УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОМПРЕССОРА СЕРИЙНОГО АВИАЦИОННОГО ГТД

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании рассматривается эффективность применения системы впрыска воды для улучшения работы компрессора турбовинтового двигателя. Результаты показывают, что использование системы впрыска воды приводит к существенному увеличению КПД компрессора за счет снижения температуры воздушного потока и повышения его плотности.

ABSTRACT

This study examines the effectiveness of using a water injection system to improve the operation of a turboprop compressor. The results show that the use of a water injection system leads to a significant increase in the efficiency of the compressor by reducing the temperature of the air flow and increasing its density.

Ключевые слова: газодинамическая устойчивость, впрыск воды, воздух, авиационный двигатель.

Keywords: gas dynamic stability, water injection, air, aircraft engine.

Необходимость аэродинамического совершенствования осевых компрессоров вызвана современными требованиями развития авиационных лопаточных ГТД, а именно: увеличением аэродинамической нагруженности лопаточных венцов, повышением эффективности компрессоров.

Наиболее распространёнными путями аэродинамического совершенствования являются выполнение конструктивных мероприятий для повышения газодинамической устойчивости.

К конструктивным мероприятиям следует отнести известные способы регулирования компрессоров, профилирование проточной части, направленное на уменьшение рассогласованной работы ступеней многоступенчатого компрессора на нерасчетных режимах, улучшение его работы в различных условиях эксплуатации, целью которых могут быть:

1. Снижение уровня вибронапряжений в лопатках, возникающих на повышенных углах атаки;

2. Повышение коэффициента полезного действия компрессора на нерасчётных режимах;

3. Изменение соотношений между частотой вращения и степенью повышения давления в компрессоре на рабочих режимах для улучшения тех или иных характеристик двигателя;

4. Обеспечение условий работы компрессора во всех условиях эксплуатации.

Основное назначение газодинамического воздействия на поток состоит в снижении уровня потерь, связанных со срывом потока в лопаточных венцах, и выравнивания поля скоростей и давлений за выходными кромками элементов компрессора. Причина обращения к газодинамическим методам заключается в том, что при работе лопаточных машин на предсрывных режимах давление в пограничном слое не может преодолеть высокого давления на стенке лопатки. При больших углах атаки происходит, отрыв потока с поверхности.

Для увеличения расхода воздуха через двигатель и повышения запаса газодинамической устойчивости компрессора при высоких температурах окружающего воздуха предлагается усовершенствовать способ впрыска воды в проточную часть осевого компрессора, за счет чего происходит уменьшение температуры рабочего тела в проточной части осевого компрессора, что приводит к увеличению расхода воздуха через проточную часть двигателя, что особенно актуально в условиях жаркого климата в Крыму.

Для оценки влияния впрыска в проточную часть двигателя использовался программный комплекс ThermoGTE. Программа основана на методиках расчета конструктивных элементов ГТД, разработанных в ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского (г. Москва).

Методика расчета параметров и характеристик ГТД в программном комплексе Thermo GTE реализуется в следующей последовательности:

1. Создается математическая модель ГТД путем задания характеристик элементов двигателя в качестве исходных данных. Программный комплекс позволяет работать со всеми типами авиационных двигателей, рисунок 1.

Рисунок 1. Окна ввода данных для задания характеристик осевого компрессора

2. Проводится расчет эксплуатационных характеристик (дроссельных, высотно-скоростных) ГТД.

Оценка повышения запаса газодинамической устойчивости компрессора проводилась путем расчета созданной математической модели авиационного ГТД в программном комплексе ThermoGTE. Создается математическая модель ГТД путем задания характеристик элементов двигателя в качестве исходных данных. Программный комплекс позволяет работать со всеми типами авиационных двигателей, рисунок 2.

Рисунок 2. Окно ввода данных по отбору воздуха в ГТД

3. Проводится расчет эксплуатационных характеристик (дроссельных, высотно-скоростных) ГТД.

Оценка повышения запаса газодинамической устойчивости компрессора проводилась путем расчета созданной математической модели ТВД в программном комплексе Thermo GTE.

Система впрыска воды предназначается для авиационных ГТД, ресурс которых уже подходит к концу и осевой компрессор выдает характеристики на гране допустимых. Впрыск воды целесообразно применять для повышения мощности двигателя при температуре наружного воздуха +30 °С и давлении 740 мм.рт.ст. При подаче воды на вход в двигатель, в компрессоре она нагревается и испаряется, при этом образующийся пар, стремится увеличиться в объеме, т.е. дополнительно повышается давление за компрессором, что приводит, в общем, к повышению мощности двигателя.

Системы впрыска воды уже использовались в серийных авиационных двигателях, что позволит достичь более равномерного поля температур.

Система для каждого двигателя автономная. Работа системы будет ограничена. Применяться система будет на взлете не более 5 минут. Вода из расходного бака вырабатывается в течении двух минут, остальные три минуты система продувается горячим воздухом (осушается).

Устройство для впрыска воды во входной канал представляет собой коллектор с вмонтированными в него форсунками. Впрыск воды через форсунки производится по потоку воздуха.

Существующие технологии позволяют организовать подачу воды в проточную часть осевого компрессора путем установки форсунок в лопатках направляющего аппарата, что дает более равномерное распределение воды по проточной части компрессора. Под впрыск воды доработаны лопатки направляющего аппарата, конструкция которой представлена на рисунке 3. В самой лопатке подача воды осуществлялась через 6 тангенциальных форсунок, расположенных на трех ярусах по высоте лопатки. (На каждом ярусе по одной форсунке на спинке и на корытце лопатки).

Рисунок 3. Лопатка направляющего, доработанная под впрыск воды

Анализ результатов исследования показал, что испарение воды в компрессоре приводит к значительному повышению коэффициента полезного действия. Выигрыш по коэффициенту полезного действия увеличивается по мере увеличения количества подаваемой воды (в пределах рассмотренных значений). Предпочтительным является вариант подачи воды через лопатки направляющего аппарата входного направляющего аппарата ступени, поскольку в этом случае исключается влияние отрицательных факторов, присущих подаче воды через форсунки во входном канале (повышенные гидравлические потери, затраты энергии на сжатие воздуха и его вдув через форсунки).

Результаты теоретического исследования математических моделей серийных авиационных двигателей, показали, что при подаче воды через лопатки направляющего аппарата входного направляющего аппарата ступени температура по высоте проточной части компрессора уменьшается более равномерно на 5 %, чем при подаче воды через форсунки во входном канале.

Полученные результаты исследования свидетельствуют о влиянии впрыска воды на характер протекания напорных характеристик компрессора турбовинтового двигателя. Происходит существенное увеличение степени повышения давления средних и последних ступеней при малом ее изменении или уменьшении у первых ступеней.

Управление данной системой впрыска воды выполнено автоматическим, в зависимости от режима работы двигателя, с возможностью ручного включения из кабины летчика, но, в этом случае система автоматически отключается через 10 секунд применения. Система автоматического управления включает данную систему при переводе рычага управления двигателем на режим ″максимал″, и отключает при переводе на более низкие режимы работы двигателя.

Таким образом, результаты исследования показали, что усовершенствованная система впрыска воды в проточную часть ГТД позволяет обеспечить не только газодинамическую устойчивость осевого компрессора, но и обеспечить устойчивую работу силовой установки, что особенно актуально на взлетном режиме в условиях высоких температур и высокогорья.

Список литературы:

1. Чумаков Ю.А. Теория и расчет транспортных газотурбинных двигателей. М.: Инфра-М, Форум, 2012 – 447 с.
2. Иноземцев А.А, Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь, ОАО Авиадвигатель, 2006 – 1204 с.