ОСЕВОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F04D19/02 

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей наземного и авиационного применения.

Известен осевой двухкаскадный компрессор газотурбинного двигателя, в котором газодинамическая устойчивость обеспечивается за счет вращения роторов низкого и высокого давлений с разными угловыми скоростями (скольжение роторов) [1].

Осевой компрессор известной конструкции не требует специальных средств механизации. Однако недостатком такой конструкции является увеличение числа опор, подшипников и валов, что снижает надежность компрессора.

Наиболее близким к заявляемому является однокаскадный осевой многоступенчатый компрессор с семью поворотными направляющими аппаратами, в котором необходимая степень сжатия реализуется в одном роторе, т.е. в одном каскаде [2].

Недостатком такого компрессора является его пониженная надежность, так как для обеспечения необходимой газодинамической устойчивости на всех режимах работы двигателя требуются сложные средства управления механизацией для регулирования расхода воздуха через компрессор: поворотные направляющие аппараты и устройства для перепуска воздуха из-за промежуточных ступеней, работающие по специальной программе и требующие специальных приводных механизмов. Применение большого количества поворотных направляющих аппаратов приводит также к снижению к.п.д компрессора из-за нерасчетных углов обтекания рабочих лопаток на промежуточных режимах.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении к.п.д., запасов газодинамической устойчивости и надежности многоступенчатого осевого компрессора за счет повышения напорности третьей, четвертой и пятой ступеней, начиная от входа в компрессор, по сравнению с первыми и последующими ступенями.

Сущность изобретения заключается в том, что в осевом многоступенчатом компрессоре газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает рабочую и направляющую лопатки, согласно изобретению, компрессор выполнен тринадцатиступенчатым, а соотношение величин кольцевых площадей проточной части на входе F_вx и на выходе F_вых для первой ступени со стороны входа в компрессор F_вх1/F_вых1 составляет 1,166-1,176, для четвертой ступени F_вх4/F_вых4=1,30-1,33 и для последней ступени F_вх13/F_вых13=1, причем направляющие лопатки первой и второй ступеней выполнены поворотными.

Так как при сжатии воздуха увеличивается его плотность, для течения сжатого воздуха требуется меньшая площадь. Поэтому при прочих равных условиях соотношение площадей на входе и на выходе будет характеризоваться напорностью (степенью сжатия) каждой из ступеней.

Известно, что поворотные направляющие аппараты имеют пониженный ресурс из-за зазоров по цапфам поворотных лопаток, которые из-за вибрации при работе двигателя интенсивно изнашиваются.

В тринадцатиступенчатом компрессоре обеспечивается суммарная степень сжатия π*_к=16,5-19, что способствует повышению экономичности двигателя.

При этом поворотными выполняют минимальное количество направляющих аппаратов - входной направляющий аппарат и направляющие аппараты первой и второй ступеней, что позволяет уменьшить износ поворотных лопаток и повысить надежность компрессора.

Высокие к.п.д. и запас газодинамической устойчивости осуществляются за счет повышения напорности третьей, четвертой и пятой ступеней, что достигается необходимым распределением степеней сжатия по ступеням путем определенного профилирования проточной части компрессора, т.е. заданным соотношением величин кольцевых площадей проточной части на входе и на выходе (F_вx/F_вых) для каждой ступени. При этом для первой ступени со стороны входа в компрессоре F_вx/F_вых=1,166-1,176.

Третью, четвертую и пятую ступени от входа в компрессор выполняют высоконапорными по сравнению с первыми и последующими ступенями, что позволяет получить максимальную степень сжатия при минимальных средствах механизации. При этом четвертую ступень выполняют особо высоконапорной, что характеризуется соотношением F_вх4/F_вых4=1,30-1,33. В последней 13-й ступени компрессора сжатие воздуха происходит с одновременным уменьшением осевых скоростей для минимизации гидравлических потерь на входе в камеру сгорания, что достигается равенством величин площадей F_вx13 и F_вых13 в этой ступени, одновременно с увеличением степени сжатия падает осевая скорость воздуха.

При соотношении F_вх1/F_вых1<1,166 будет снижаться запас газодинамической устойчивости компрессора, а при F_вx1/F_выx1>1,176 к.п.д. компрессора будет падать.

При F_вх4/F_вых4<1,30 степень сжатия и запас газодинамической устойчивости компрессора будут снижаться, а при F_вх4/F_вых4>1,33 уменьшится к.п.д. компрессора и потребуется дополнительная механизация.

Запасы газодинамической устойчивости компрессора снизятся при F_вх13/F_вых13<1,0, а при F_вх13/F_вых13>1,0 возрастут потери и снизится к.п.д. компрессора из-за высоких скоростей воздуха на выходе из компрессора.

Заявляемая конструкция обеспечивает высокий к.п.д. компрессора, повышенные запасы газодинамической устойчивости и необходимую надежность, что подтверждается наработкой компрессора без ремонта до 7000 часов на двигателе ПС-90А и до 25000 часов на газотурбинной установке ГТУ-12П.

На фиг.1 показан продольный разрез заявляемого осевого многоступенчатого компрессора, на фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Осевой тринадцатиступенчатый компрессор 1 состоит из ротора 2, на шлицевом валу 3 которого установлены диски 4 с рабочими лопатками 5, и статора 6 с установленными на входе 7 в компрессор входным поворотным направляющим аппаратом 8, поворотными направляющими аппаратами первой и второй ступеней 9, 10, соответственно, и фиксированными направляющими лопатками 11.

Рабочая лопатка 5 и последующая за ней направляющая лопатка 11 образуют четвертую ступень 12 компрессора 1. Третья, четвертая и пятая ступени от входа 6 компрессора выполнены высоконапорными по сравнению с первой, второй и последними ступенями. Воздух от входа 7 в компрессор 1 к выходу перемещается по проточной части 13.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

При работе осевого многоступенчатого компрессора 1 воздух, перемещаясь по проточной части 13 от входа 7 в компрессор к его выходу, интенсивно сжимается, повышая свое давление в 16,5 раз. При этом воздух в первых двух ступенях со стороны входа компрессора сжимается умеренно, интенсивность его сжатия возрастает в третьей, и особенно в четвертой и пятой ступенях. В шестой и последующих ступенях интенсивность сжатия воздуха падает по длине компрессора, достигая минимального значения на последней тринадцатой ступени компрессора, где сжатие воздуха происходит с одновременным уменьшением осевых скоростей для минимизации гидравлических потерь на входе в камеру сгорания (не показан).

Источники информации:

1. Вьюнов С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981, с.64, рис. 3.8,6.

2. Вьюнов С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981, с.55, рис. 3.5.

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей наземного и авиационного применения. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении к.п.д., запасов газодинамической устойчивости и надежности многоступенчатого осевого компрессора за счет повышения напорности третьей, четвертой и пятой ступеней, начиная от входа в компрессор, по сравнению с первыми и последующими ступенями. Сущность изобретения заключается в том, что в осевом многоступенчатом компрессоре газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает рабочую и направляющую лопатки, согласно изобретению, компрессор выполнен тринадцатиступенчатым, а соотношение величин кольцевых площадей проточной части на входе F_вх и на выходе F_вых для первой ступени со стороны входа в компрессор F_вх1/F_вых1 составляет 1,166-1,176, для четвертой ступени F_вх4/F_вых4=1,30-1,33 и для последней ступени F_вх13/F_вых13=1, причем направляющие лопатки первой и второй ступеней выполнены поворотными. 2 ил.

Осевой многоступенчатый компрессор газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает рабочую и направляющую лопатки, отличающийся тем, что компрессор выполнен тринадцатиступенчатым, а соотношение величин кольцевых площадей проточной части на входе F_вх и на выходе F_вых для первой ступени со стороны входа в компрессор F_вх1/F_вых1 составляет 1,166-1,176, для четвертой ступени F_вх4/F_вых4=1,30-1,33 и для последней ступени F_вх13/F_вых13=1, причем направляющие лопатки первой и второй ступеней выполнены поворотными.