Осевой многоступенчатый компрессор газотурбинного двигателя

 

Изобретение относится к приводным газотурбинным двигателям, в частности, применяемым для привода нагнетателя в газоперекачивающих агрегатах. Осевой многоступенчатый компрессор приводного газотурбинного двигателя с поворотными лопатками направляющего аппарата одной или нескольких входных ступеней, в котором поворотные лопатки направляющего аппарата являются многопозиционными, причем их поворот осуществляется при постоянной степени повышения давления в группе последних трех-четырех ступеней компрессора, дополнительно снабжен датчиками измерения давления воздуха на входе и на выходе из группы последних ступеней, а также устройством автоматического регулирования, которое содержит блок вычисления степени повышения давления в группе последних ступеней и блок управления поворотом лопаток направляющих аппаратов, при этом блок вычисления своим входом соединен с датчиками измерения давления, а выходом соединен с входом блока управления поворотом лопаток, который, в свою очередь, выходом соединен с механизмом поворота лопаток. Технический результат - расширение рабочего диапазона мощности путем изменения производительности компрессора при сохранении запаса газодинамической устойчивости и экономичности двигателя. 2 ил.

Изобретение относится к приводным газотурбинным двигателям, в частности, применяемым для привода нагнетателя в газоперекачивающих агрегатах.

Известны осевые компрессоры газотурбинных двигателей (ГТД), имеющие во входной части поворотные лопатки направляющего аппарата одной или нескольких ступеней [1] . Изменение угла установки этих лопаток осуществляется, как правило, двухпозиционно (из открытого положения в прикрытое и наоборот) и позволяет расширить диапазон производительности компрессора и связанный с ним диапазон мощности двигателя при сохранении запаса газодинамической устойчивости. Так, при дросселировании газотурбинного двигателя на уменьшение мощности путем понижения частоты вращения при подходе к границе помпажа перекладка лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) из открытого положения в прикрытое позволяет понизить расход воздуха через компрессор, а соответственно и мощность, до более низкого значения при сохранении запаса газодинамической устойчивости, тем самым расширив рабочий диапазон режимов газоперекачивающего агрегата. Это характерно для многоступенчатых осевых компрессоров, имеющих так называемый "нижний срыв", когда запас газодинамической устойчивости уменьшается с уменьшением частоты вращения.

Недостатком данной конструктивной схемы является то, что поворот лопаток ВНА производится двухпозиционно из одного крайнего положения в другое и сопровождается значительным по величине скачкообразным изменением параметров двигателя, в том числе частоты вращения. Во многих случаях такой поворот лопаток сопровождается временной раскачкой параметров. Все это неблагоприятно влияет на запас газодинамической устойчивости и поэтому приводит к уменьшению фактического рабочего диапазона мощности или к расширению диапазона режимов при прикрытых углах лопаток ВНА, которым присуще более низкое значение кпд.

Если двухпозиционную перекладку угла ВНА производить при постоянной приведенной частоте вращения, то возникает "мертвая" зона по мощности, что существенно затрудняет задачи регулирования двигателя и всего газоперекачивающего агрегата.

Технический результат, достигаемый изобретением, - расширение рабочего диапазона мощности, достигаемое путем изменения производительности компрессора при сохранении запаса газодинамической устойчивости и экономичности двигателя.

Это достигается введением многопозиционного поворота лопаток ВНА, причем поворот лопаток осуществляется плавно при практически постоянной частоте вращения путем поддержания дополнительным устройством автоматического регулирования постоянной степени повышения давления в группе последних ступеней компрессора. Для этого компрессор дополнительно снабжен датчиками измерения давления воздуха на входе и на выходе из группы последних ступеней, а также устройством автоматического регулирования, которое содержит блок вычисления степени повышения давления в группе последних ступеней и блок управления поворотом лопаток направляющих аппаратов, при этом блок вычисления своим входом соединен с датчиками измерения давления, а выходом соединен с входом блока управления поворотом лопаток, который, в свою очередь, выходом соединен с механизмом поворота лопаток.

Сущность изобретения основана на свойстве осевого многоступенчатого компрессора, заключающемся в том, что при постоянной приведенной частоте вращения ротора степень повышения давления в группе последних ступеней компрессора π слабо зависит от изменения угла установки лопаток входного направляющего аппарата, или группы входных направляющих аппаратов (β_BHA). Следовательно, при π=const в процессе плавного изменения β_BHA частота вращения изменяется незначительно. Поэтому при любом заданном значении π = π_зад поворот лопаток сопровождается изменением расхода воздуха через компрессор при незначительно изменяющейся частоте вращения. При этом каждому значению β_вна будет соответствовать свое значение мощности двигателя N. Это позволяет плавно изменять мощность во всем конструктивно возможном диапазоне углов поворота лопаток.

Практика показала, что в многоступенчатых одновальных компрессорах (10.. .15 ступеней) в качестве π целесообразно выбирать степень повышения давления в трех - четырех последних ступенях. Увеличение числа этих ступеней приводит к заметному отклонению от условия постоянства частоты вращения при повороте лопаток по закону π=const. Уменьшение числа ступеней связано с уменьшением величины π, что неблагоприятно с точки зрения точности работы устройства автоматического регулирования.

Для реализации изобретения на компрессоре устанавливаются датчики измерения давления воздуха на входе и на выходе из группы последних ступеней компрессора. Кроме того, компрессор дополнительно снабжен устройством автоматического регулирования для поддержания заданной величины степени повышения давления в группе последних ступеней π_зад. Устройство состоит из блока вычисления π и блока управления поворотом лопаток ВНА.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема установки устройства, при этом 1 - компрессор ГТД, 2 - ВНА, 3, 4 - датчики измерения давления в группе последних ступеней, 5 - блок вычисления π, 6 - блок управления ВНА. На фиг.2 показаны три области мощностной характеристики ГТД.

Схема работает следующим образом. При работе двигателя на любом режиме электрические датчики давления 3 и 4, находящиеся в компрессоре 1, передают сигналы, пропорциональные величинам давления воздуха, измеряемым перед группой последних ступеней Р₃ и за ней Р₄. В блоке 5 производится вычисление π = P₄/P₃. Заранее в блок 5 вносится информация о заданной для перекладки ВНА величине π = π_зад. В блоке 5 производится сравнение текущей величины π с заданной величиной π_зад. Если π отличается от π_зад, в блоке 5 формируется команда на выполнение условия π = π_зад. Эта команда передается в блок 6. Если π>π_зад, то в блоке 6 формируется команда на раскрытие лопаток ВНА. Эта команда передается из блока 6 на рабочий механизм поворота лопаток ВНА 2. Лопатки 2 поворачиваются до тех пор, пока из блока 5 не поступит в блок 6 информация о том, что π = π_зад, и тогда команда на поворот лопаток 2, сформированная в блоке 6, прекращается. Аналогично работает устройство если π<π_зад, с той лишь разницей, что из блока 6 поступает команда на прикрытие лопаток 2, пока величина π не сравняется с заданной (π_зад).

В случае, если π>π_зад, а лопатки достигли предельного угла открытия β_{вна откр} (механизм поворота лопаток находится на упоре открытия), дальнейший поворот лопаток на раскрытие невозможен и при увеличении расхода топлива в двигателе растет частота вращения компрессора и величина π. В случае, если π<π_зад и лопатки достигли предельного угла прикрытия β_{вна прикр} (механизм поворота находится на упоре прикрытия), при уменьшении расхода топлива уменьшается частота вращения и величина π. Это схематично отражено на фиг.2. Здесь N - мощность приводного двигателя, снимаемая обычно с вала свободной турбины.

Область 1 - умеренные мощности. ВНА находится в полностью прикрытом положении β_{вна прикр}, π<π_зад. Нижний предел мощности ограничен допустимым запасом до границы неустойчивой работы компрессора. Верхний предел мощности ограничен условием π = π_зад. Мощность в этой области при подаче топлива изменяется путем изменения частоты вращения.

Область 2 - средний диапазон мощностей. Угол β_вна изменяется от полностью прикрытого положения β_{вна прикр} до полностью открытого β_{вна откр}. В этой области автоматически выполняется условие π = π_зад = const. Мощность при подаче топлива изменяется, в основном, путем плавного изменения угла установки лопаток ВНА.

Область 3 - диапазон высоких мощностей. ВНА находится в полностью открытом положении β_{вна откр}, π>π_зад. Нижний предел области ограничен условием π = π_зад. Верхний предел ограничен каким-либо из параметров двигателя, например предельной температурой газа в турбине. Мощность в этой области при подаче топлива изменяется путем изменения частоты вращения.

Выбор величины π_зад диктуется возможным конструктивным диапазоном изменения β_вна от прикрытого до открытого положения лопаток и индивидуален для каждого типа ГТД.

Преимуществом такой конструкции по сравнению с компрессором, имеющим двухпозиционный ВНА, является расширение диапазона мощностей приводного газотурбинного двигателя при сохранении необходимого запаса газодинамической устойчивости, приемлемого уровня кпд на промежуточных режимах и плавности регулирования.

Источники информации: 1. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. - М: Машиностроение, 1970, с. 535-537.

Формула изобретения

Осевой многоступенчатый компрессор приводного газотурбинного двигателя с поворотными лопатками направляющего аппарата одной или нескольких входных ступеней, отличающийся тем, что поворотные лопатки направляющего аппарата являются многопозиционными, причем их поворот осуществляется при постоянной степени повышения давления в группе последних трех-четырех ступеней компрессора, для чего компрессор дополнительно снабжен датчиками измерения давления воздуха на входе и на выходе из группы последних ступеней, а также устройством автоматического регулирования, которое содержит блок вычисления степени повышения давления в группе последних ступеней и блок управления поворотом лопаток направляющих аппаратов, при этом блок вычисления своим входом соединен с датчиками измерения давления, а выходом соединен с входом блока управления поворотом лопаток, который, в свою очередь, выходом соединен с механизмом поворота лопаток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2