проектирования и создания новых компрессоров необходимо лучшее понимание физических процессов, протекающих в них, разработка системы мониторинга и диагностики для быстрого выявления потенциальных проблем, связанных с газодинамической устойчивостью компрессора, моделирование работы компрессора в различных условиях.

Все это возможно благодаря постоянному развитию научного потенциала работников соответствующих сфер и инженерно-технического персонала и инновационных подходов к разработке. Так же необходимо проводить непрерывную оптимизацию конструкции компрессора с использованием современных технологий и материалов, улучшение технологии производства и сборки компрессора для минимизации возможных дефектов и ошибок. Разработка управляющей системы, которая будет способна быстро и эффективно реагировать на изменения условий работы компрессора.

Компрессор проектируется под частоту вращения 100% (для каждого компрессора 100% - частота вращения, измеряемая в об/мин), на всех остальных частотах вращения, отличающихся от 100%, его необходимо регулировать, что обеспечивает его устойчивую работу и уменьшает гидравлические потери.

Использование регулируемых осевых компрессоров (перепуск воздуха, поворот направляющих аппаратов, разбиение компрессора на каскады) обеспечивает на всех установившихся и на значительной части неустановившихся режимов работы двигателей широкий диапазон скоростей и высот полета летательных аппаратов. [2].

Например, прикрытие направляющих аппаратов в компрессорах серийных обеспечивает повышение газодинамической устойчивости, но уменьшает расход воздуха и снижение тяговых характеристиках двигателя летательного аппарата. Результаты исследования математической модели серийного ГТД в программном комплексе ThermoGTE показали, что прикрытие направляющих аппаратов приводит к уменьшению тяги ГТД на 9,3 %.

Регулирование осевых компрессоров путем перепуска воздуха предотвращает помпаж осевого компрессора, но уменьшает внутренний коэффициент полезного действия ГТД и снижает тягу двигателя, способствует увеличиваю удельного расхода топлива на режимах перепуска [3], что приводит к уменьшению тяги ГТД на 11 %.

Щелевое устройство осевого компрессора ГТД позволяет расширить диапазон устойчивой работы вентилятора и снизить уровень сил, возбуждающих колебания лопаток 1-й ступени. 

Наибольшее влияние на характеристики осевого компрессора оказывают гидравлические потери, связанные с радиальным зазором.

В процессе работы ГТД величина радиального зазора меняется. Исследования показали, что оптимальное значение величины радиального зазора (монтажный зазор) для рабочих колес составляет 1–1,5 % от длины хорды рабочих лопаток [4].

Уменьшение величины радиального зазора в рабочих колесах является эффективным способом улучшения характеристик осевого компрессора и ГТД в целом. Так отклонение от оптимальной величины радиального зазора в сторону увеличения от 1,5 до 4,3 % длины хорды лопатки приводит к уменьшению КПД на 1,8%, сокращению диапазона характеристики по расходу воздуха на 11% и уменьшению повышения давления на 9,7% [5].

Для уменьшения гидравлических потерь в радиальных зазорах применяются надроторные устройства различных конструктивных схем, охлаждение корпуса статора, путем вдува синтетических струй и т.д.

Для достижения требуемых характеристик осевых компрессоров применяют:

- оптимизацию геометрии лопаток компрессора с учетом требований по гидравлическим потерям, коэффициенту полезного действия, уровню шума и вибрации, для этого необходимо провести моделирование работы лопаточного аппарата в различных режимах и учитывать влияние аэродинамических нагрузок на вибрационную и шумовую характеристики;

- результаты анализа процессов взаимодействия лопаток турбины и компрессора, а также схемы охлаждения и вентиляции.

Одним из способов уменьшения гидравлических потерь является оптимизация конструкции осевого компрессора. Это может быть достигнуто путем изменения формы каналов внутри осевого компрессора и повышения точности изготовления его деталей. Внедрение новых материалов и применение специальных покрытий для поверхностей также могут уменьшить трение и сопротивление потоку газов.

Другими мерами, направленными на снижение гидравлических потерь как в осевом компрессоре, так и в газовой турбине, являются улучшение системы охлаждения и регулирования температуры. Это может быть достигнуто путем увеличения радиаторной поверхности, увеличения эффективности системы охлаждения и применения технологий, которые позволяют быстро реагировать на изменения температуры в различных условиях полета.

Также важно проводить регулярное техническое обслуживание и проверку качества компонентов газовой турбины и осевого компрессора, чтобы выявлять и устранять возможные проблемы, связанные с гидравлическими потерями.

Кроме того, эффективность работы газовой турбины может быть повышена путем оптимизации газодинамических характеристик ее компонентов, таких как входные и выходные каналы, сопла, лопатки статора и ротора.

В целом, мероприятия по понижению гидравлических потерь в газовой турбине ГТД могут быть достигнуты формированием комплексного подхода, который включает в себя оптимизацию конструкции, улучшение системы охлаждения и регулирования температуры, регулярное техническое обслуживание и оптимизацию газодинамических характеристик компонентов турбины. Это позволит повысить эффективность работы газовой турбины, уменьшить расход топлива и увеличить время полета самолета.

Таким образом для совершенствования рабочего процесса и устойчивой работы осевого компрессора (газовой турбины) необходимо не только улучшать их рабочие параметры, но и особое внимание обращать на элементы механизации, позволяющие уменьшить величину гидравлических потерь.

Список литературы:

1. Иноземцев А.А, Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь, ОАО Авиадвигатель, 2006 – 1204 с.
2. Нечаев, Ю.Н. Теория авиационных двигателей: учебное пособие / Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров, В.Н. Котовский и др. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. - 448 с.
3. Даниленко, Н.В. Теория авиационных двигателей. Рабочий процесс и характеристики элементов силовой установки и ее газотурбинного двигателя: учебное пособие / Н.В. Даниленко, П.М. Кривель. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2006. - 296 с.
4. Lakshminarayana B., Horlock J.H. 1967 Leakage and secondary flow in compressor cascade. Aeronautical Research Coucil R and M 3483.
5. Фёдоров Р.М. Характеристики осевых компрессоров: монография / Р.М. Фёдоров. Воронеж: Научная книга, 2015. 220 с.