Способ кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности к методам обеспечения газодинамической устойчивости газотурбинных двигателей (ГТД) в экстремальных условиях эксплуатации, при которых резко усиливаются факторы, которые могут привести к нарушению устойчивой работы. Технической задачей заявляемого технического решения является обеспечение устойчивой работы газотурбинного двигателя без потери тяги. Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя, в период экстремальных условий его эксплуатации, определяют пороговое значение сигналов, которые характеризуют экстремальные условия эксплуатации двигателя, измеряют значение сигналов, характеризующих условие работы двигателя, и на период времени, когда значение сигналов превысит пороговое значение, то есть на время существования опасности нарушения газодинамической устойчивости двигателя, через форсунки осуществляют впрыск охлаждающей жидкости, например воды, в проточную часть компрессора в количестве 1-3% от расхода воздуха в основном потоке, при этом впрыск охлаждающей жидкости осуществляют перед компрессором, во входном канале, равномерно по его окружности. Использование предлагаемого способа обеспечивает не только увеличение запасов газодинамической устойчивости двигателя, но и сопровождается повышением производительности компрессора и соответственно увеличением тяги двигателя. 4 ил.

 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности к методам обеспечения газодинамической устойчивости газотурбинных двигателей (ГТД) в экстремальных условиях эксплуатации, при которых резко усиливаются факторы, которые могут привести к нарушению устойчивой работы.

Существует проблема форсирования газотурбинных двигателей и компрессорных установок, решаемая путем впрыска охлаждающей жидкости в их проточную часть. При взаимодействии жидкости и воздуха происходит снижение температуры образующейся смеси, вследствие чего увеличивается приведенная частота вращения ротора компрессора, преимущественно - группы его последних ступеней. Соответственно, их напорные характеристики смещаются в сторону увеличения расхода воздуха и степени повышения давления. В области малых приведенных частот вращения ротора, где максимальная производительность компрессора по расходу воздуха определяется «запиранием» межлопаточных каналов первых его ступеней, впрыск жидкости, например воды, не приводит к увеличению расхода воздуха, а влияет на напор, на степень повышения давления, то есть увеличивает запас газодинамической устойчивости двигателя.

Известен способ повышения газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя, К.В.Холщевников, О.Н.Емин, В.Т.Митрохин «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», Москва, Машиностроение, 1986 г., стр.342-344, основанный на прикрытии лопаток направляющих аппаратов группы первых ступеней.

Основным недостатком данного способа является значительное уменьшение расхода воздуха и соответствующее снижение тяги двигателя.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип является способ кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя, в экстремальных условиях его эксплатации, при котором формируют сигналы, определяющие состояние двигателя, оснащенного системой впрыска охлаждающей жидкости в проточную часть компрессора, представленный в «Турбоустановке, работающей на природном газе с водяным паром по полуоткрытому циклу и при стехиометрическом сгорании», патент FR №2674290 от 18.03.1991 г., которая содержит камеру сгорания, свободную турбину, воздушный компрессор, приводимый турбиной, и средства стыковки свободной турбины, где предусмотрены средства для впрыска воды, образующей тепловой наполнитель в камере сгорания, которые содержат весовой и тепловой обменник между продуктами сгорания, поступающими из конденсационного рекуператора, и атмосферным воздухом, вводимым для предварительного увлажнения воздуха перед его поступлением в компрессор, и устройства впрыска водяного пара и воды в жидкой фазе между выходом компрессора и входом в жаровую трубу, или в камеру сгорания после зоны горения и перед рабочими лопатками свободной турбины.

Основным недостатком данного технического решения является то, что в случае подачи избыточного количества воды режим работы компрессора может смещаться по направлению к границе устойчивой работы, т.е. приводить к уменьшению запаса газодинамической устойчивости компрессора.

Одним из характерных примеров возникновения таких условий является динамичное маневрирование летательного аппарата, характеризующееся:

- работой двигателя на ускоренных переменных режимах, которая сопровождается подачей избыточного количества топлива в камеру сгорания и сброса газа;

- быстрым изменением в широких пределах углов атаки и скольжения на входных кромках воздухозаборника.

Указанные факторы относятся к числу наиболее интенсивно снижающих запасы газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя. Следует подчеркнуть, что в указанных условиях положения зон пониженного и повышенного давления перед компрессором непрерывно меняются, в связи с чем реализация способа оказывается практически неосуществимой.

Другим часто встречающимся примером экстремальных условий эксплуатации газотурбинного двигателя является кратковременное воздействие на него интенсивных тепловых возмущений потока воздуха на входе.

Технической задачей заявляемого технического решения является обеспечение устойчивой работы газотурбинного двигателя без потери тяги.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя, в период экстремальных условий его эксплуатации, при котором формируют сигналы, определяющие состояние двигателя, оснащенного системой впрыска охлаждающей жидкости в проточную часть компрессора, определяют пороговое значение сигналов, которые характеризуют экстремальные условия эксплуатации двигателя, измеряют значение сигналов, характеризующих условие работы двигателя, и на период времени, когда значение сигналов превысит пороговое значение, то есть на время существования опасности нарушения газодинамической устойчивости двигателя, через форсунки осуществляют впрыск охлаждающей жидкости, например воды, в проточную часть компрессора в количестве 1-3% от расхода воздуха в основном потоке, при этом впрыск охлаждающей жидкости осуществляют перед компрессором, во входном канале, равномерно по его окружности.

Предлагаемый способ основан на экспериментально установленном эффекте существенного увеличения запасов газодинамической устойчивости многоступенчатого осевого компрессора при впрыске через форсунки охлаждающей жидкости, например воды, в его входной канал с равномерным распределением ее по сечению.

Экспериментальными исследованиями были получены данные, по которым можно судить о влиянии впрыска воды на характеристики компрессора и его ступеней.

Установлено, что уменьшение количества впрыскиваемой охлаждающей жидкости ниже нижнего придела (δG_L<1%) существенно ослабевает эффект газодинамической стабилизации работы газотурбинного двигателя, а повышение верхнего уровня (δG_L>3%) теряет смысл, поскольку не обеспечивается полное испарение жидкой фазы впрыскиваемой охлаждающей жидкости.

На фиг.1 изображена схема варианта реализации предлагаемого способа кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя.

На фиг.2 изображена схема размещения форсунок на стенках входного канала для подачи охлаждающей жидкости.

На фиг.3 показан график влияния впрыска охлаждающей жидкости, например воды, во входной канал компрессора на его характеристики.

На фиг.4 показан график влияния впрыска охлаждающей жидкости, например воды, во входной канал компрессора на его КПД.

При этом на фиг.1, 2, 3, 4 приняты следующие обозначения:

n_х - параметр продольной перегрузки конструкции;

n_у - параметр поперечной перегрузки конструкции;

П_х - пороговый уровень продольной перегрузки;

П_у - пороговый уровень поперечной перегрузки;

Δt - время существования экстремальной ситуации;

t₁ - начало возникновения экстремальной ситуации;

t₂ - окончание времени существования экстремальной ситуации;

o - без впрыска воды;

- с впрыском воды (δG_L≈2,5%);

δG_L - количество впрыскиваемой воды (в процентах от расхода воздуха в основном потоке);

π^* _к - степень повышения полного давления;

η_эф - эффективный КПД компрессора;

G_пр - приведенный расход воздуха в основном потоке.

На фиг.3 и 4 можно видеть эффект, связанный с подачей количества воды, - ≈2,5%.

При этом можно выделить следующие особенности:

- испарение воды в компрессоре приводит к значительному повышению эффективного КПД, причем тем в большей степени, чем больше количество подаваемой воды. Так, в случае δG_L≈2,5% максимальное значение КПД достигает уровня (η_эф)_max=0,945, а в контрольной точке с η^* _к=11 оно имеет значение η_эф=0,915, в то время как без впрыска он составляет η_эф≈0,845.

- впрыск воды приводит к заметному увеличению степени повышения давления на границе устойчивой работы. В частности, если при работе на сухом воздухе она ограничивается величиной π^* _{к max}=12,2, то при подаче воды в количестве δG_L≈2,5% она достигает уровня π^* _{к max}=13,7;

- еще один положительный эффект, получаемый от впрыска воды, состоит в том, что при его использовании увеличивается расход рабочего тела (т.е. паровоздушной смеси, включающей количество подаваемой воды).

Реализацию заявляемого способа кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя осуществляют следующим образом.

На входном канале 8 двигателя 1 на фиг.1 устанавливают форсунки 2, к которым через коллектор 3 подают охлаждающую жидкость 7, залитую в бак 4. Потребные значения давления охлаждающей жидкости 7 и ее расхода создают насосом 5. Включение насоса 5 и длительность его работы осуществляют в зависимости от сигнала, поступающего от блока управления 6, на вход которого непрерывно поступает информация о величине перегрузок n_х и n_у. Командный сигнал от блока управления 6 формируют при условии, если величины перегрузок превысят пороговые уровни П_х и П_у или их заданного комплекса. Это обеспечивает существование командного сигнала лишь в течение времени Δt=t₂-t₁. Отсутствие такого сигнала свидетельствует об отсутствии опасности нарушения газодинамической устойчивости двигателя, поэтому впрыска охлаждающей жидкости не происходит.

Рассматриваемый пример относится к случаю выполнения динамичного маневра летательным аппаратом, когда возникают значительные продольные и поперечные перегрузки, воздействующие на конструкцию двигателя и самолета.

Сигналы n_х и n_у характеризуют уровень таких перегрузок, в настоящее время являются штатными и непрерывно регистрируются на бортовых самописцах.

Представлен один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа, и в зависимости от назначения двигателя и условий его эксплуатации могут быть выбраны другие признаки и сигналы, свидетельствующие о возникновении экстремальной ситуации двигателя.

Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает не только увеличение запасов газодинамической устойчивости двигателя, но и сопровождается повышением производительности компрессора и, соответственно - увеличением тяги двигателя.

Способ кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя в экстремальных условиях его эксплуатации, при котором формируют сигналы, определяющие состояние двигателя, оснащенного системой впрыска охлаждающей жидкости в проточную часть компрессора, отличающийся тем, что определяют пороговое значение сигналов, характеризующих экстремальные условия эксплуатации двигателя, измеряют значения сигналов, характеризующих условия работы двигателя, и на период времени, когда значение сигналов превышает пороговое значение, осуществляют впрыск охлаждающей жидкости в проточную часть компрессора в количестве 1-3% от расхода воздуха в основном потоке, при этом впрыск охлаждающей жидкости осуществляют перед компрессором, во входном канале равномерно по его окружности.