WP YW ZMIAN K TA USTAWIENIA OPATEK KIEROWNICY WLOTOWEJ SPR ARKI OSIOWEJ NA PARAMETRY PRACY OKR TOWEGO TURBINOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 DIGNOSTY 3(43)/ WPYW ZMIN T USTWIENI OPTE IEROWNIY WLOTOWEJ SPRRI OSIOWEJ N PRMETRY PRY ORTOWEGO TURINOWEGO SILNI SPLINOWEGO Pawe WIROWSI kademia Marynarki Wojennej, Instytt onstrkcji i Eksploatacji Okrtów Gdynia, l. midowicza 69, tel , p.wirkowski@amw.gdynia.pl Streszczenie W artykle zaprezentowano analiz teoretyczn zagadnienia wpyw zmian stawienia reglowanych opatek kierownicy stopnia osiowego sprarki trbinowego silnika spalinowego na parametry pracy samej sprarki jak i caego silnika. Przedstawiono równie wyniki bada wasnych na obiekcie rzeczywistym. Wprowadzane zakócenia w prawidowym fnkcjonowani kad zmian nastawy reglowanych opatek kierownic miay swoje odzwierciedlenie w wartociach mierzonych parametrów. Sowa klczowe: silnik trbinowy, sprarka osiowa, reglowane opatki kierownicy. INFLUNE OF XIL OMPRESSOR INLET STTOR VNES NGLE SETTING ON MRINE GS TURINE ENGINE WOR PRMETERS Smmary This paper presents theoretical analysis of problem inflence of changes settings variable stator vanes axial compressor of gas trbine engine on work parameters of compressor and engine. Reslts of own researches on real engine are presented too. Incorrect operation of change setting system of variable vaness cased changes of measred parametres vales. eywords: gas trbine engine, axial compressor, variable stator vanes. Wykaz parametrów, skrótów i oznacze: - kt spyw strmienia powietrza z opatek wieca kierownicy, W - kt stawienia reglowanych opatek kierownic,, 2 - kty natarcia i spyw strmienia powietrza z opatek wirnika, c a - skadowa osiowa prdkoci bezwzgldnej strmienia, c 1a - skadowa osiowa prdkoci bezwzgldnej strmienia na wlocie wieca wirnika, c 1a obl - warto obliczeniowa skadowej osiowej prdkoci bezwzgldnej na wlocie wieca wirnika, S - sprawno efektywna sprarki, i - kt napyw strmienia powietrza na opatki wirnika, S - komora spalania, m - masowe natenie przepyw powietrza, n - prdko obrotowa wirnika sprarki, p pal - cinienie paliwa, P nom - moc nominalna silnika, S - spr sprarki, SN - sprarka niskiego cinienia, SW - sprarka wysokiego cinienia, TN - trbina niskiego cinienia, TW - trbina wysokiego cinienia, - prdko obwodowa,, - prdko wzgldna strmienia powietrza na wlocie i wylocie z wieca wirnika, w - wspóczynnik zawirowanie strmienia powietrza w wirnik, z - liczba opatek kierownicy wstpnego zawirowania. 1. WSTP Jeeli w konstrkcji sprarki silnika trbinowego wystpje kad zmiany stawienia reglowanych opatek kierownic, majcy za zadanie optymalne kojarzenie wspópracy wszystkich zespoów silnika trbinowego poprzez cig korekt charakterystyki sprarki, to wystpjce zakócenia w pracy tego kad bd powodoway zmiany zakres pracy sprarki i silnika o charakterze podobnym jaki powodj zmiany prdkoci obrotowej wirnika czy te zanieczyszczone kanay midzyopatkowe sprarki. Na rys. 1 przedstawiono ogóln charakterystyk sprarki osiowej silnika trbinowego wzgldniajc zmian kta stawienia nastawnych opatek kierownic.

2 42 DIGNOSTY 3(43)/2007 S 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Rys. 1. harakterystyka sprarki osiowej wyposaonej w nastawne opatki kierownic; n 1, n 2 prdko obrotowa wirnika sprarki, W kt stawienia nastawnych opatek kierownic; - wzgldny spr sprarki, S m - wzgldne masowe natenie przepyw powietrza 2. EL D W = - 10 o W = + 10 o W = 0 o n 1 = const n 2 = const m m Wielom. W = (Serie7) - 10 o Wielom. W = (Serie8) 0 o Wielom. (Serie9) W = + 10 o Praca jednostkowa stopnia sprarki na danym promieni definiowana z wykorzystaniem równania moment iloci rch ma posta: l st = r(c 2 c 1 ) = c = w (1) gdzie: prdko ktowa wirnika, prdko obwodowa, r promie wirnika, c 1, c 2 skadowe obwodowe prdkoci bezwzgldnej strmienia przed i za wiecem wirnika na promieni r, c, w wspóczynnik zawirowania strmienia. Praca ta jest staa na caej wysokoci opatki wirnika a sma tych prac jest prac jednostkowa stopnia [2]. Wprowadzenie zmiany stawienia ktowego opatek kierownicy przy trzymani staej prdkoci obrotowej (stae ) powodje zmian kta natarcia (rys. 2). Sktkje to zmian skadowej osiowej prdkoci bezwzgldnej c 1a a wic zmian natenia przepyw strmienia powietrza m oraz zmian wspóczynnika zawirowania powietrza w. Wpywa to na sprawno i prac stopnia. elem bada byo okrelenie wpyw nieprawidowego fnkcjonowania kad sterjcego nastawnymi opatkami kierownicy wstpnego zawirowania sprarki osiowej silnika trbinowego na parametry pracy sprarki i silnika. harakterystyka sprarki bdca zalenoci spr S i sprawno efektywnej * S sprarki od strmienia masy przepywajcego przez ni powietrza m i prdkoci obrotowej n, moliwia okrelenie najdogodniejszych warnków wspópracy sprarki z innymi podzespoami silnika. Sy ona doborowi optymalnych warnków reglacji przepyw powietrza i oceny wpyw czynników eksploatacyjnych na parametry sprarki. Powstawanie zjawiska pracy niestatecznej przedstawia rys. 2. Zaprezentowano na nim schemat opyw opatki wirnika stopnia osiowego bdcego w rch ze sta prdkoci obrotow n, dla którego dokonywana jest zmiana natenia przepyw powietrza m. Rys. 2a przedstawia schemat opyw w warnkach, dla których natenie przepyw powietrza odpowiada optymalnej sprawnoci stopnia. Wektory prdkoci wzgldnej i maj wówczas kiernek równolegy do linii szkieletowej profil opatki, co sprzyja niezakóconem przepywowi strmienia w kanaach midzyopatkowych. Zmniejszenie natenia przepyw powietrza (rys. 2b) w porównani do warnków obliczeniowych, przy trzymani staej prdkoci obwodowej, powodje zmniejszenie skadowej osiowej prdkoci bezwzgldnej c 1a, co sktkje zwikszeniem kta napyw i strmienia na opatki wirnika. Sprzyja to odrywani si warstwy przyciennej na wypkych (grzbietowych) powierzchniach opatek i powstawani obszarów wirowych, w których nastpje lokalne obnienie cinienia statycznego. Zjawisko o podobnym charakterze wystpje na wklsej powierzchni opatki (rys. 2c), gdy natenie przepyw powietrza lega zwikszeni przy zachowani staej prdkoci obwodowej. Przy krytycznych wartociach któw napyw i przez powstae obszary wirowe moe nastpi cofnicie strmienia powietrza w kiernk wlot sprarki zwane pompaem, powodjce gwatowne plsacje strmienia przenoszone na konstrkcj silnika w postaci drga. Jest to zjawisko niepodane i niebezpieczne ze wzgld na przecienia cieplne i mechaniczne konstrkcji silnika [2]. W zwizk z powyej opisanym zjawiskiem sprarka powinna by tak reglowana, aby w zakresie eksploatacyjnych prdkoci obrotowych linia wspópracy sprarki z sieci przebiegaa z pewnym zapasem pracy statecznej. Gówn zasad reglacji sprarek podczas zmiany jej prdkoci obrotowej lb natenia przepyw, jest trzymywanie wartoci któw napyw strmienia i zblionych do zera. Jednym ze stosowanych sposobów reglacji sprarek osiowych jest zmiana geometrii jej kana przepywowego poprzez zastosowanie reglowanej kierownicy wlotowej lb reglowanych kierownic kilk pierwszych stopni sprania [2].

3 DIGNOSTY 3(43)/ a) b) c) i=0 i>0 i< w 2 c 1a =c 1a obl w 2 c 1a <c 1a obl 2 c 1a>c 1a obl Rys. 2. Schemat opyw opatek wieca wirnikowego stopnia osiowego sprarki przy staej prdkoci obrotowej wirnika i zmiennych ktach napyw strmienia powietrza; a) obliczeniowy kt napyw, b) dodatni kt napyw, c) jemny kt napyw w Takie rozwizanie moliwia dokonanie jednoczesnych zmian kta napyw strmienia na opatki wieców wirnikowych stopni poprzez zmian któw stawienia opatek kierownic w trakcie zmian prdkoci obrotowej sprarki. Rys. 3 przedstawia istot reglacji opatek nastawnych kierownic na przykadzie jednego stopnia sprania. Dla rednich wartoci eksploatacyjnego zakres prdkoci obrotowej wirnika sprarki odpowiada sytacja na rys. 3b, dla której przyporzdkowane s kiernki i wartoci prdkoci z indeksem 1. Wystpje wówczas porednie stawienie ktowe opatek wieca kierownicy, dla którego kt napyw strmienia na opatki wirnika nie powodje zabrze w przepywie tego strmienia przez kanay midzyopatkowe. W przypadk realizacji mniejszych wartoci prdkoci obrotowej sprarki, a wic wystpowania mniejszej wartoci skadowej osiowej prdkoci bezwzgldnej c 1a, istnieje konieczno zmniejszenia kta spyw strmienia a 1 z reglowanych opatek wieca kierownicy (rys. 3a) w takim zakresie, aby trzyma tak sam warto kta napyw strmienia na opatki wirnika. nalogiczna sytacja ma miejsce podczas pracy sprarki z wikszymi prdkociami obrotowymi wirnika, dla których wzrasta warto skadowej osiowej prdkoci bezwzgldnej c 1a. Wówczas w cel trzymania statecznej pracy sprarki, a wic staej wartoci kta napyw strmienia na opatki wirnika, naley zwikszy kt spyw strmienia z opatek kierownicy rys. 3c. a) b) c). a 1 c1a Rys. 3. Istota reglacji stopnia osiowego sprarki za pomoc zmiany kta stawienia opatek wieców kierownic przy zmieniajcej si prdkoci przepyw strmienia: a) zmniejszona prdko osiowa, b) obliczeniowa prdko osiowa, c) zwikszona prdko osiowa; k wieniec reglowanych opatek kierownic, w wieniec opatek wirnika Zastosowanie w danej formie konstrkcyjnej silnika trbinowego kad reglacji geometrii kanaów przepywowych wywiera znaczcy wpyw na przebieg procesów niestalonych [3].. a 1 c 1a c 1a. k w

4 44 DIGNOSTY 3(43)/2007 Rys. 4. Schemat ideowy okrtowego trbinowego silnika spalinowego z oddzieln nawrotn trbin napdow; TN trbina napdowa, MN przestrze midzy TN a TN, TN trbina niskiego cinienia, TW trbina wysokiego cinienia, S komora spalania, m pal strmie masowy paliwa, PS przestrze midzy S a SW, SW sprarka wysokiego cinienia, SN sprarka niskiego cinienia, PM przestrze midzy sprarkami [4] 3. OIET D adania wpyw sposob reglacji silnika trbinowego na parametry jego pracy prowadzone byy na silnik typ DR 77, który wchodzi w skad kad napdowego okrt rakietowego. Jest to silnik trójwirnikowy ze zwrotn komor spalania typ piercieniowo rrowego oraz nawrotn trbina napdow. Na rys. 4 przedstawiono schemat ideowy silnika z zaznaczonymi przekrojami kontrolnymi czci przepywowej oraz mierzonymi parametrami. W kadzie konstrkcyjnym sprarki rozpatrywanego silnika zastosowany jest wieniec opatek kierownicy wlotowej, które maj moliwo zmiany stawienia kta natarcia (zmian geometri kana przepywowego sprarki) w zalenoci od obcienia silnika. Procesem tym sterje kad reglacji, którego medim roboczym jest sprone powietrze zyskiwane w sposób cigy zza sprarki wysokiego cinienia. Elementy kad reglacji nastawnych opatek zostay przedstawione na rys. 5. Schemat przepyw sygna sterjcego przedstawia rys. 6. Powietrze zza sprarki wysokiego cinienia przez blok oczyszczania i chodzenia, doprowadzane jest do przestrzeni roboczych siownika. Wywierany na elementy siownika nacisk spronego powietrza powodje przemieszczanie si toka sterjcego, który poczony jest z rchomym piercieniem, przemieszczajcym si po obwodzie kadba sprarki. Piercie za pomoc dwigni poczony jest z opatkami kierownic, które na sktek przeswania si piercienia wykonj rch obrotowy, zmieniajc tym samym kt spyw Rys. 5. Elementy kad reglacji nastawnych opatek silnika typ DR 77: 1 piercie rchomy, 2 opatka kierownicy, 3 blok chodzenia i oczyszczania, 4 cigno, 5 siownik sterjcy W blok oczyszczania i chodzenia powietrza znajdj si otwory technologiczne zamknite podczas pracy silnika, sce do okresowego oczyszczania wewntrznych kanaów 4 5

5 DIGNOSTY 3(43)/ przepywowych blok. Przez te otwory podczas realizacji bada zmniejszano warto strmienia powietrza podawanego do siownika, pszczajc je do atmosfery. Sktkowao to zmian kta stawienia opatek W, a w konsekwencji tego zmian geometri kana przepywowego. S SW SN LO OZYSZZ- NI I HO- DZENI POWIETRZ UPUST POWIETRZ SIOWNI STERUJY RUHOMY PIERIE Rys. 6. Schemat ideowy mechanizm zmiany nastawy opatek kierownicy: S komora spalania, SW sprarka wysokiego cinienia, opatka kierownicy adania przeprowadzono dla obcienia silnika 0,5P nom, wzgldniajc wpyw warnków atmosferycznych. Dla tego obcienia kt stawienia W reglowanych opatek przyjmje warto - 4 o. Podzas zmiany obcienia w caym zakresie od bieg jaowego do zyskania mocy nominalnej silnika kt stawienia opatek zmiania si w zakresie od -18 o do + 18 o. Podczas bada dokonano pomiar i rejestracji parametrów pracy silnika, przedstawionych w tab. 1, dla stalonego obcienia 0,5P nom i zmiennych (poprzez pst) trzech stawie ktowych reglowanych opatek: W = - 4 o, W = - 11 o, W = - 18 o. Tab. 1. Zakresy pomiarowe parametrów pracy silnika typ DR77 mierzonych podczas bada 1 2 z Oznaczenie parametr Zakres Opis parametr pomiarowy prdko obrotowa wirnika niskiego cinienia prdko obrotowa wirnika wysokiego cinienia prdko obrotowa wirnika n TN [min -1 ] trbiny napdowej -0,04 0 podcinienie powietrza na p 1 [MPa] wlocie do sprarki 0 0,6 cinienie powietrza za sprark p 21 [MPa] niskiego cinienia 0,6 cinienie powietrza za sprark p 2 [MPa] wysokiego cinienia 0 0,0 cinienie paliwa przed p p [MPa] wtryskiwaczami temperatra powietrza na wlocie T 1 do sprarki n SN [min -1 ] n SW [min -1 ] T rednia temperatra spalin przed trbin napdow Zmiennym stawieniom ktowym odpowiadaj róne wartoci strmienia pszczanego powietrza m, m, m, o najmniejszej wartoci w przypadk i najwikszej w przypadk. 4. WYNII D Wyniki przeprowadzonych bada w postaci relacji pomidzy wartociami mierzonych parametrów a rozpatrywanymi stawieniami ktowymi opatek reglowanej kierownicy wlotowej przedstawia rys. 7.

6 46 DIGNOSTY 3(43)/2007 a) n SN [obr/min] b) n SW [obr/min] c) p 1 [bar] prdko obrotowa wirnika niskiego cinienia stawienie ktowe opatek W prdko obrotowa wirnika wysokiego cinienia ,0080 0,0078 0,0076 0,0074 0,0072 0,0070 stawienie ktowe opatek W podcinienie powietrza na wlocie do sprarki stawienie ktowe opatek W d) p 21 [bar] e) p 2 [bar] f) T 42 [o] _ 3,00 2,98 2,96 2,94 2,92 2,90 8,50 8,00 7, cinienie powietrza za sprark niskiego cinienia stawienie ktowe opatek W cinienie powietrza za sprark wysokiego cinienia stawienie ktowe opatek W temperetra spalin przed trbin napdow stawienie ktowe opatek W Rys. 7. Zmiana parametrów pracy silnika DR77 w fnkcji kta stawienia reglowanych opatek kierownicy wlotowej: - W = - 4 o, - W = - 11 o, - W = - 18 o Prezentowane s na nim przebiegi tych parametrów, które najbardziej reagj na zmian stawienia reglowanych opatek. Zmiana stawienia opatek z pooenia do pooenia powodje zwikszenie oporów przepyw powietrza przez wieniec kierownicy. Nastpstwem tego jest zmnieszenie podcinienia p 1 na wlocie kierownicy wstpnego zawirowania (rys. 7c ). Sktkje to spadkiem cinienia w dalszej czci kana przepywowego sprarki i silnika (rys. 7de). Zmiana stawienia opatek powodje równie zwikszenie prdkoci obrotowej wirników sprarki. Najbardziej zawaalny jest wzrost prdkoci obrotowej sprarki niskiego cinienia (rys. 7a), powodowany bezporednim odziaywaniem nieprawidowo stawionych opatek reglowanej kierownicy na t sprark. Zakres zmian tego parametr wynosi ponad 2% wartoci prdkoci obrotowej dla niezakóconego stawienia ktowego opatek. Wystpjce poczenie gazodynamiczne midzy sprarkami niskiego i wysokiego cinienia agodzi przenoszone na sprark wysokiego cinienia zakócenia pracy sprarki niskiego cinienia. W zwizk z tym zakres zmian prdkoci obrotowej wirnika SW jest mniejszy. Dla przeprowadzonego dowiadczenia wynosi on poniej 1% i znajdje si w zakresie bd pomiarowego czjnika. Zmiany podcinienia powietrza wynosz ponad 5% niezakóconej wartoci tego parametr. Natomiast zmiany cinienia powietrza za sprark

7 DIGNOSTY 3(43)/ niskiego i wysokiego cinienia wynosz odpowiednio ponad 1,3% i ponad 2,4% wartoci odpowiadajcej niezakóconem stawieni ktowem W = - 4 o. W dowiadczeni zawaona zostaa równie zmiana wartoci temperatry spalin na sktek zmiany stawienia katowego opatek, pomimo e zakres tych zmian, wynoszcy poniej 1%, znajdje si w zakresie bd pomiarowego czjnika. Zmian parametrów pracy sprarki niskiego cinienia badanego silnika powodowan zmian ktowego stawienia opatek kierownicy wlotowej przedstawia równie rys. 8. Widoczna jest na nim zmiana wartoci spr sprarki oraz masowego natenia przepywajcego przez sprark powietrza wystpjca na sktek wprowadzanych zmian stawienia reglowanych opatek kierownicy wlotowej. [-] spr sprarki 3,3 3,2 3,1 3 2,9 2,8 W = - 18 o 2,7 n n n 2, Rys. 8. harakterystyka sprarki niskiego cinienia silnika DR dla zmiennych stawie ktowych opatek kierownicy wlotowej; W kt stawienia nastawnych opatek kierownic; - W = - 4 o, - W = - 11 o, - W = - 18 o ; n, n, n, prdko obrotowa wirnika SN Przedstawione wyniki bada mog by wykorzystane w diagnozowani kadów sterowania silnika, wspomagajc istniejcy od 1986 rok i stale modernizowany system diagnozowania okrtowych trbinowych silników spalinowych. 5. WNIOSI W = -11 o W = - 4 o masowe natenie przepyw powietrza Na podstawie przeprowadzonych rozwaa teoretycznych i bada eksperymentalnych mona wnioskowa, e nieprawidowe fnkcjonowanie kad reglacji nastawnych opatek kierownicy wlotowej lb kierownic pierwszych stopni sprarki silnika trbinowego wywiera, w mniejszym lb wikszym stopni, negatywny wpyw na prac sprarki i osigi caego silnika. m [kg/s] Wielowirnikowo silnika trbinowego zmniejsza sktki wadliwego stawienia reglowanych opatek. W zwizk z tym sprarki silników trójwirnikowych nie wymagaj nastawnych opatek kierownic tyl stopni, co sprarka silnika dwwirnikowego o takich samych osigach. Dotychczasowe wstpne badania potwierdzaj konieczno prowadzenia kontroli prawidowego fnkcjonowania kadów sterowania nastawnych opatek kierownic. Podyktowane jest to midzy innymi eliminacj tego czynnika z szereg innych wiadczcych o stanie technicznym silnika, identyfikowanych podczas bada diagnostycznych. LITERTUR [1] harchalis.: Diagnozowanie okrtowych silników trbinowych. Wyd. MW Gdynia 1991 [2] Dygado Z.: Napdy Lotnicze. Zespoy wirnikowe silników trbinowych, Wydawnictwa omnikacji i cznoci, Warszawa [3] orczewski Z.: Identyfikacja procesów gazodynamicznych w zespole sprarkowym okrtowego trbinowego silnika spalinowego dla potrzeb diagnostyki. MW, Rozprawa habilitacyjna, Gdynia [4] orczewski Z.: Wirkowski, P., Modelling gasodynamic processes within trbine engines compressors eqipped with variable geometry of flow dct. IV International Scientifically- Technical onference Explo-Diesel & Gas Trbine 05, Gdask-Midzyzdroje-openhaga, Wyd. Politechnika Gdaska, str , Gdask [5] Marschal D. J., Mir D. E., Saravanamttoo H. I. H.: Health Monitoring of Variable Geometry Gas Trbines for the anadian Navy. The merican Society of Mechanical Engineers 345 E, 47 St., New York, N.Y Mgr in. Pawe WIROWSI kierownik Laboratorim Eksploatacji Siowni Okrtowych kademii Marynarki Wojennej. bsolwent Wydzia Mechaniczno Elektrycznego MW. Po odbyci sta w dywizjonie okrtów rakietowych 000 rok rozpocz prac w Instytcie onstrkcji i Napdów Okrtowych MW (obecnie Instytt onstrkcji i Eksploatacji Okrtów). Gównym obszarem zainteresowania jest diagnostyka okrtowych silników trbinowych oraz modelowanie procesów gazodynamicznych w silnikach trbinowych. zonek Polskiego Towarzystwa Diagnostyki Technicznej oraz Polskiego Towarzystwa Nakowego Silników Spalinowych.