Источники энергии на привод компрессора газотурбинного двигателя на различных режимах его работы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.4582.3 В. Н. КЛИМОВ

Омский государственный технический университет

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ НА ПРИВОД КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЕГО РАБОТЫ

В данной статье автор анализирует нерасчетные режимы работы компрессора газотурбинного двигателя и приходит к выводу, что в области устойчивой работы компрессора в целом существуют режимы, при которых энергия к нему подводится не только от турбины, но и от набегающего потока воздуха.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, математическая модель рабочего процесса ГТД, нерасчетный режим работы компрессора.

Используемая в настоящее время математическая модель газотурбинного двигателя (ГТД) основана на уравнении частного баланса мощности компрессора и турбины. При этом принимается, что работа, идущая на привод компрессора, равна работе, снимаемой с вала турбины [1], то есть

"атРт^т — Са1 Р 1^1 '

Ьк — т

(1)

где Ьк—работа, потребляемая компрессором;

Ьт— работа, снимаемая с вала турбины;

^Г—КПД турбины.

В работе [2] показано, что в полете энергия к компрессору может подводиться не только от турбины, но и от набегающего потока воздуха:

(2)

где Ьу— энергия набегающего потока воздуха; х—доля энергии набегающего потока воздуха, идущая на привод компрессора.

В данной статье рассматриваются режимы работы компрессора ГТД, при которых энергия к нему подводится не только от турбины, но и от набегающего потока воздуха.

В качестве расчетного режима для выбора размеров проточной части двигателя и согласования компрессора и турбины ГТД дозвукового самолета принимается взлетный режим с максимальной тягой (Н=0, М=0, Ртах). Это связано с тем, что на этом режиме частота вращения роторов и температура газов перед турбиной имеют максимальное значение и определяют ограничения по прочности турбины. Высота, скорость полета и частота вращения ротора при эксплуатации изменяются в широких пределах. При этом степень повышения давления, расхода воздуха, окружные скорости, а следовательно, числа М и углы атаки на лопатках различных ступеней компрессора также изменяются и могут существенно отличаться от расчетных значений.

Условия совместной работы ступеней в нерегулируемом компрессоре определяются равенством расхода воздуха и равенством частот вращения для всех его ступеней.

Чт

(3)

(4)

где т относится к произвольной ступени.

Из формулы (3) можно получить соотношение между коэффициентами расхода первой и т ступени:

Р1

(5)

где Бт — постоянный для данной ступени коэффициент;

п — показатель политропы сжатия.

Таким образом при оптимальном значении са1 оптимальным значениям сат соответствуют вполне определенные значения рт/рР т. е. определенные значения степени повышения давления в каждой ступени лст, которое, в свою очередь, может быть получено только при одном значении приведенной окружной скорости. В противном случае работа ступеней компрессора будет рассогласована, что может существенно влиять на характеристики отдельных ступеней и всего компрессора в целом.

Рассмотрим работу ступени многоступенчатого компрессора на нерасчетном режиме работы. При неизменном значении окружной скорости ик=сот1 изменение са можно заменить изменением с1а, а вме-

тг* Т *

сто Н рассматривать изменение Ьад ст.

Изменение осевой скорости непосредственно сказывается на величине угла атаки I на лопатки рабочего колеса и на величине закрутки воздуха в колесе Ааа (рис. 1). При увеличении с1а закрутка воздуха в колесе Ааа уменьшается, а следовательно уменьшается Гдст и работа вращения ступени Ьст (рис. 2). Уменьшение осевой скорости, наоборот, ведет к увеличению угла атаки 1 и к увеличению закрутки воздуха в рабочем колесе. Адиабатическая работа ступени

ст и эффективная работа ступени Ьст при этом увеличиваются [3].

Полезный (рабочий) диапазон изменения са ограничен слева границей срыва с1атп, а справа — значением с1 , при котором из-за падения Ь и одновре-

с

В

с

а1

т

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

V®

с?. а>\

а) Ло)и ^

б)

в)

0), Р1

Лши

Рис. 1. Треугольники скоростей и схема обтекания лопаток рабочего колеса ступени осевого компрессора при постоянной окружной скорости и различных значениях с,„:а) прис,=с,^ б) при с1а>с,а0; в) при си<сш

Рис. 2. Изменение эффективной работы, адиабатического напора и КПД осевой ступени при изменении скорости воздуха

([/к=СОЛ5*)

/ г

ист' ’-ад

Рис. 3. Работа ступени вблизи режима нулевого напора

менного возрастания гидравлических потерь адиабатический напор, а вместе с ним и КПД ступени обращается в нуль. При этом при осевых скоростях, близких к с1а тах, ступень может работать на нескольких принципиально различных режимах (рис. 3).

При с]а < с1атах ступень потребляет мощность и создает напор. Между с1атах и с\а лежит область режимов, в которой компрессорная ступень потребляет мощность, но не создает напора (лСл?<^)* ПРИ существенном увеличении коэффициента расхода до значений, соответствующих сХа > с\а не только Ь*адст, но и Ьст становятся отрицательными. То есть ступень не потребляет, а создает мощность на валу колеса за счет работы расширения воздуха. Полное давление за компрессором при этом равно:

Рк - РнЯуЯк ДРл- I

(6)

где Арк — снижение полного давления воздуха за ком-прессором из-за отведения части энергии воздуха к компрессору.

Следовательно, на данных режимах работы, когда одна или несколько ступеней компрессора работают в турбинном режиме, энергия к компрессору подводится не только от турбины, но и от набегающего потока воздуха.

Следует отметить, что при высоких окружных скоростях увеличение /?! ведет к быстрому росту скоростей в горловинах межлопаточных каналов. В результате уже при небольшом увеличении с1а по сравнению с сХа опт в горловинах может быть достигнута скорость звука, т. е. произойдет «запирание» решетки РК или НА ступени. Дальнейшее увеличение с1а оказывается невозможным. Явление запирания при высоких ипр наступает обычно раньше, чем ступень перестает создавать напор, и притом тем раньше,

I чем выше числа М набегающего на лопатки потока.

Поэтому при высоких окружных скоростях турбинные режимы ступеней не реализуются.

Для выбора наивыгоднейших условий работы компрессора в системе двигателя, оптимального его регулирования и для определения влияния различных условий эксплуатации на основные параметры работы компрессора необходимо располагать данными о всей совокупности нерасчетных режимов работы компрессора, которые могут встретиться при его эксплуатации.

В области устойчивой работы компрессора в целом возможны режимы (при невысоких значениях ипр), при которых энергия к компрессору подводится не только от турбины, но и от набегающего потока воздуха. Это необходимо учитывать при построении математической модели рабочего процесса газотурбинного двигателя. Данная математическая модель, учитывающая подвод энергии к компрессору от набегающего потока воздуха на описанных нерасчетных режимах работы, позволит осуществлять и выбирать способы для оптимального регулирования двигателя на всех устойчивых режимах его работы, что приведет к созданию более совершенных двигателей.

Условные обозначения

I —работа, Дж; г| —КПД; Р — тяга, Н; М — число Маха; п — показатель политропы; са — осевая скорость, м/с; р — плотность, кг/м3 ; р—давление, Па; са —коэффициент расхода; //* ~~ коэффициент адиабатического напора; со— относительная скорость воздуха, м/с; п— степень повышения давления.

Индексы

К—компрессор; Т — турбина; У— набегающий поток воздуха; I—первая ступень; тт — минимальный; тах—максимальный; ад— адиабатический; ст — ступень; 1 — параметры на входе в рабочее колесо; 2 — параметры на выходе из рабочего колеса; * — заторможенные параметры; пр — приведенные параметры.

1. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок / В. И. Бакулев [и др.]; под ред. Сосунова В.А., Чепкина В. М. — М. : МАИ, 2003. — 688 с.

2. Кузнецов, В.И. Замкнутая математическая модель рабочего процесса газотурбинных двигателей: монография / В. И. Кузнецов. — Омск: Научное издательство ОмГТУ «Омский научный вестник», 2007. — 138 с.

3. Нечаев, Ю.Н. Теория авиационных газотурбинных двигателей Ч. 1 / Ю.Н. Нечаев, Р.М. Фёдоров. — М.: Машиностроение. 1977. — 312 с.

КЛИМОВ Виталий Николаевич, аспирант кафедры авиа- и ракетостроения; инженер-конструктор второй категории ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 23.08.2010 г.

© В. Н. Климов

УДК 629.7.018 В. Г. ЦЫСС

М. Ю. СЕРГАЕВА

Омский государственный технический университет

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОДЛЕНИЯ НАЗНАЧЕННОГО СРОКА СЛУЖБЫ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИХ ПАТРУБКОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ_________________________________

Рассмотрена методология обоснования продления назначенного срока службы виброизолирующих патрубков трубопроводных систем. Сделан вывод, что основные рабочие характеристики виброизолирующих патрубков находятся в пределах требований технической документации на конец их срока службы.

Ключевые слова: виброизолирующий патрубок, назначенный срок службы, трубопроводные системы, рабочие характеристики, ускоренные испытания, модель эксплуатации.

Продление назначенного срока службы является одной из важнейших проблем современной техники, актуальность которой обусловлена, прежде всего, неуклонным ростом доли конструкций, отработавших свой срок службы.

Виброизолирующие патрубки, используются в качестве амортизирующих «развязок» по неопорным связям в трубопроводных системах с целью компенсации деформаций, возникающих в трубопроводах, и уменьшения вибраций, передаваемых по ним. Растущие требования к надежности нефтегазового оборудования (включая и виброизолирующие конструкции, обеспечивающие работу различных систем обслуживания) обуславливают необходимость проведения исследований по продлению назначенного срока эксплуатации. Проведение таких исследований позволит с достаточной точностью устанавливать повышенный ресурс конструкций, сравнимый с уровнем ресурса эксплуатации самого нефтегазового оборудования.

Для подтверждения возможности продления срока службы виброизолирующих патрубков на основе расчетно-экспериментального метода определялись и проверялись следующие рабочие характеристики:

— прочность и герметичность;

— величины распорных усилий;

— статические жесткости в осевом и поперечном направлениях;

— коэффициент запаса прочности;

— работоспособность патрубков при повторностатических перемещениях;

— работоспособность патрубков при циклических перемещениях;

— динамические (вибрационные) характеристики патрубков;

— физико-механические показатели оболочки патрубка.

С целью сокращения времени исследований патрубки подвергаются ускоренному термическому старению, имитирующему срок их службы с учетом продлеваемого периода эксплуатации. При проведении ускоренного старения патрубков необходимо учитывать старение, протекающее в ходе ресурсных испытаний при эквивалентной температуре. Продолжительность ресурсных испытаний патрубков при эквивалентной температуре Тэ определяется по формуле:

п,

Т =------2---- (1)

э 24 ■ 3600п' ''

где -^ — продолжительность ресурсных испытаний, сут.; лэ—эквивалентное число циклов нагружения патрубков, ед.; п—частота нагружения, Гц.

За время ресурсных испытаний патрубков при эквивалентной температуре наиболее характерный

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ