Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський icon

Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський




Скачати 128.11 Kb.
НазваУдк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський
Дата16.08.2012
Розмір128.11 Kb.
ТипДокументи



I SSN 1813–1166. Вісник НАУ. 2004. №4

сучасні авіаційні технології

УДК 621.515-226.2

В.М. Дихановський, канд. техн. наук

НОВА МОДЕЛЬ БЕЗПЕЧНОЇ РОБОТИ ГАЗОТУРБІННОГО ДВИГУНА

Секція прикладних проблем Президії Національної академії наук України,

e-mail: spp@nas.gov.ua

Проаналізовано проблемні питання експлуатації авіаційних газотурбінних двигунів. Показано, що на основі теореми про газомеханічне регулювання кута атаки аеродинамічного профілю можна побудувати систему регулювання осьовим компресором, яка здатна забезпечити надійну роботу газотурбінного двигуна в будь-яких умовах експлуатації авіаційної техніки.

Вступ

Для сучасних газотурбінних двигунів (ГТД) дотепер залишається проблемою газодинамічна стійкість осьових компресорів і прийомистість ГТД.

В експлуатації інколи зустрічаються випадки переходу ГТД на небезпечні режими роботи, причиною яких є нестійка робота осьового компресора. Особливо це характерно для маневрених літаків.

Сучасні системи регулювання осьових компресорів нездатні своєчасно відреагувати на такі збурення, як швидке підвищення температури на вході в компресор та деякі інші події [1]. Після таких збурень двигун або зупиняється, або переходить на небезпечні режими роботи.

Ось вже три десятиліття двигунобудівники не можуть подолати бар’єр у декілька секунд, які необхідні для розгону ротора двигуна від малого газу до максимального режиму.

У той час, коли для маневрених літаків є потреба змінювати режим роботи двигуна в декілька разів швидше, за час менше ніж 1 с.

^ Аналіз досліджень і публікацій

Для безпечної роботи осьових турбомашин, наприклад, осьових ГТД, на всіх експлуатаційних режимах широко використовуються різні способи регулювання [2]:

– перепуск повітря з-за середніх ступенів компресора в атмосферу або в зовнішній контур двигуна;

– зміна співвідношення між частотами обертання різних ступенів;

– поворот напрямних або робочих лопаток.

Найпростішим способом регулювання є перепуск повітря, але він призводить до різкого падіння тяги (або потужності) ГТД і зростання питомої витрати палива внаслідок непродуктивних витрат енергії на стиснення перепускного повітря. Перепуск використовують на двигунах Д-25, АИ-24, Р-15 Б-300 та ін. [3].

Для підвищення ефективності перепуску його організовують не в одному, а в декількох ступенях компресора.

Більш ефективним способом регулювання осьових компресорів є зміна співвідношення між частотами обертання різних ступенів. При цьому використовується те, що неузгодженість ступенів у межах малоступеневого компресора значно менша ніж в межах багатоступеневого. Тому багатоступеневий компресор розділяють на декілька малоступеневих каскадів, кожен з яких має свою частоту обертання. У сучасних ГТД може бути до трьох каскадів, наприклад, у двигунах
Р-11 Ф-300, Р-95Ш, НК-25 та ін. [3].

Найбільш поширеним способом регулювання є поворот напрямних лопаток, який дозволяє змінювати в необхідному напрямі кути атаки в різних ступенях компресора [4]. Це приводить не тільки до підвищення коефіцієнта корисної дії і стійкої роботи компресора на всіх експлуатаційних режимах, але і до зниження витрат повітря та споживаної роботи на малій приведеній частоті обертання ротора компресора, що полегшує запуск двигуна.

Крім того, для надзвукового польоту при зниженні приведеної частоти обертання внаслідок аеродинамічного нагрівання вхідного повітря можна уникнути зменшення тяги шляхом одночасного повороту напрямних апаратів в перших і останніх ступенях. Прикладом такого регулювання є двигуни АЛ-21 Ф-3, ТВ 3-117 ВМА-СБМ та ін. [3].

На деяких двигунах використовується декілька способів регулювання. Наприклад, двигуни
Д-136, Д-30 мають два каскади і клапани
перепуску, двигуни Д-27, Д-36 – два каскади і декілька регульованих напрямних апаратів, двигуни АИ-25 ТЛ, Д-18 – два-три каскади, регульований вхідний напрямний апарат і клапани перепуску [3].

Регулювання осьових компресорів з поворотними напрямними лопатками здійснюється так, щоб потік повертався в лопатковому вінці на потрібний кут без великих відривів. Регулювання здійснюється шляхом примусового повороту лопаток навколо їх осей обертання на заданий програмно-задавальним пристроєм кут установки відповідно до залежності

,

де φ – кут установки лопаток у лопатковому вінці; n – частота обертання ротора; – температура повітря на вході в компресор.

При цьому як задавальний параметр використовують приведену частоту обертання ротора компресора, яка залежить від фізичної частоти обертання ротора і температури повітря на вході в компресор [4].

Електрогідромеханічні системи регулювання осьових компресорів побудовані на основі принципу регулювання за збуренням, унаслідок чого вони мають такі недоліки:

– система забезпечує прийнятні кути атаки на лопаткових вінцях компресора опосередковано (через програмний регулятор), керуючи кутами атаки, що не завжди забезпечує стійку роботу осьового компресора;

– система не має зворотного зв’язку з ре-гульованими параметрами (кутами атаки на лопаткових вінцях компресора);

– система не реагує на осьову і радіальну нерівномірність потоку перед компресором;

– система не здатна реагувати на швидку зміну температури повітря на вході в компресор.

Крім того, для надійного функціонування електрогідромеханічної системи необхідно з
достатньою точністю вимірювати температуру на вході в компресор . Але датчик температури не завжди може дати сигнал, пропорційний температурі повітря. Він видає сигнал, пропорційний його власній температурі, яку він набуває в результаті теплообміну з повітрям. Тому вимірювання температури відбувається з деякою затримкою.

При несподіваному потраплянні гарячих газів в проточну частину компресора температура повітря на вході змінюється стрибкоподібно, тому виникає різниця між цією температурою і температурою датчика.

У результаті кути натікання на лопаткові вінці компресора можуть перевищити критичні, що викликає неприпустимі режими роботи ГТД.

До недоліків електрогідромеханічних систем регулювання осьових компресорів належить і те, що залежність , згідно з якою здійснюється поворот лопаток, не враховує всіх експлуатаційних факторів, які можуть призводити до зміни кутів атаки на лопатках і викликати великі відриви потоку з них, наприклад, колову нерівномірність потоку, несподівану швидку зміну температури повітря на вході в компресор, зменшення числа Рейнольдса нижче критичного, вогкість повітря та ін. До недоліків відноситься необхідність застосування програмного регулятора лопаткових вінців, який недостатньо надійний, громіздкий, має складну конструкцію і велику вартість.

Прийомистість ГТД багато в чому визначає маневрені властивості літального апарату і безпеку його польоту. Швидка прийомистість ГТД дозволяє здійснити безпечний відхід на друге коло для виправлення помилки під час заходу на посадку. Значною мірою прийомистість визначає безпеку польотів на малих висотах, при виході з атаки, під час дозаправлення в польоті, заході на посадку або при необхідності відходу на друге коло після невдалого заходу на посадку.

^ Постановка завдання

На жаль теоретичний набуток, який лежить в основі сучасних систем автоматичного регулювання осьових компресорів, майже вичерпав себе, тому подальше, навіть незначне удосконалення цих систем значно збільшує їх вартість і складність. Такий стан потребує проведення
фундаментальних і пошукових досліджень у галузі теорії ГТД з метою створення теоретичних основ для побудови принципово нових систем регулювання компресора.

Нова система регулювання осьового компресора повинна бути позбавлена основних недоліків відомих методів регулювання.

Дослідження необхідно спрямовувати на забезпечення ефективної й своєчасної адаптації проточної частини осьового компресора до всіх можливих змін режиму його роботи. При цьому бажано використовувати принцип регулювання за відхиленням (помилкою), а не збуренням (зовнішньою дією). Таке регулювання має зворотний зв’язок за регульованим параметром – кутом атаки на кожну лопатку напрямного апарату, при якому забезпечується поворот потоку на потрібний кут без великих відривів потоку.

Система регулювання осьовим компресором повинна бути малоінерційною, враховувати всі експлуатаційні фактори, які можуть змінювати кути атаки на лопатках осьового компресора і викликати великі відриви потоку з них. При цьому бажано побудувати її без програмних регуляторів.

Система регулювання повинна забезпечувати своєчасне встановлення кожної лопатки напрямного апарату на заданий кут атаки для надійної роботи компресора.

В основу розробки такої системи запропоновано покласти теорему про газомеханічне регулювання кута атаки аеродинамічного профілю [5], практичне застосування якої дозволить створювати нові системи, які позбавлені основних недоліків відомих методів регулювання осьового компресора.

^ Теорема про газомеханічне регулювання

кута атаки аеродинамічного профілю

Нехай профіль підвішений в плоскому потоці в’язкого стисливого газу на осі обертання С, як показано на рис. 1.



Рис. 1. Розрахункова схема закріплення профілю
в потоці

Закріплення профілю в потоці на осі його обертання характеризується координатою осі обертання профілю “С” вздовж хорди від носка профілю і – відстанню осі обертання профілю від його хорди .

На профіль діє тільки повна аеродинамічна сила, яка є сумою всіх сил тиску і тертя.

Для цього випадку в праці [5] сформульовано і доведено теорему про газомеханічне регулювання кута атаки аеродинамічного профілю.

Теорема: Якщо аеродинамічний профіль розміщений у плоскому прямолінійному потоці в’язкої рідини, то завжди можна знайти таке положення власної осі обертання профілю від-носно його носка і хвоста, при якому діючий на профіль обертовий момент буде дорівнювати нулю при заданому куті атаки профілю.

З теореми випливає, що можливо знайти таке положення осі відносно профілю, при якому потік установлює профіль на заданий кут атаки. Застосувавши цю теорему, можна побудувати лопатковий вінець з газомеханічним регулюванням. І є підстави вважати, що при будь-яких змінах кута натікання газомеханічні лопатки завжди будуть установлюватися потоком на заданий кут атаки.

Отже, лопатки завжди будуть повертати потік на заданий кут повороту потоку без великих відривів зі спинки, навіть при коловій нерівномірності потоку.

Для безпечної роботи двигунів пропонується використовувати на всіх експлуатаційних режимах ГТД газомеханічне регулювання осьового компресора [5], при якому лопатки напрямних апаратів обертаються від дії повної аеродинамічної сили і встановлюються так, щоб потік повертався на потрібний кут без великих відривів.

Регулювання здійснюється для кожної лопатки індивідуально, що дозволить враховувати колову нерівномірність потоку.

Вісь обертання кожної лопатки розміщується з боку її корита на заданих відстанях і (рис. 1), значеннями яких задається кут атаки лопатки, що буде зберігатися на будь-яких режимах роботи осьового компресора.

Ця теорема була використана для побудови решітки профілів з газомеханічним регулюванням.

Для порівняння характеристики цієї решітки з нерегульованою решіткою профілів була взята відома залежність кута повороту потоку в решітці від кута атаки: , яка показана
на рис. 2.



Рис. 2. Характеристики решіток профілів:

––––– для звичайної решітки; ------ для решітки

з газомеханічним регулюванням

З огляду на те, що для решітки нерухомих профілів , вона однозначно може бути виражена як залежність кута повороту потоку в решітці від кута натікання:

. (1)

Згідно з залежністю (1) для решітки нерухомих профілів діапазон прийнятних кутів натікання дуже вузький і становить лише декілька градусів (близько ).

Для решітки профілів із газомеханічним регулюванням характеристика якісно відрізняється. Тут діапазон прийнятних кутів натікання має бути в декілька разів ширше.

Для дифузорних решіток цей діапазон буде охоплювати кути натікання майже від 0 до , як показано на рис. 2.

При цьому крива, що характеризує залежність , повинна бути близька до горизон-тальної лінії, висота якої залежить від заданого кута атаки. Тобто в широкому діапазоні кутів натікання потоку лопатки будуть працювати з заданим навантаженням без відриву потоку.

^ Газомеханічне регулювання

осьового компресора

Розглянемо ступінь осьового компресора “напрямний апарат + робоче колесо” з газо-механічним регулюванням. Потрібна саме така комбінація: спочатку напрямний апарат, потім робоче колесо, оскільки напрямний апарат слугує для формування потоку перед робочим колесом.

Напірна крива



для такого ступеня може проходити майже від осі до осі , що показано на рис. 3, на відміну від напірних кривих звичайного ступеня, діапазон роботи якого значно вужче.



Рис. 3. Характеристики ступенів:

––––– для звичайного ступеня;

------ для ступеня з газомеханічним регулюванням

Така властивість позитивно позначиться на газодинамічній стійкості багатовінцевого осьового компресора з газомеханічним регулюванням.

Коефіцієнт запасу газодинамічної стійкості може бути збільшений у декілька разів, причому як у бік великих, так і в бік малих витрат газу (рис. 4).



Рис. 4. Характеристики осьових компресорів:

––––– для звичайного компресора; ------ для

компресора з газомеханічним регулюванням

Розглянемо роботу багатоступеневого осьового компресора з газомеханічним регулюванням напрямних апаратів вхідної і вихідної груп ступенів.

На розрахунковому режимі роботи осьового компресора у всіх лопаткових вінцях кути атаки вхідного потоку на лопатки будуть номінальними (розрахунковими). При цьому забезпечується поворот потоку після лопаток на потрібний кут відхилення без великих відривів потоку з лопаток.

При відхиленні приведеної частоти обертання ротора від розрахункового режиму виникає неузгодженість роботи різних ступенів комп-ресора, що призводить до зміни розподілу осьових швидкостей по тракту і кутів атаки на лопатках різних ступенів. Наочно це можна показати на трикутниках швидкостей, які характеризують вектори швидкостей і кути атаки в міжвінцевих зазорах компресора (рис. 5).



а



б

Рис. 5. Трикутники швидкостей ступенів вхідних (а) і вихідних (б) вінців на різних режимах роботи

Площа проточної частини компресора зменшується вздовж тракту відповідно до зростання густини повітря тільки на розрахунковому режимі. На пониженому режимі роботи осьового компресора таке зменшення надто інтенсивне, тому площа проточної частини для вінців вхідної групи ступенів буде великою, а для вінців вихідної групи надто малою, щоб пропускати повітря з прийнятною осьовою швидкістю (такою, що забезпечує номінальні кути атаки).

Унаслідок цього осьова швидкість у вінцях вхідної групи зменшиться більшою мірою ніж обертова швидкість, а у вінцях вихідної групи меншою мірою ніж обертова швидкість або навіть збільшиться. На трикутниках швидкостей це показано як зменшення осьових швидкостей у вінцях вхідної групи і збільшення осьових швидкостей у вінцях вихідної групи. Така перебудова призведе до збільшення кутів атаки у вінцях вхідної групи і зменшення – у вінцях вихідної групи. Це може викликати нестійку роботу компресора, недопустиме падіння коефіцієнта корисної дії компресора, недопустимі вібраційні напруги лопаток та інші недопустимі явища [2].

При застосуванні газомеханічного регулювання багатоступеневого осьового компресора шляхом повороту лопаток напрямних апаратів вхідної і вихідної груп вони будуть повертатися потоком, зберігаючи свій заданий кут атаки. У результаті цього буде забезпечений прийнятний кут атаки не тільки для регульованого напрямного апарата, а і для нерегульованих лопаток робочого колеса, яке розміщене за цим напрямним апаратом.

Таке регулювання можна назвати природним регулюванням або саморегулюванням. Завдяки малій інерційності регульованих лопаток про-точна частина повинна своєчасно адаптуватися до нового режиму роботи компресора, нових умов течії газу в його проточній частині.

Висновки

Газомеханічна система регулювання осьового компресора здатна забезпечити природну адаптацію геометрії його проточної частини до потоку. При цьому зберігається заданий кут атаки на кожній лопатці у разі зміни режиму роботи компресора.

З аналізу теореми про газомеханічне регулювання кута атаки аеродинамічного профілю, аналізу роботи решітки профілів і ступеня з газо-механічним регулюванням випливає, що система регулювання осьового компресора, побудована на основі газомеханічного методу, буде забезпечувати надійну роботу ГТД у будь-яких умовах експлуатації авіаційної техніки.
^

Список літератури


1. Терещенко Ю.М., Капітанчук К.І. Теорія авіаційних газотурбінних двигунів. – К.: КІВПС, 1997. – 464 с.

2. Нечаев Ю.Н. Законы управления и характе-ристики авиационных силовых установок. – М.: Машиностроение, 1995. – 400 с.

3. Терещенко Ю.М., Мітрахович М.М. Авіаційні газотурбінні двигуни. – К.: КВІЦ, 2001. – 312 с.

4. Климентовский Ю.А. Системы автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. – К.: КВІЦ, 2001. – 400 с.

5. Дихановський В.М. Теоретичні основи газо-механічного методу регулювання осьового компресора ГТД // Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання: Зб. наук. пр. Харків, Ін-т проблем машинобудування НАН України, 2003. – Т. 1. – С. 217–220.

Стаття надійшла до редакції 05.10.04.

В.Н. Дыхановский

Новая модель безопасной работы газотурбинного двигателя

Проанализированы проблемные вопросы эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей. Показано, что на основе теоремы о газомеханическом регулировании угла атаки аэродинамического профиля можно построить систему регулирования осевым компрессором, способную обеспечить надежную работу газотурбинного двигателя в любых условиях эксплуатации авиационной техники.

V.М. Dykhanovsky

New model of work of the gas-turbine engine

Problem questions of the gas-turbine engines exploitation are analysed. It is shown, that the gas-mechanics regulation of aerodynamic profile attack corner theorem allowed to design the regulation of the axial compressor system. This system is ability to provide reliable functioning of the gas-turbine engine at any service conditions.

Схожі:

Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconО. С. Попова Виходець Олександр Анатолійович удк 621. 396. 97: 621. 969. 975. 3
Удосконалення аналого-цифрової системи синхронного стереофонічного радіомовлення
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconУдк 621. 365. 3: 621. 039. 55 Особенности контроля электрических параметров, мощности и энергопотребления во время кампании графитации в печах переменного тока
Введение. На современном этапе развития металлургической промышленности Украины предъявляются повышенные требования к качеству электродной...
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconУдк 515. 2: 721. 011: 56 О. В. Василевський
Розглянуто питання розробки систем автоматизованого проектування просторових кривих ліній І кінематичних поверхонь на основі запропонованих...
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconО. С. Попова ганжа Сергій Миколайович удк 621. 396. 97: 621. 969. 975. 3 Поліпшення якості радіомовлення у синхронній мережі двч-чм передавачів 05. 12. 17 радіотехнічні та телевізійні системи Автореферат
Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова Державної адміністрації зв’язку
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconПравила оформлення статей до збірника (приклад оформлення) удк 621. 797: 621. 664 Назва статті (без переносів, скорочень, абревіатур, не більше 3-ох рядків)
При використанні в додаткових свердловинах зарядів вибухових речовин (ВР) зменшується вихід великих фракцій І знижується діаметр...
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconУдк 621. 315. 592 Структура іто/InSe, отримана методом спрей-піролізу

Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconПравила оформленння статей до вісника удк 621. 797: 621. 664 Вплив лазерної обробки на рівножорсткість корпусу насоса конструктивної схеми нш-у сидоренко А.І., Петров С. П
Вступ. Попередні експериментальні дослідження показують, що для корпусів такої твердості характерна найбільша деформація стінок в...
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconПравила оформленння статей до вісника удк 621. 797: 621. 664 Вплив лазерної обробки на рівножорсткість корпусу насоса конструктивної схеми нш-у сидоренко А.І., Петров С. П
Вступ. Попередні експериментальні дослідження показують, що для корпусів такої твердості характерна найбільша деформація стінок в...
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconУдк 378. 147. 155: 621 © Біркіна Т. В
Структурні компоненти методики формування творчої самостійності студентів (за матеріалами дисципліни “Технологічне оснащення”)
Удк 621. 515-226. 2 В. М. Дихановський iconУдк 621. 315. 592 рекомбінаційні характеристики кремнієвих шарів, отриманих методом газодетонаційного осадження
М.І. Клюй, В. П. Темченко, А. В. Макаров, В. Б. Лозінський, Л. В. Авксентьєва, С. В. Литвиненко1
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи