МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2003 года по МПК F04D29/66 F02C7/47 

Изобретение относится к осевым компрессорам, а именно к их антиобледенительным системам, и находит наибольшее применение в газотурбинных двигателях.

Известен осевой компрессор [1].

Из известных многоступенчатых компрессоров наиболее близким к предложенному является многоступенчатый компрессор, содержащий входной обтекатель, входные полые стойки, поворотные лопатки, раздаточный коллектор, сообщенный с входными полыми стойками, питающий воздуховод, снабженный клапаном, причем вход питающего воздуховода сообщен с одной из ступеней компрессора, а выход - с раздаточным коллектором [2].

В указанной конструкции теплый воздух от одной из ступеней компрессора через питающий воздуховод и полые стойки поступает на обогрев поворотных лопаток и выбрасывается в воздушный тракт компрессора.

Недостатком этого технического решения является то, что за полыми стойками в воздушном тракте возникает мощный турбулентный след, аналогичный след присутствует за задними кромками поворотных лопаток, через которые вытекает обогревающий воздух. Оба турбулентных следа попадают во внутренний воздушный тракт компрессора, ухудшая его коэффициент полезного действия, газодинамическую устойчивость и вибропрочность. В целом это снижает экономичность компрессора и ухудшает его работоспособность при эксплуатации. Особенно это актуально для компрессоров авиационных ГТД, работающих при больших неравномерностях по давлению и температуре на входе.

Задачей изобретения является повышение экономичности компрессора с одновременным повышением его надежности путем повышения кпд, газодинамической устойчивости и вибропрочности его ступеней.

Указанная задача решается тем, что в известном многоступенчатом компрессоре, содержащем входной обтекатель, входные полые стойки, поворотные лопатки, раздаточный коллектор, сообщенный с входными полыми стойками, питающий воздуховод, снабженный клапаном, причем вход питающего воздуховода сообщен с одной из ступеней компрессора, а выход - с раздаточным коллектором, в полости входной стойки установлена радиальная перфорированная перегородка, разделяющая ее на выпускной и распределительный коллекторы, в боковых стенках выпускного коллектора выполнены выходные отверстия, вход распределительного коллектора сообщен с выходом раздаточного коллектора, а выходные кромки входных полых стоек подвижно соединены с входными кромками поворотных лопаток попарно и образуют входные направляющие аппараты, при этом обтекаемые поверхности каждой пары при флюгерном положении лопаток образуют единый аэродинамический профиль.

При этом отношение площадей выходных отверстий и отверстий в перегородке выполнено в диапазоне 5-15. Выходные отверстия направлены в сторону выхода компрессора, причем средние линии этих каналов образуют с продольной осью компрессора угол в интервале 15-60^o. Входной обтекатель может быть выполнен с двойными стенками, образующими полость, сообщенную с воздушным трактом компрессора и через жиклеры - с распределительным коллектором.

Наличие перфорированной радиальной перегородки, разделяющей полость входной стойки на выпускной и распределительный коллекторы, позволяет организовать две полости, различные по уровню давления воздуха в них: высокого давления в распределительном коллекторе и низкого - в выпускном коллекторе. Это приводит к тому, что воздух из полости высокого давления истекает в полость низкого давления с большой скоростью и, попадая на внутреннюю поверхность входных кромок входных стоек, обогревает их, что исключает обрастание их льдом на режимах обледенения.

Наличие на боковых стенках выпускного коллектора выходных отверстий, во-первых, позволяет эвакуировать воздух из выпускного коллектора в воздушный тракт, а во-вторых - организовать завесу теплого воздуха вдоль боковых поверхностей входных стоек, тем самым препятствуя нарастанию льда на них при наличии обледенения. Сообщение входа распределительного коллектора с выходом раздаточного коллектора позволяет подвести теплый воздух через питающий воздуховод с клапаном от одной из ступеней компрессора к обогревающим поверхностям входных стоек.

Подвижное соединение выходных кромок входных полых стоек с входными кромками поворотных лопаток попарно с образованием направляющего аппарата снимает турбулентный след за стойками, как на режимах обледенения, так и на режимах, когда оно отсутствует.

Это повышает кпд компрессора, его газодинамическую устойчивость и снижает вибронагрузки на ступени компрессора.

Образование обтекаемыми поверхностями каждой пары единого аэродинамического профиля при флюгерном положении поворотных лопаток обеспечивает гидравлически гладкие стенки обтекаемых поверхностей на номинальных и максимальных режимах эксплуатации компрессора, как на режимах обледенения, так и особенно на режимах при отсутствии его.

Это дополнительно повышает кпд компрессора с одновременным повышением его газодинамической устойчивости и запасов по вибропрочности.

Наличие завесного слоя теплого воздуха, выходящего из выходных отверстий, обеспечивает тепловую защиту от обмерзания льдом не только боковых поверхностей полых стоек, но и подвижного соединения и боковых поверхностей поворотных лопаток, что позволяет выполнить их аэродинамически чистыми с малыми радиусами скругления кормовых кромок.

Это еще в большей мере повышает кпд компрессора, его газодинамическую устойчивость и уменьшает вибронагрузку на ступени компрессора. На режимах эксплуатации компрессора с отсутствием обледенения, когда система антиобледенения выключена, направляющий аппарат обеспечивает минимальные потери давления и минимальную неравномерность по полям давлений и температур на входе в компрессор.

При соотношении площадей выходных отверстий и отверстий в перфорированной перегородке в диапазоне 5-15 скорость вытекания воздуха из отверстий повышается, и тем самым реализуется лучший обогрев входных кромок полых стоек.

Если выходные каналы направлены в сторону выхода компрессора под углом в диапазоне 15-60^o, то поток теплого воздуха, истекая из выходных отверстий, в меньшей мере перемешивается с основным воздушным потоком, что увеличивает протяженность теплового слоя вдоль обогреваемой поверхности и повышает кпд и газодинамическую устойчивость компрессора.

При подаче теплого воздуха из распределительного коллектора во входной обтекатель, выполненный с двойными стенками, улучшается обогрев входного обтекателя, что препятствует образованию льда на его внешней поверхности.

На фиг.1 дан продольный разрез многоступенчатого компрессора.

На фиг.2 представлена структурная схема антиобледенительной системы.

На фиг.3 дано поперечное сечение по направляющему аппарату.

Многоступенчатый компрессор содержит входной обтекатель 1, входные полые стойки 2, поворотные лопатки 3, раздаточный коллектор 4, сообщенный с входными полыми стойками 2, питающий воздуховод 5, снабженный клапаном 6, причем вход 7 питающего воздуховода 5 сообщен с одной из ступеней 8 компрессора, а выход 9 - с раздаточным коллектором 4. В полости 10 входной стойки 2 установлена перфорированная радиальная перегородка 11 с отверстиями 12, разделяющая ее на выпускной 13 и распределительный 14 коллекторы. В боковых стенках 15 выпускного коллектора 13 выполнены выходные отверстия 16, вход 17 распределительного коллектора 14 сообщен с выходом 18 раздаточного коллектора 4, а выходные кромки 19 входных полых стоек 2 подвижно соединены с входными кромками 20 поворотных лопаток 3 попарно и образуют входные направляющие аппараты 21, при этом обтекаемые поверхности 22 каждой пары при флюгерном положении 23 поворотных лопаток 3 образуют единый аэродинамический профиль 24.

Выходные отверстия 16 направлены в сторону выхода 25 компрессора, причем средние линии 26 этих отверстий образуют с продольной осью компрессора угол α = 15-60^o.

Входной обтекатель 1 может быть выполнен с двойными стенками 27 и 28, образующими полость 29, сообщенную с воздушным трактом 30 компрессора и через жиклеры 31 - с распределительным коллектором 14.

Многоступенчатый компрессор на режимах обледенения работает следующим образом.

По команде от сигнализатора обледенения срабатывает электроклапан, пропуская воздух командного давления к клапану 6, размещенному на питающем воздуховоде 5. По срабатывании клапана 6 воздух от ступени 8 компрессора поступает в раздаточный коллектор 4.

Через выход 18 раздаточного коллектора 4 и вход 17 распределительного коллектора 14 воздух поступает в распределительный коллектор 14. Из распределительного коллектора 14 через отверстия 12 в разделительной перегородке 11 воздух поступает в выпускной коллектор 13, обогревая входную кромку полой стойки 2. Из выпускного коллектора 13 воздух через выходные отверстия 16 истекает в воздушный тракт компрессора вдоль боковых стенок 15, выходных кромок 19 полых стоек 2 и входных кромок 20 поворотных лопаток 3 и вдоль самих поворотных лопаток 3. На всем протяжении протекания воздух обогревает эти поверхности.

При оснащении компрессора входным обтекателем 1 с двойными стенками 27 и 28 воздух дополнительно через жиклеры 31 поступает из распределительного коллектора 14 в полость 29 и далее в тракт.

Жиклеры 31 регулируют соотношение между расходами воздуха, поступающего в выпускной коллектор, и полостью входного обтекателя. На режимах, когда антиобледенительная система не работает, аэродинамика направляющих аппаратов соответствует аэродинамике, выполненной по классической схеме с минимальным уровнем возмущения воздушного потока. Это обеспечивает высокий кпд, газодинамическую устойчивость и надежность компрессора.

Источники информации
1. Патент США 3262636, НКИ 60-39.093, опубл. 1964 г.

2. Патент США 3123283, НКИ 60-39.093, опубл. 1964 г.

Компрессор предназначен для использования в газотурбинных двигателях, в их антиобледенительных системах. Компрессор содержит перфорированную радиальную перегородку. Последняя установлена в полости входной стойки. Радиальная перегородка разделяет полость входной стойки на выпускной и распределительный коллекторы. В боковых стенах выпускного коллектора выполнены выходные отверстия. Вход распределительного коллектора сообщен с выходом раздаточного коллектора. Выходные кромки входных полых стоек подвижно соединены с входными кромками поворотных лопаток попарно и образуют входные направляющие аппараты. Обтекаемые поверхности каждой пары при флюгерном положении поворотных лопаток образуют единый аэродинамический профиль. Отношение площадей выходных отверстий и отверстий в перегородке выполнено в диапазоне 5-15. Выходные отверстия направлены в сторону выхода компрессора. Средние линии каналов образуют с продольной осью компрессора угол 15-60^o. Входной обтекатель выполнен с двойными стенками. Последние образуют полость, сообщенную с воздушным трактом компрессора и через жиклеры - с распределительным коллектором. Обеспечивается повышение экономичности и надежности компрессора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоступенчатый компрессор, преимущественно ГДТ, содержащий входной обтекатель, входные полые стойки, поворотные лопатки, раздаточный коллектор, сообщенный с входными полыми стойками, питающий воздуховод, снабженный клапаном, причем вход питающего воздуховода сообщен с одной из ступеней компрессора, а выход - с раздаточным коллектором, отличающийся тем, что в полости входной стойки установлена перфорированная радиальная перегородка, разделяющая ее на выпускной и распределительный коллекторы, в боковых стенках выпускного коллектора выполнены выходные отверстия, вход распределительного коллектора сообщен с выходом раздаточного коллектора, а выходные кромки входных полых стоек подвижно соединены с входными кромками поворотных лопаток попарно и образуют входные направляющие аппараты, при этом обтекаемые поверхности каждой пары при флюгерном положении поворотных лопаток образуют единый аэродинамический профиль. 2. Многоступенчатый компрессор по п. 1, отличающийся тем, что отношение площадей выходных отверстий и отверстий в перегородке выполнено в диапазоне 5÷15. 3. Многоступенчатый компрессор по п. 1, отличающийся тем, что выходные отверстия выполнены в сторону выхода компрессора, причем средние линии этих каналов образуют с продольной осью компрессора угол в интервале 15÷60^o. 4. Многоступенчатый компрессор по п. 1, отличающийся тем, что входной обтекатель выполнен с двойными стенками, образующими полость, сообщенную с воздушным трактом компрессора и через жиклеры с распределительным коллектором.