204WIRKOWSKI-artykuł.pdf
(
365 KB
)
Pobierz
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
)
(
l
=
ω
⋅
r
⋅
c
−
c
=
u
⋅
∆
c
=
u
⋅
∆
w
(1)
st
2
u
1
u
u
u
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
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.
a)
b)
c)
d)
w
1
.
.
.
k
i=0
β
u
k
a
1
’
α
1
a
1
’’
w
1
”
w
1
c
1a
β
2
w
1
’
w
2
c
1a
’
c
1
β
1
u
w
1
β
2
c
1a
u
w
2
w
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.
2
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
3
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
KS
powietrze
SPALINY
S
N
C
T
N
C
TN
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
KS
blok
oczyszczania
i chłodzenia
RŁKWZ
SIŁOWNIK
STERUJĄCY
RUCHOMY
PIERŚCIEŃ
SWC
p
0
, T
0
, ε
0
ŁK
…
ŁK
z
ŁK
1
ŁK
2
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.
4
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
5
Plik z chomika:
djlysy
Inne pliki z tego folderu:
183szpytko-hyla-art.pdf
(428 KB)
182szpytko-gbyl-art.pdf
(387 KB)
185Szymanek-poprawiony-art.pdf
(277 KB)
186szymanowski-popr-art.pdf
(698 KB)
187Szymański, Sawczuk-art.pdf
(557 KB)
Inne foldery tego chomika:
ANALIZA STANU BHP
B H P - F I L M Y
BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY
BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY(1)
BHP
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin