ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2003 года по МПК F04D19/00 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в осевых компрессорах для совершенствования внутренней аэродинамики за счет эффекта управления пограничным слоем в радиальном зазоре между корпусом и внешним обводом лопаток рабочего колеса.

Известна конструкция осевого компрессора, содержащего корпус и установленные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток. Каждый венец вращающихся лопаток образует рабочее колесо, а каждый венец неподвижных лопаток - направляющий аппарат. Рабочее колесо и направляющий аппарат (НА) [2, с. 53, 54] образуют ступень компрессора.

Недостатком известной конструкции является то, что наличие радиального зазора приводит к снижению коэффициента полезного действия и напорности ступени [2, с. 88, 89].

Известно, что под действием разницы давлений воздух из области повышенного давления у корытца перетекает через радиальный зазор в область пониженного давления на спинке лопаток рабочего колеса. Кроме того, пограничный слой в радиальном зазоре, интенсивно смещаясь относительно лопаток в окружном направлении, вследствие их вращения, создает эжектирующее воздействие, что также способствует перетеканию воздуха от корытца к спинке лопаток.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что одним из эффективных способов управления пограничным слоем в радиальном зазоре является применение аэродинамических гребней на корпусе над лопаточным венцом рабочего колеса.

Задачей изобретения является уменьшение перетекания воздуха через радиальный зазор от корытца к спинке лопаток рабочего колеса, увеличение угла закрутки потока и выравнивание направления и значений абсолютной скорости на выходе из лопаточного венца рабочего колеса, что способствует увеличению коэффициента полезного действия и степени повышения полного давления ступени. Это возможно размещением в радиальном зазоре между корпусом и внешним обводом лопаток рабочего колеса аэродинамических гребней 1 (см. чертеж). Кривизна аэродинамических гребней определяется в каждой точке тангенциально направлению абсолютной скорости потока. Появление нового конструктивного признака по сравнению с прототипом, то есть применение аэродинамических гребней на корпусе в радиальном зазоре рабочего колеса ступени осевого компрессора, соответствует одному из критериев изобретения и предполагает новое техническое свойство, как воздействие на течение воздуха с целью улучшения характеристик ступени. Все это отвечает изобретательскому уровню.

Элементом новизны служит применение аэродинамических гребней в радиальном зазоре между внешним обводом лопаточного венца рабочего колеса и корпусом, которые в каждой точке профилируют тангенциально направлению абсолютной скорости. Наиболее оптимальными являются шаг аэродинамических гребней, соответствующий шагу решетки рабочего колеса на их внешней границе и высота аэродинамических гребней, равная 1,5-2 величины радиального зазора δ, который для реальных осевых компрессоров обычно составляет [1, с. 122] 0,5-2 мм.

Аэродинамические гребни в радиальном зазоре служат для уменьшения перетекания воздуха из области повышенного давления от корытца в область пониженного к спинке лопаток рабочего колеса и выравнивания направления абсолютной скорости на выходе из лопаточного венца рабочего колеса. Это происходит за счет того, что под действием возникающего поперечного градиента давления течение в межгребневом пространстве сносится с общей направленностью к спинке аэродинамических гребней, что дополнительно препятствует перетеканию воздуха от корытца к спинке лопаток рабочего колеса. Кроме того, вследствие придания дополнительной закрутки потока в пограничном слое и создания эжектирующего воздействия из-за некоторого сужения канала между аэродинамическими гребнями, направление и значение абсолютной скорости на выходе из лопаточного венца рабочего колеса становятся более равномерными, что благотворно сказывается на обтекании лопаток направляющего аппарата. В целом происходит увеличение кпд и напорности ступени.

Экспериментальные исследования показывают, что происходит увеличение напорности низконапорной ступени.

На чертеже изображен фрагмент общего вида описываемого устройства.

Осевой компрессор содержит корпус 2, лопаточный венец рабочего колеса 3, лопаточный венец направляющего аппарата 4 и аэродинамические гребни 1 в радиальном зазоре между внешним обводом лопаток рабочего колеса и корпусом.

Описываемое устройство работает следующим образом. Под воздействием лопаточного венца вращающегося рабочего колеса 3 поток продвигается по межлопаточному каналу лопаточного венца направляющего аппарата 4. Под воздействием разницы давлений воздух стремится перетекать через радиальный зазор от корытца к спинке лопаток рабочего колеса, кроме того, из-за вязкости среды и трения о корпус направление и значения абсолютной скорости на выходе из лопаточного венца за лопатками и радиальным зазором становятся значительно неравномерными. С постановкой же аэродинамических гребней в межгребневом пространстве под действием возникающего поперечного градиента давления происходит снос потока к спинке аэродинамических гребней, что создаст препятствие перетеканию воздуха через радиальный зазор, а также из-за принудительного искривления и незначительного сужения межгребневого канала обеспечивается выравнивание направления и значений абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса. Все это приводит к увеличению кпд и напорности ступени.

Источники информации
1. Алексеев Л.П., Казанджан П.K., Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория двигателей. Часть I. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1967.

2. Нечаев Ю. Н. Теория авиационных двигателей. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1990.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для совершенствования аэродинамики осевого компрессора. Совершенствование аэродинамики осевого компрессора достигается применением аэродинамических гребней в радиальном зазоре между внешним обводом лопаток колеса и корпусом, спрофилированных в каждой точке тангенциально абсолютной скорости. Высота и густота аэродинамических гребней определяется эмпирически путем решения оптимизационной задачи с поиском оптимума целевой функции. Аэродинамические гребни позволяют уменьшить перетекание воздуха через радиальный зазор от корытца к спинке лопаток рабочего колеса и обеспечить равномерное распределение направления и значений абсолютной скорости за рабочим колесом. Как следствие, происходит увеличение кпд и напорности ступени осевого компрессора. 1 ил.

Осевой компрессор, содержащий корпус, лопаточный венец рабочего колеса, направляющий аппарат, отличающийся тем, что в радиальном зазоре между внешним обводом лопаток рабочего колеса и корпусом установлены аэродинамические гребни, спрофилированные в каждой точке тангенциально абсолютной скорости, высота составляет 1,5. . . 2 величины радиального зазора.