ВЫСОКОНАПОРНЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F04D29/60 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения.

Известен двухкаскадный высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, состоящий из двух каскадов: ротора низкого давления и ротора высокого давления, вращающихся с разной угловой скоростью [1]. В таком компрессоре не требуется применение специальных средств механизации, так как вращение ротора низкого и высокого давлений с разными угловыми скоростями (скольжение роторов) обеспечивает необходимое регулирование и газодинамическую устойчивость компрессора.

Недостатком такой конструкции является увеличенное количество опор, подшипников и валов, что снижает его надежность, так как опоры являются сложными и ответственными элементами, влияющими на безотказность работы компрессора.

Известен также высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, выполненный по однокаскадной (однороторной) схеме и состоящий из семнадцати ступеней с поворотным входным направляющим аппаратом и с поворотными направляющими аппаратами первых шести ступеней [2].

Компрессор известной конструкции содержит большое количество поворотных направляющих аппаратов, которые из-за зазоров по поворотным лопаткам имеют повышенный износ и низкий ресурс. Увеличенные вторичные потери по втулке компрессора и нерасчетные углы атаки на рабочие лопатки на промежуточных режимах работы является причиной низкого к.п.д. компрессора.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении ресурса и к.п.д. за счет выполнения промежуточных ступеней компрессора высоконапорными с сохранением высокого уровня запасов по газодинамической устойчивости.

Сущность изобретения заключается в том, что в высоконапорном компрессоре газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает рабочее колесо со втулкой и направляющий аппарат, согласно изобретению, втулки рабочих колес расположены под углом α относительно оси компрессора с плавным возрастанием угла а от 0-5° для рабочего колеса первой ступени до 12-20° для z-го рабочего колеса и снижением до 0° для рабочих лопаток последней ступени компрессора, при этом n/z=2,5-4; n/m=4-7; F₁/F₂=5-7, где

z - порядковый номер рабочего колеса компрессора от его входа;

n - число рабочих колес компрессора;

m - число ступеней компрессора с поворотными направляющими аппаратами;

F₁ - кольцевая площадь проточной части компрессора на входе;

F₂ - кольцевая площадь проточной части компрессора на выходе.

Плавное возрастание угла α от 0-5° для рабочего колеса первой ступени до 12-20° для z-го рабочего колеса и снижением до 0° для рабочих лопаток последней ступени компрессора позволяет в компрессоре газотурбинного двигателя типа ПС-90А выполнять третью, четвертую, пятую, шестую и седьмую ступени высоконапорными с высокой степенью сжатия при достаточно высоком уровне запасов по газодинамической устойчивости за счет “поджатия” проточной части 3-7 ступеней компрессора.

При α₁<0° к.п.д. и запасы газодинамической устойчивости будут низкими из-за срывных течений воздуха по втулке первого рабочего колеса.

В случае, если α₁>5°, к.п.д. первой ступени компрессора снизится из-за повышенных скоростей на выходе из рабочего колеса.

При α₂<12° будет снижаться напорность (степень сжатия) z-ой ступени и компрессора в целом, что приведет к снижению степени сжатия компрессора, при α₂>20° понизится к.п.д. z-ой ступени компрессора.

Для рабочих лопаток последней, 13-й ступени компрессора, угол α_n не может быть меньше 0°, что приведет к снижению запасов газодинамической устойчивости, и больше 0°, что приведет к снижению к.п.д. компрессора из-за повышенных скоростей потока воздуха на выходе из компрессора, т.е. на входе в камеру сгорания.

При n/z<2,5 будет снижаться к.п.д. первых ступеней компрессора, а при n/z>4 - снизятся запасы газодинамической устойчивости.

В заявляемой конструкции количество поворотных направляющих аппаратов должно быть минимальным, при этом соотношение n/m будет составлять 4-7, т.к. при n/m<4 возрастет вес и снизится надежность компрессора, а при n/m>7 - снизятся запасы газодинамической устойчивости компрессора.

Степень сжатия компрессора (π_k*=16,5-23) характеризуется соотношением кольцевых площадей проточной части компрессора на входе F₁ и на выходе F₂, которое составляет 5-7 с учетом роста температуры сжимаемого воздуха.

Соотношение F₁/F₂ не должно превышать 7, т.к. в противном случае будут снижаться запасы газодинамической устойчивости и возрастут потери на выходе из компрессора. При F₁/F₂<5 будет снижаться степень сжатия компрессора.

Заявляемая конструкция позволяет создать тринадцатиступенчатый высоконапорный компрессор с высоким уровнем политропического к.п.д. (η_пол=0,89) с минимальным количеством поворотных направляющих аппаратов и с низким удельным весом.

На фиг.1 показан продольный разрез высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя заявляемой конструкции, на фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. На фиг.3 представлен элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.

Высоконапорный компрессор 1 газотурбинного двигателя состоит из ротора 2, на шлицевом валу 3 которого установлены рабочие колеса 4 с рабочими лопатками 5, а также статора 6 с установленными на нем входным поворотным направляющим аппаратом 7, поворотными направляющими аппаратами 8 и 9 первой и второй ступеней, а также направляющими аппаратами 10 с фиксированными направляющими лопатками 11.

Рабочие колеса 4 совместно с направляющими аппаратами 10 образуют ступени 12 компрессора 1.

Втулка 13 рабочего колеса 14 первой ступени выполнена с подъемом от входа 15 компрессора к его выходу 16, с углом α₁=0-5° к оси компрессора, который увеличивается от входа 15 к выходу 16 компрессора и на z-ом рабочем колесе 17 достигает максимальной величины α_z=12-20°, а затем плавно уменьшается до α_n=0° на последнем рабочем колесе 18.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе высоконапорного компрессора 1 воздух движется от входа 15 к выходу 16 компрессора, последовательно сжимаясь в каждой из тринадцати ступеней 12. При этом компрессор сохраняет высокие запасы газодинамической устойчивости во всем диапазоне рабочих оборотов, имеет высокий к.п.д. (η_пол=0,89) и высокую степень сжатия (π_k*=16,5-23). Компрессор с данными характеристиками является уникальным и единственным в России с ресурсом на двигателе ПС-90А до 8000 часов без ремонта и на газотурбинной установке ГТУ-12П - до 30000 часов без ремонта.

Источники информации

1. С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1981, с.55, рис. 3.46.

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

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении ресурса и к.п.д. за счет выполнения промежуточных ступеней компрессора высоконапорными с сохранением высокого уровня запасов по газодинамической устойчивости. Сущность изобретения заключается в том, что в высоконапорном компрессоре газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает рабочее колесо со втулкой и направляющий аппарат, согласно изобретению, втулки рабочих колес расположены под углом α относительно оси компрессора с плавным возрастанием угла α от 0-5° для рабочего колеса первой ступени до 12-20° для z-го рабочего колеса и снижением до 0° для рабочих лопаток последней ступени компрессора, при этом n/z=2,5-4; n/m=4-7; F₁/F₂=5-7, где z - порядковый номер рабочего колеса компрессора от его входа; n - число рабочих колес компрессора; m - число ступеней компрессора с поворотными направляющими аппаратами; F₁ - кольцевая площадь проточной части компрессора на входе; F₂ - кольцевая площадь проточной части компрессора на выходе. 3 ил.

Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает рабочее колесо со втулкой и направляющий аппарат, отличающийся тем, что втулки рабочих колес расположены под углом α относительно оси компрессора с плавным возрастанием угла α от 0-5° для рабочего колеса первой ступени до 12-20° для z-го рабочего колеса и снижением до 0° для рабочих лопаток последней ступени компрессора, при этом

n/z=2,5-4; n/m=4-7; F₁/F₂=5-7,

где z - порядковый номер рабочего колеса компрессора от его входа;

n - число рабочих колес компрессора;

m - число ступеней компрессора с поворотными направляющими аппаратами;

F₁ - кольцевая площадь проточной части компрессора на входе;

F₂ - кольцевая площадь проточной части компрессора на выходе.