СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2024 года по МПК F02C9/00 F04D27/00 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, в частности к способам обеспечения газодинамической устойчивости осевых компрессоров в условиях эксплуатации и изменения параметров, при которых изначально нарушалась их устойчивая работа.

Осевой компрессор является одним из основных элементов газотурбинного двигателя. Компрессор - лопаточная машина, в которой воздуху сообщается энергия, идущая на повышение его полного давления.

Устойчивость - способность системы сохранять текущее состояние при наличии внешних воздействий.

Динамическая устойчивость - это свойство системы сохранять режим исходный или близкий к исходному при конечных возмущениях.

Газодинамическая устойчивость газотурбинного двигателя - способность газотурбинного двигателя работать без нарушения газодинамической устойчивости при наличии внешних воздействий

Нарушение устойчивой работы газотурбинного двигателя, называемое потерей газодинамической устойчивости (ГДУ) двигателя, является одним из наиболее опасных отказов авиационного газотурбинного двигателя.

Газодинамическая устойчивость газотурбинного двигателя в основном определяется газодинамической устойчивостью осевых компрессоров.

Газодинамическая устойчивость осевого компрессора - способность осевого компрессора работать без вращающегося срыва и помпажа при наличии внешних воздействий.

Вращающийся срыв характеризуется перемещающимися срывными зонами, охватывающими последовательно против направления вращения рабочего колеса группы его лопаток, но в направлении вращения рабочего колеса относительно корпуса компрессора.

Помпаж - потеря динамической устойчивости, характеризуется нестационарным низкочастотным процессом, при котором сжимаемый воздух (газ) периодически прорывается с выхода на вход в компрессор.

Известны способы обеспечения газодинамической устойчивости осевых компрессоров газотурбинных двигателей, такие как уменьшение подачи топлива в основные и форсажные камеры сгорания, поворот направляющих аппаратов, раскрытие сопла, уменьшение площади горла регулируемых сверхзвуковых воздухозаборников. Недостатком таких способов является потеря тяги (мощности) газотурбинных двигателей вследствие их применения. Известен способ кратковременного увеличения запаса газодинамической устойчивости газотурбинных двигателей [Патент №2261351 С1 Российская Федерация, МПК 02С 9/00. Способ кратковременного увеличения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя: №2004108105/06: заявл. 22.03.2004: опубл. 27.09.2005 / Гельмедов Ф.Ш., Мунтянов И.Г., Мунтянов Г.Л., Середа С.О.; заявитель ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова. - 9 с.: ил. - Текст: непосредственный] путем впрыска охлаждающей жидкости через форсунки против потока на вход в компрессор. Недостатками этого способа являются затраты энергии на впрыск жидкости против потока и ограничение применения по времени, что снижает эффективность способа.

В работе [Колесинский, Л.Д. Анализ протекания нестационарных явлений в многоступенчатом компрессоре, работающем в системе стенда при помпаже / Л.Д Колесинский. - Текст (визуальный): непосредственный // Ученые записки ЦАГИ. - 2008. - №4. Том XXXIX. - С. 46-59] исследовались процессы развития вращающегося срыва и нарушение газодинамической устойчивости осевых компрессоров. Введены понятия первичных вихревых зон, критических и управляющих ступеней. Исследованы явления предшествующие возникновению срыва компрессора, а также последовательность событий после возникновения срыва, приводящих к вращающемуся срыву. Установлены основные этапы развития вращающегося срыва:

образование первичных вихревых зон на части высоты лопатки - возникновение отрыва в проточной части компрессора при работе последнего вблизи границы срыва;

возникновение срыва компрессора - конец образования первичных вихревых зон;

первоначальная неустойчивость в первых (критических) ступенях компрессора (развитие срывной зоны по радиусу и окружности);

переход последних из числа критических (управляющих) ступеней в левую ветвь своих характеристик;

окончательное формирование по радиусу и окружности срывной зоны в первых критических ступенях;

поочередное возбуждение срыва в последующих за критическими ступенях;

возникновение неустойчивости течения в компрессоре в целом. Ступень компрессора - часть компрессора, включающая рабочее колесо и расположенный за ним направляющий аппарат.

Критические ступени - ступени, в которых зарождаются первичные вихревые зоны, преобразующиеся во вращающийся срыв, как правило, это первые ступени компрессоров.

Управляющие ступени - последние из числа критических ступеней, первыми переходящие в левую ветвь своих характеристик при развитии вращающегося срыва

Технической задачей заявляемого изобретения является обеспечение устойчивой работы осевых компрессоров в условиях эксплуатации и изменения параметров, при которых изначально нарушалась их устойчивая работа.

Технический результат - устойчивая работа осевых компрессоров в условиях эксплуатации и изменения параметров, при которых изначально нарушалась их устойчивая работа.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе обеспечения газодинамической устойчивости осевых компрессоров при их эксплуатации и изменении параметров определяют критические ступени осевого компрессора, выбирают места вдува рабочего тела в критических ступенях осевого компрессора, рассчитывают параметры вдуваемого рабочего тела, задают параметры вдуваемого рабочего тела, определяют момент вдува рабочего тела, производят вдув рабочего тела с заданными параметрами в выбранных местах.

Под рабочим телом понимается воздух или другой газ, либо жидкость, преобразующаяся в пар.

Вдув рабочего тела может осуществляться из корпуса над рабочим колесом [Патент №2582537 Российская Федерация, МПК F04D 29/68 (2006.01). Осевой компрессор: №2014117379/06: заявл. 29.04.2014: опубл. 10.11.2015 / Клепиков Д.С., Алексеев И.И., Черкасов А.Н., Алексеев А.А., Шарафутдинов А.Г., Звонников В.И..; заявитель ВУНЦ ВВС «ВВА». - 11 с.: ил. - Текст: непосредственный.], корпуса над направляющим аппаратом, втулки рабочего колеса [Патент №2633221 Российская Федерация, МПК F04D 29/00 (2006.01). Осевой компрессор: №2016122577: заявл. 07.06.2016: опубл. 11.10.2017 / Черкасов А.Н., Алексеев И.И., Клепиков Д.С., Попов А.Е.; заявитель ВУНЦ ВВС «ВВА». - 5 с.: ил. - Текст: непосредственный.], втулки направляющего аппарата [Патент №2694454 Российская Федерация, МПК F04D27/02 (2006.01). Осевой компрессор: №2018140104: заявл. 13.11.2018: опубл. 15.07.2019 / Черкасов А.Н., Алексеев И.И., Кириллов А.А.; заявитель ВУНЦ ВВС «ВВА». - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный.].

Места вдува - отверстия на выходе из каналов с заданными геометрическими параметрами, через которые осуществляется вдув рабочего тела. Геометрические параметры каналов определяют из условий требуемого направления вдуваемого воздуха, технологичности изготовления, минимального гидравлического сопротивления, обеспечения необходимых параметров вдуваемого рабочего тела. Места вдува могут располагаться в корпусе над рабочим колесом, в корпусе над ншравляющим аппаратом, на втулке рабочего колеса, на втулке направляющего аппарата.

Места вдува определяют из условия эффективного воздействия вдувом на вторичные течения в ступени осевого компрессора.

Расчет параметров вдуваемого рабочего тела направлен на поиск их оптимальных значений, обеспечивающих максимальную эффективность от вдува рабочего тела. Под основными параметрами вдуваемого рабочего тела, как правило, понимают скорость, направление вдува и расход рабочего тела.

Скорость вдува и расход рабочего тела задаются регулированием параметров в системе подвода рабочего тела к местам вдува. Направление вдува определяется геометрическими параметрами каналов вдува, которые рассчитывают и задают на стадии проектирования компрессора.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, в частности к способам обеспечения газодинамической устойчивости осевых компрессоров в условиях эксплуатации и изменения параметров, при которых изначально нарушалась их устойчивая работа. Технической задачей заявляемого изобретения является обеспечение устойчивой работы осевых компрессоров в условиях эксплуатации и изменения параметров, при которых изначально нарушалась их устойчивая работа. Технический результат - устойчивая работа осевых компрессоров в условиях эксплуатации и изменения параметров, при которых изначально нарушалась их устойчивая работа. Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе обеспечения газодинамической устойчивости осевых компрессоров при их эксплуатации и изменении параметров определяют критические ступени осевого компрессора, выбирают места вдува рабочего тела в критических ступенях осевого компрессора, рассчитывают параметры вдуваемого рабочего тела, задают параметры вдуваемого рабочего тела, определяют момент вдува рабочего тела, производят вдув рабочего тела с заданными параметрами в выбранных местах.

Способ обеспечения газодинамической устойчивости осевого компрессора, заключающийся во вдуве рабочего тела по меньшей мере в одну из ступеней осевого компрессора, отличающийся тем, что определяют критические ступени осевого компрессора, выбирают места вдува рабочего тела в критических ступенях осевого компрессора, рассчитывают параметры вдуваемого рабочего тела, задают параметры вдуваемого рабочего тела, определяют момент вдува рабочего тела, производят вдув рабочего тела с заданными параметрами в выбранных местах.