НАДРОТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2003 года по МПК F04D27/02 F04D29/66 

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано во входных ступенях осевых компрессоров турбомашин, преимущественно для энергоустановок и газоперекачивающих станций.

Известна ступень осевого компрессора, содержащая направляющие и роторные лопатки, размещенные с зазором в корпусе, имеющем кольцевую замкнутую полость, ограниченную со стороны проточной части ступени статорным кольцом с щелями, расположенными наклонно к радиусу корпуса по направлению вращения роторных лопаток и сообщающими кольцевую полость с проточной частью. Каждая щель имеет форму дуги с закругленными краями, а в плоскости, перпендикулярной радиусу статорного кольца, углы, образованные продольной осью ступени осевого компрессора и касательные к средней линии щели в точках пересечения линии с диаметральными сечениями кольца на противоположных концах щели, соответственно равны углам установки лопаток предыдущего направляющего аппарата и роторных лопаток [1].

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей повышения кпд компрессора и снижения аэродинамического шума при сохранении диапазона устойчивой работы входных ступеней осевых турбомашин наземных энергоустановок, например диагональной ступени компрессора низкого давления, расположенной первой по потоку на входе в компрессор. Это объясняется потерями давления высокотурбулентного рециркулирующего течения потока воздуха через полость вне тракта на вход роторных лопаток, интенсивными низкочастотными пульсациями полного давления на частоте прохождения роторных лопаток.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является ступень турбомашины, содержащая кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и лопаточный венец ротора, между периферийными торцами лопаток которого имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены кольцевые ряды наклонных к образующей отверстий, сообщающих проточный тракт с полостью вне тракта. В известной ступени турбомашины трактовая стенка перфорирована круглыми отверстиями, которые выполнены двумя поясами, причем отверстиями, расположенными перед входными кромками лопаток, образован передний пояс, и оси указанных отверстий направлены внутрь газовоздушного тракта в сторону передних кромок лопаточного венца под углом к образующей трактовой стенки в диаметральной плоскости и в окружном направлении под углом, равным углу потока в абсолютном движении в сечении на входе лопатки. Задний пояс отверстий расположен от входной кромки до точки горла межлопаточного канала по спинке профиля, причем оси отверстий заднего пояса направлены из газовоздушного тракта внутрь внетрактовой полости под углом к образующей трактовой стенки в диаметральной плоскости и в окружном направлении под углом потока в абсолютном движении в сечении горла межлопаточного канала. Осевая протяженность внетрактовой полости выполнена не менее суммарной ширины переднего и заднего поясов перфорации, а высота внетрактовой полости выполнена обеспечивающей проходную кольцевую площадь не менее суммарной площади всех отверстий заднего пояса перфорации [2].

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является неполное использование возможностей повышения кпд компрессора и снижения аэродинамического шума при сохранении диапазона его устойчивой работы. Это объясняется тем, что из-за интенсивных перетеканий воздуха из межлопаточных каналов сквозь ряды наклонных к образующей отверстий заднего пояса в трактовой стенке, полость вне тракта и далее сквозь перфорированные отверстия переднего пояса в проточный тракт на вход роторных лопаток реализуется течение с высокотурбулентным потоком и с интенсивными низкочастотными пульсациями полного давления, а также с отдельными дискретными гармониками, соответствующими частоте прохождения роторных лопаток. Из-за потерь давления рециркулирующего течения потока воздуха и интенсивных пульсаций давления кпд компрессора уменьшается при увеличении запаса газодинамической устойчивости, при этом в роторных лопатках возбуждаются повышенные вибронапряжения, снижающие ресурс лопаток. Кроме того, в известной ступени турбомашины не реализуются возможности дополнительного уменьшения аэродинамического шума из-за сложности настройки рециркулирующих потоков воздуха на частоте прохождения роторных лопаток.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении аэродинамического шума, в повышении кпд компрессора турбомашины при сохранении запаса газодинамической устойчивости, в повышении ресурса роторных лопаток путем исключения рециркулирующих течений из полости вне тракта на вход роторных лопаток, уменьшения неравномерности потока текучей среды: пульсаций и амплитуд импульсов потока в пограничных с трактовой стенкой слоях и снижения вибронапряжений в лопатках.

Сущность технического решения заключается в том, что в надроторном устройстве турбомашины, содержащем кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и лопаточный венец ротора, между периферийными торцами лопаток которого имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены наклонные к образующей отверстия, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта, согласно изобретению отверстия в трактовой стенке выполнены в виде кольцевого ряда щелевых каналов, ориентированных в проекции на ось вращения ротора вдоль хорд на периферии роторных лопаток, края щелевых каналов, расположенные выше по потоку, совпадают с входными кромками роторных лопаток, а выше по потоку от входных кромок роторных лопаток трактовая стенка выполнена сплошной, при этом вдоль оси вращения ротора протяженность полости вне тракта равна по меньшей мере осевому расстоянию между входными и выходными кромками на периферии роторных лопаток, а объем щелевых каналов составляет 0,08... 0,25 объема полости вне тракта. Длина каждого из щелевых каналов не превышает ширины горла межлопаточных каналов на периферии роторных лопаток. Ширина каждого из щелевых каналов превышает максимальную толщину периферийных торцов роторных лопаток. Внетрактовая полость ниже по потоку от ряда щелевых каналов содержит тупиковую кольцевую полость. Поверхность кольцевой трактовой стенки над роторными лопатками выполнена конически расширяющейся по потоку.

Выполнение отверстий в трактовой стенке в виде кольцевого ряда щелевых каналов, ориентированных в проекции на ось вращения ротора вдоль хорд на периферии роторных лопаток, а краев щелевых каналов - совпадающими с входными кромками роторных лопаток, позволяет проводить "слив" пограничного с трактовой стенкой слоя и отбор вращающихся вихрей вдоль линий равных уровней статического давления в межлопаточных каналах над периферийной частью роторной ступени. Это позволяет пассивно управлять турбулентностью в пограничном с трактовой стенкой слое воздушного потока и снижает потери давления в межлопаточных каналах роторной ступени.

Выполнение трактовой стенки выше по потоку от входных кромок роторных лопаток сплошной исключает рециркуляцию высокотурбулентных вихрей из полости вне тракта на вход роторных лопаток. При этом внетрактовая полость из проточной (рециркулируемой) превращается в резонаторную камеру Гельмгольца (H. Heimhoitz), а кпд ступени и компрессора повышается за счет исключения рециркуляционных потерь давления сжатого в ступени компрессора воздуха. Газодинамическая устойчивость ступени и компрессора при этом сохраняется и обеспечивается за счет синхронизации волнового сжатия воздуха в поперечном сечении воздушного тракта на соответствующей частоте прохождения роторных лопаток.

Выполнение полости вне тракта вдоль оси вращения ротора протяженностью, равной по меньшей мере осевому расстоянию между входными и выходными кромками на периферии роторных лопаток, а объема щелевых каналов, составляющего 0,08. ..0,25 объема полости вне тракта, обеспечивает требуемый запас газодинамической устойчивости на заданных режимах работы турбомашины при максимальных значениях кпд ступени компрессора за счет уменьшения турбулизации вращающихся вихрей вдоль трактовой стенки в межлопаточных каналах ротора. Это снижает потери давления за счет синхронизации волнового перемещения сжатого роторными лопатками воздуха в поперечном сечении тракта по отношению к скорости волн, зависящей от частоты вращающегося срыва над первой по потоку ступенью роторных лопаток.

Выполнение длины каждого из щелевых каналов в проекции на ось вращения ротора, не превышающей ширины горла межлопаточных каналов на периферии роторных лопаток, дополнительно уменьшает неравномерность потока текучей среды: пульсаций и амплитуд импульсов потока в пограничных с трактовой стенкой слоях и снижает вибронапряжения в роторных лопатках.

Выполнение ширины каждого из щелевых каналов превышающей максимальную толщину периферийных торцов роторных лопаток обеспечивает более точную настройку внетрактовой полости в зависимости от частоты вращающегося срыва над первой по потоку ступенью роторных лопаток за счет пассивного демпфирования вращающихся вихрей, снижения пульсаций и амплитуд потока в пограничных с трактовой стенкой слоях, что расширяет границы газодинамической устойчивости компрессора, а также снижает уровень аэродинамического шума.

Выполнение внетрактовой полости ниже по потоку от ряда щелевых каналов с тупиковой кольцевой щелью упрощает настройку полости вне тракта на соответствующей частоте прохождения роторных лопаток и обеспечивает требуемый тембр аэродинамического шума.

Выполнение поверхности кольцевой трактовой стенки над роторными лопатками конически расширяющейся по потоку дополнительно уменьшает потери давления от вращающихся вихрей, демпфируемых во внетрактовой полости и возвращаемых в межлопаточные каналы за спинками профиля роторных лопаток, а также снижает уровень шума компрессора.

На фиг.1 изображено надроторное устройство турбомашины; на фиг.2 - элемент I на фиг.1. на фиг.3 - вид на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.

Надроторное устройство турбомашины содержит кольцевую трактовую стенку 1 с полостью вне тракта 2 и лопаточный венец ротора 3, между периферийными торцами 4 лопаток 5 которого имеется радиальный зазор α. В трактовой стенке 1 выполнены наклонные к образующей отверстия 6, сообщающие проточный тракт 7 с полостью вне тракта 2, см. фиг.2-4. Полость вне тракта 2 образована корпусом 8 компрессора низкого давления и кольцевой трактовой стенкой 1. Отверстия 6 в трактовой стенке 1 выполнены в виде кольцевого ряда щелевых каналов 9, ориентированных в проекции на ось вращения 10 ротора 3 вдоль хорд 11 на периферии роторных лопаток 5 (фиг.3). Края 12 щелевых каналов 9, расположенные выше по потоку 13, совпадают с входными кромками 14 роторных лопаток 5, а выше по потоку 13 от входных кромок 14 роторных лопаток 5 трактовая стенка 1 выполнена сплошной, т.е. без отверстий (фиг.2). Вдоль оси вращения 10 ротора 3 протяженность L полости вне тракта 2 равна по меньшей мере осевому расстоянию К между входными кромками 14 и выходными кромками 15 на периферии роторных лопаток 5, а К1 - хорда 11 на периферии роторных лопаток 5 в проекции на ось вращения 10 ротора 3. Объем щелевых каналов 9 составляет 0,08. ..0,25 объема полости вне тракта 2. Длина Т каждого из щелевых каналов 9 не превышает ширины горла Г межлопаточных каналов М на периферии 4 роторных лопаток 5, а Т1 - осевое расстояние между краями каждого из щелевых каналов 9 (фиг. 3). Ширина Щ каждого из щелевых каналов 9 превышает максимальную толщину Z периферийных торцов 4 роторных лопаток 5 (фиг.4). Внетрактовая полость 2 ниже по потоку 13 от ряда щелевых каналов 9 содержит тупиковую кольцевую щель Н (фиг.2). Поверхность кольцевой трактовой стенки 1 над роторными лопатками 5 выполнена конически расширяющейся по потоку 13 под углом γ (фиг.2). Кроме того, поз.16 - окружная составляющая потока воздуха на входе в полость вне тракта 2 (фиг.4).

Надроторное устройство работает следующим образом. Пульсации давления в проточном тракте 7 вниз по потоку 13 от роторных лопаток 5 имеют вид сложных колебаний, спектр частот которых состоит из сплошной части и отдельных составляющих в виде лопаточной частоты, модулированной частотой вращающегося срыва. Вращающийся вихрь над периферийными кромками 4 роторных лопаток 5 вытесняется в направлении поз.16 в полость вне тракта 2 вдоль хорд 11 роторных лопаток 5. При этом втекание, вытекание и демпфирование вращающегося вихря вовне трактовой полости 2, а также слив пограничного с трактовой стенкой 1 слоя происходит вдоль линий равных уровней статического давления в межлопаточных каналах М над периферийной частью 4 роторных лопаток 5, вдоль которых ориентированы щелевые каналы 9. Вращающийся вихрь при движении вдоль щелевых каналов 9 создает низкоинтенсивную турбулентность, а при обратных токах из внетрактовой полости 2, настроенной резонатором камеры Гельмгольца, устраняет возникновение интенсивных дискретных гармоник на частоте вращающегося срыва над первой по потоку ступенью роторных лопаток 5. При этом "запирания", т. е. уменьшения расхода воздуха, предшествующего помпажу, не происходит, потери давления в резонаторной полости вне тракта 2 меньше потерь давления по сравнению с внетрактовой полостью с рециркуляцией потоков, снижаются пульсации и амплитуды импульсов потоков в пограничных с трактовой стенкой 1 слоях потока 13. Надроторное устройство турбомашины позволяет существенно (от 1,5 до 3%) повысить кпд ступени при сохранении запасов газодинамической устойчивости, снизить вибронапряжения в роторных лопатках и аэродинамический шум.

Источники информации
1. RU, патент 2066402, МКИ F 04 D 19/00, 1993 г.

2. RU, патент 2148732, МКИ F 04 D 29/66, 1998 г. - прототип.

Надроторное устройство турбомашины, относящееся к входным ступеням осевых компрессоров преимущественно для энергоустановок и газоперекачивающих станций, содержит кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и лопаточный венец ротора. Между периферийными концами лопаток лопаточного венца имеется радиальный зазор. В трактовой стенке выполнены наклонные к образующей отверстия, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта. Отверстия в трактовой стенке выполнены в виде кольцевого ряда кольцевых каналов, ориентированных в проекции на ось вращения ротора вдоль хорд на периферии роторных лопаток. Края щелевых каналов, расположенные выше по потоку, совпадают с входными кромками роторных лопаток. Выше по потоку от входных кромок роторных лопаток трактовая стенка выполнена сплошной. Вдоль оси вращения ротора протяженность полости вне тракта равна по меньшей мере осевому расстоянию между входными и выходными кромками на периферии роторных лопаток, а объем щелевых каналов составляет 0,08...0,25 объема полости вне тракта. Изобретение позволяет снизить аэродинамический шум и повысить кпд компрессора турбомашины при сохранении запаса газодинамической устойчивости. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Надроторное устройство турбомашины, содержащее кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и лопаточный венец ротора, между периферийными концами лопаток которого имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены наклонные к образующей отверстия, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта, отличающееся тем, что отверстия в трактовой стенке выполнены в виде кольцевого ряда щелевых каналов, ориентированных в проекции на ось вращения ротора вдоль хорд на периферии роторных лопаток, края щелевых каналов, расположенные выше по потоку, совпадают с входными кромками роторных лопаток, а выше по потоку от входных кромок роторных лопаток трактовая стенка выполнена сплошной, при этом вдоль оси вращения ротора протяженность полости вне тракта равна по меньшей мере осевому расстоянию между входными и выходными кромками на периферии роторных лопаток, а объем щелевых каналов составляет 0,08...0,25 объема полости вне тракта. 2. Надроторное устройство турбомашины по п.1, отличающееся тем, что длина каждого их щелевых каналов не превышает ширины горла межлопаточных каналов на периферии роторных лопаток. 3. Надроторное устройство турбомашины по п.1, отличающееся тем, что ширина каждого из щелевых каналов превышает максимальную толщину периферийных торцов роторных лопаток. 4. Надроторное устройство турбомашины по п.1, отличающееся тем, что полость вне тракта ниже по потоку от ряда щелевых каналов содержит тупиковую кольцевую щель. 5. Надроторное устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность кольцевой трактовой стенки над роторными лопатками выполнена конически расширяющейся по потоку.