204WIRKOWSKI-artykuł.pdf

Paweł Wirkowski

Akademia Marynarki Wojennej

ZALEŻNOŚĆ PARAMETRÓW PRACY SILNIKA

TURBINOWEGO OD ZMIANY GEOMETRII KANAŁU

PRZEPŁYWOWEGO SPRĘŻARKI OSIOWEJ

Streszczenie : W artykule przedstawiono zagadnienie wpływu zmian ustawienia regulowanych

łopatek kierownicy sprężarki osiowej na parametry pracy sprężarki oraz całego silnika

turbinowego. Nieprawidłowe funkcjonowanie systemu zmiany ustawienia regulowanych

łopatek sprężarki osiowej silnika turbinowego może powodować niestabilną pracę sprężarki

przenoszoną na konstrukcję silnika. Jeżeli w konstrukcji sprężarki silnika turbinowego

występuje układ zmiany ustawienia regulowanych łopatek kierownic, mający za zadanie

optymalne kojarzenie współpracy wszystkich zespołów silnika turbinowego poprzez ciągłą

korektę charakterystyki sprężarki, to występujące zakłócenia w pracy tego układu będą

powodowały zmiany zakresu pracy sprężarki i silnika o charakterze podobnym, jaki powodują

zmiany prędkości obrotowej wirnika czy też zanieczyszczone kanały międzyłopatkowe

sprężarki. W artykule zaprezentowana została analiza teoretyczna powyższego zjawiska oraz

przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych na obiekcie rzeczywistym.

Słowa kluczowe : silnik turbinowy, sprężarka osiowa, nastawne łopatki kierownicy

1. WPROWADZENIE

Praca jednostkowa stopnia sprężarki osiowej na danym promieniu definiowana

z wykorzystaniem równania momentu ilości ruchu ma postać

)

(

⋅

−

⋅

∆

⋅

∆

(1)

gdzie: ω – prędkość kątowa wirnika, u – prędkość obwodowa, r – promień wirnika,

c 1u , c 2u – składowe obwodowe prędkości bezwzględnej strumienia przed i za

wieńcem wirnika na promieniu r,

∆ c u , ∆ w u – współczynnik zawirowania strumienia.

Praca ta jest stała na całej wysokości łopatki wirnika a suma tych prac jest pracą

jednostkową stopnia [2]. Wprowadzenie zmiany ustawienia kątowego łopatek kierownicy

przy utrzymaniu stałej prędkości obrotowej (stałe u ) powoduje zmianę kąta natarcia β 1

(Rys. 1). Skutkuje to zmianą składowej osiowej prędkości bezwzględnej c 1a a więc zmianą

natężenia przepływu strumienia powietrza m & oraz zmianą współczynnika zawirowania

powietrza ∆ w u . Wpływa to na sprawność i pracę stopnia.

w 1

i=0

a 1 ’

α 1

a 1 ’’

w 1 ”

w 1

c 1a

β 2

w 1 ’

w 2

c 1a ’

c 1

β 1

w 1

β 2

c 1a

w 2

β 1

∆ w u

Rys. 1. Istota regulacji stopnia osiowego sprężarki za pomocą zmiany kąta ustawienia łopatek wieńców

kierownic przy zmieniającej się prędkości przepływu strumienia; a) zmniejszona prędkość osiowa,

b) obliczeniowa prędkość osiowa, c) zwiększona prędkość osiowa; k – wieniec regulowanych łopatek

kierownic, w – wieniec łopatek wirnika

Celem badań było określenie wpływu nieprawidłowego funkcjonowania układu

sterującego nastawnymi łopatkami kierownicy wstępnego zawirowania sprężarki osiowej

silnika turbinowego na parametry pracy sprężarki i silnika.

Charakterystyka sprężarki będąca zależnością sprężu π  S i sprawność efektywnej η * S

sprężarki od strumienia masy przepływającego przez nią powietrza m & i prędkości

obrotowej n , umożliwia określenie najdogodniejszych warunków współpracy sprężarki

z innymi podzespołami silnika. Służy ona doborowi optymalnych warunków regulacji

przepływu powietrza i oceny wpływu czynników eksploatacyjnych na parametry sprężarki.

W związku z powyżej opisanym zjawiskiem sprężarka powinna być tak regulowana,

aby w zakresie eksploatacyjnych prędkości obrotowych linia współpracy sprężarki z siecią

przebiegała z pewnym zapasem pracy statecznej. Główną zasadą regulacji sprężarek

podczas zmiany jej prędkości obrotowej lub natężenia przepływu, jest utrzymywanie

wartości kątów napływu strumienia i zbliżonych do zera. Jednym ze stosowanych

sposobów regulacji sprężarek osiowych jest zmiana geometrii jej kanału przepływowego

poprzez zastosowanie regulowanej kierownicy wlotowej lub regulowanych kierownic

kilku pierwszych stopni sprężania [2].

Takie rozwiązanie umożliwia dokonanie jednoczesnych zmian kąta napływu strumienia

na łopatki wieńców wirnikowych stopni poprzez zmianę kątów ustawienia łopatek

kierownic w trakcie zmian prędkości obrotowej sprężarki. Rys. 1 przedstawia istotę

regulacji łopatek nastawnych kierownic na przykładzie jednego stopnia sprężania.

Dla średnich wartości eksploatacyjnego zakresu prędkości obrotowej wirnika sprężarki

odpowiada sytuacja na Rys. 1b, dla której przyporządkowane są kierunki i wartości

prędkości z indeksem „1”. Występuje wówczas pośrednie ustawienie kątowe łopatek

wieńca kierownicy, dla którego kąt napływu strumienia na łopatki wirnika nie powoduje

zaburzeń w przepływie tego strumienia przez kanały międzyłopatkowe. W przypadku

realizacji mniejszych wartości prędkości obrotowej sprężarki, a więc występowania

mniejszej wartości składowej osiowej prędkości bezwzględnej c 1a ’ , istnieje konieczność

zmniejszenia kąta spływu strumienia α 1 z regulowanych łopatek wieńca kierownicy

(Rys. 1a) w takim zakresie, aby utrzymać taką samą wartość kąta napływu strumienia na

łopatki wirnika β 1 . Analogiczna sytuacja ma miejsce podczas pracy sprężarki z większymi

prędkościami obrotowymi wirnika, dla których wzrasta wartość składowej osiowej

prędkości bezwzględnej c 1a ” . Wówczas w celu utrzymania statecznej pracy sprężarki,

a więc stałej wartości kąta napływu strumienia na łopatki wirnika, należy zwiększyć kąt

spływu strumienia z łopatek kierownicy – Rys. 1c.

Zastosowanie w danej formie konstrukcyjnej silnika turbinowego układu regulacji

geometrii kanałów przepływowych wywiera znaczący wpływ na przebieg procesów

nieustalonych.

2. OBIEKT BADAŃ

Badania wpływu zmiany geometrii kanału przepływowego silnika turbinowego na

parametry jego pracy prowadzone były na silniku typu DR77, który wchodzi w skład

układu napędowego okrętu rakietowego. Jest to silnik trójwirnikowy ze zwrotną komorą

spalania typu pierścieniowo – rurowego oraz nawrotną turbina napędową (Rys. 2 i Rys. 3).

Rys. 2. Widok przekroju silnika DR 77;

SNC – sprężarka niskiego ciśnienia, SWC – sprężarka wysokiego ciśnienia, KS – komora spalania,

TWC – turbina wysokiego ciśnienia, TNC – turbina niskiego ciśnienia, TN – turbina napędowa

T 0 , p 0 T 1 * , p 1 * p 21 * p 2 * T 42 * T 5 *

0 1 2.1 2 3 4.1 4.2 4 5

P PAL

UKŁAD

WYLOTOWY

UKŁAD

DOLOTOWY

PALIWO

powietrze

SPALINY

SWC

TWC

ROZRUSZNIK

ELEKTR.

LINIA WAŁÓW

TURBINA

NAPĘDOWA

WYTWORNICA SPALIN

Rys. 3. Schemat blokowy silnika DR 77 z zaznaczonymi płaszczyznami kontrolnymi i mierzonymi

parametrami pracy

W układzie konstrukcyjnym sprężarki rozpatrywanego silnika zastosowany jest wieniec

łopatek kierownicy wlotowej, które mają możliwość zmiany ustawienia kąta natarcia

(zmianę geometri kanału przepływowego sprężarki) w zależności od obciążenia silnika.

Procesem tym steruje układ regulacji, którego medium roboczym jest sprężone powietrze

uzyskiwane w sposób ciągły zza sprężarki wysokiego ciśnienia. Schemat przepływu

sygnału sterującego przedstawia Rys. 4.

UPUST

POWIETRZA

blok

oczyszczania

i chłodzenia

RŁKWZ

SIŁOWNIK

STERUJĄCY

RUCHOMY

PIERŚCIEŃ

SWC

p 0 , T 0 , ε 0

ŁK

…

ŁK

SNC

Rys. 4. Schemat ideowy mechanizmu zmiany nastawy łopatek kierownicy;

ŁK – łopatka kierownicy, RŁKWZ – regulowane łopatki kierownicy wstępnego zawirowania

Powietrze zza sprężarki wysokiego ciśnienia przez blok oczyszczania i chłodzenia,

doprowadzane jest do przestrzeni roboczych siłownika. Wywierany na elementy siłownika

nacisk sprężonego powietrza powoduje przemieszczanie się tłoka sterującego, który

połączony jest z ruchomym pierścieniem, przemieszczającym się po obwodzie kadłuba

sprężarki. Pierścień za pomocą dźwigni połączony jest z łopatkami kierownic, które na

skutek przesuwania się pierścienia wykonują ruch obrotowy, zmieniając kąt spływu α 1 .

W bloku oczyszczania i chłodzenia powietrza znajdują się otwory technologiczne

zamknięte podczas pracy silnika, służące do okresowego oczyszczania wewnętrznych

kanałów przepływowych bloku. Przez te otwory podczas realizacji badań zmniejszano

wartość strumienia powietrza podawanego do siłownika, upuszczając je do atmosfery.

Skutkowało to zmianą kąta ustawienia łopatek α KW , a w konsekwencji tego zmianą

geometri kanału przepływowego.

Badania przeprowadzono dla obciążenia silnika 0,5 P nom , uwzględniając wpływ

warunków atmosferycznych. Dla tego obciążenia kąt ustawienia α KW regulowanych

łopatek przyjmuje wartość - 4 o . Podzas zmiany obciążenia w całym zakresie od biegu

jałowego do uzyskania mocy nominalnej silnika kąt ustawienia łopatek zmiania się

w zakresie -18 o ÷ + 18 o . Podczas badań dokonano pomiaru i rejestracji parametrów pracy

silnika, dla ustalonego obciążenia 0,5 P nom i zmiennych (poprzez upust) trzech ustawień

kątowych regulowanych łopatek: A –– α KW = - 4 o , B –– α KW = - 11 o , C –– α KW = - 18 o .

Tabela 1 przedstawia mierzone i rejestrowane parametry pracy silnika.

Tablica 1.

Parametry pracy silnika DR77 mierzone podczas badań

Oznaczenie

parametru

Zakres

pomiarowy

Opis parametru

0 ÷ 20000 [min -1 ] prędkość obrotowa wirnika niskiego ciśnienia

n SNC

0 ÷ 22000 [min -1 ] prędkość obrotowa wirnika wysokiego ciśnienia

n SWC

0 ÷ 10000 [min -1 ] prędkość obrotowa wirnika turbiny napędowej

n TN

p 1

podciśnienie powietrza na wlocie do sprężarki

-0,04 ÷ 0 [MPa]

p 21

ciśnienie powietrza za sprężarką niskiego ciśnienia

0 ÷ 0,6 [MPa]

p 2

0 ÷ 1,6 [MPa]

ciśnienie powietrza za sprężarką wysokiego ciśnienia

p p

ciśnienie paliwa przed wtryskiwaczami

0 ÷ 10,0 [MPa]

T 1

-203 ÷ 453 [K]

temperatura powietrza na wlocie do sprężarki

T 42

273 ÷ 1273 [K] średnia temperatura spalin przed turbiną napędową

3. WYNIKI BADAŃ

Wyniki przeprowadzonych badań przedstawia Rys. 5. Prezentowane są na nim

przebiegi tych parametrów, które najbardziej reagują na zmianę ustawienia regulowanych

łopatek. Zmiana ustawienia łopatek z położenia A do położenia C powoduje zwiększenie

oporów przepływu powietrza przez wieniec kierownicy. Następstwem tego jest

zmnieszenie podciśnienia p 1 na wlocie kierownicy wstępnego zawirowania. Skutkuje to

spadkiem ciśnienia w dalszej części kanału przepływowego sprężarki i silnika (Rys. 5bc).

Zmniejszona w ten sposób gęstości przepływającego przez sprężarkę powietrza, przy

niezmienionym strumieniu podawanego do komory spalania paliwa, powoduje

zwiększenie prędkości obrotowej wirników sprężarki. Najbardziej zauważalny jest wzrost

prędkości obrotowej sprężarki niskiego ciśnienia (Rys. 5a), powodowany bezpośrednim

odziaływaniem nieprawidłowo ustawionych łopatek regulowanej kierownicy na tą

sprężarkę. Występujące połączenie gazodynamiczne między sprężarkami niskiego

i wysokiego ciśnienia łagodzi przenoszone na sprężarkę wysokiego ciśnienia zakłócenia

pracy sprężarki niskiego ciśnienia. W związku z tym zakres zmian prędkości obrotowej

wirnika sprężarki wysokiego ciśnienia jest mniejszy. Dla przeprowadzonego

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: