ВЕНТИЛЯТОРНАЯ СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F04D29/38 

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к осевым вентиляторным ступеням компрессоров двухконтурных турбореактивных авиационных двигателей (ТРДД) и направлено на решение проблемы расширения диапазона устойчивой работы, улучшения аэродинамических и акустических характеристик компрессора.

Одна из известных разработок, направленная на решение задачи расширения диапазона газодинамической устойчивости компрессора, увеличения его КПД, выравнивания радиального поля скоростей за лопатками рабочего колеса, представляет собой щелевое надроторное устройство: «Турбокомпрессор», патент RU №2162164 от 10.12.1999 г. Устройство выполнено в наружном корпусе в виде кольцевой полости с решеткой ребер и щелевыми отверстиями между нами.

Недостатком данного технического решения является увеличение наружного диаметра корпуса вентилятора для размещения надроторного устройства, особенно заметное для современных сверхмощных двухконтурных турбореактивных авиационных двигателей (ТРДД), имеющих наружный диаметр рабочего колеса вентилятора около трех метров (ТРДД Трент 900, Трент 1000, GENX). Кроме того, ребра, образующие щелевую надроторную решетку, являются элементами, испытывающими сильные периодические возбуждения с частотой, пропорциональной числу лопаток и частоте вращения ротора, приводящие к их поломке.

Известно техническое решение, в котором повышение аэродинамической эффективности вентиляторных ступеней, выравнивание шаговой неравномерности потока за лопаточным венцом рабочего колеса и снижение уровня шума достигается отсосом пограничного слоя с поверхности рабочих лопаток или вдувом воздуха в пограничный слой через отверстия на поверхности или щели в задней кромке лопаток, патент США №3572960 от 02.01.1969 г.

В данном патенте для вдува в лопатки отбирается воздух повышенного давления и повышенной температуры из проточной части за вентилятором.

Недостатком данного технического решения является, во-первых, то, что вдуваемый через отверстия на поверхности и в задней кромке лопатки воздух фактически дважды сжат в вентиляторе, и во-вторых, проходя через рабочую лопатку, воздух повышенной температуры нагревает ее и, следовательно, процесс сжатия происходит с дополнительным подводом тепла к воздуху, снижая тем самым энергетическую эффективность процесса сжатия воздуха в вентиляторе.

Наиболее близким и принятым за прототип техническим решением к заявляемому является патент США №6004095 от 21.12.1999 г., где представлено несколько вариантов схемной организации улучшения обтекания поверхности рабочей лопатки вентилятора и выравнивания потока в следе за лопаткой. Показана организация отсоса пограничного слоя с поверхности рабочей лопатки вентилятора, вдув потока через щели в выходной кромке лопатки и комбинация отсоса пограничного слоя с поверхности и вдува воздуха в выходной кромке лопатки. Рабочая лопатка имеет внутренние каналы, сообщающиеся через отверстия в диске колеса с внутренней полостью ротора низкого давления компрессора.

Пограничный слой с поверхности лопатки во внутреннюю полость ротора и затем через полые лопатки спрямляющего аппарата компрессора низкого давления отсасывается в сопловой аппарат турбины высокого давления.

Вдув в выходную кромку лопатки осуществляется воздухом повышенного давления и повышенной температуры, отбираемого за компрессором низкого давления внутреннего контура газотурбинного двигателя. Этот воздух поступает во внутреннюю полость ротора и через отверстия в диске рабочего колеса вентилятора и каналы внутри рабочей лопатки выдувается в щелях выходной кромки.

Недостатком данного технического решения является то, что для улучшения обтекания рабочей лопатки вентилятора используется воздух уже сжатый в компрессоре низкого давления. Этим воздухом повышается температура рабочей лопатки вентилятора и дополнительно воздуха, обтекающего лопатку. В результате снижается эффективность сжатия воздуха в вентиляторе.

Технической задачей заявляемого устройства является повышение аэродинамической и акустической эффективности вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), которые достигаются за счет улучшения обтекания рабочей лопатки вентилятора посредством вдува воздуха в пограничный слой на поверхности разрежения и выравнивания шаговой неравномерности потока за лопаточным венцом рабочего колеса вентилятора.

Технический результат достигается тем, что через отверстия, например, перфорации различного типа или ряд щелей, выполненные на поверхности разряжения рабочих лопаток в пограничный слой и в отверстия (щели), выполненные в выходных кромках лопаток, вдувается воздух повышенного давления, выравнивающий распределение скорости и давления по шагу лопаточного венца в выходном сечении. Воздух повышенного давления к отверстиям, выполненным на поверхности и в выходных кромках лопаток, подводят по внутренним каналам рабочих лопаток, в отличие от известных решений не из компрессора низкого давления, а из подроторного пространства рабочего колеса, сообщающегося с окружающей атмосферой.

Для этого (вариант) в вентиляторной ступени компрессора, преимущественно для двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), содержащей рабочее колесо, имеющее полые лопатки, расположенные в ступице рабочего колеса, при этом полые лопатки имеют отверстия, например перфорации различного типа или ряд щелей, выполненные на их поверхности разрежения, внутренние каналы, которые через ступицу рабочего колеса сообщаются с его подроторной полостью, и отверстия (щели), выполненные в выходных кромках лопаток, согласно изобретению в ступице рабочего колеса установлены трубки, удлиняющие внутренние каналы лопаток к оси вращения компрессора, и отверстия, выполненные на поверхности разряжения лопаток, расположены под углом α<45° к поверхности лопаток в направлении потока воздуха в межлопаточном канале рабочего колеса.

Также (вариант), в вентиляторной ступени компрессора, преимущественно для двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), содержащей рабочее колесо, имеющее полые лопатки, расположенные в ступице рабочего колеса, при этом полые лопатки имеют отверстия, например перфорации различного типа или ряд щелей, выполненные на их поверхности разрежения, внутренние каналы, которые через ступицу рабочего колеса сообщаются с его подроторной полостью, и отверстия (щели), выполненные в выходных кромках лопаток, согласно изобретению в ступице рабочего колеса установлен диск с каналами, удлиняющими внутренние каналы лопаток к оси вращения компрессора, при этом в каналах диска могут быть установлены радиальные лопатки, которые выполнены перфорированными, а отверстия, выполненные на поверхности разряжения лопаток, расположены под углом α<45° к поверхности лопаток в направлении потока воздуха в межлопаточном канале рабочего колеса.

На фиг.1 изображена установленная на рабочем колесе 1 рабочая лопатка 2 ротора вентилятора ТРДД, содержащая ступицу 3, имеющую внутренние каналы 4, подроторная полость 9 и обтекатель 10.

При вращении ротора рабочего колеса 1 вентилятора воздушная масса, находящаяся во внутренних каналах 4 лопатки 2 под действием центробежной силы перемещается с меньшего радиуса на больший. В результате воздух из подроторной полости 9 засасывается в каналы 4 лопатки 2 вентилятора и выдувается через отверстия 7, например перфорации различного типа или ряд щелей, выполненные на поверхности разряжения лопаток, и отверстия (щели) 12, расположенные в выходной кромке 8 рабочей лопатки вентилятора, фиг.5.

При этом радиальный градиент давления в воздушной массе, находящейся во внутреннем канале лопатки, с центробежной силой, действующей на массу воздуха, выполняется уравнением:

dP/dr=ρω²r;

или с учетом уравнения состояния р=P/RT, после преобразования:

dP/P=ω²/RT·rdr,

где Р - давление воздуха, ω - частота вращения ротора, R - газовая постоянная, Т - температура воздуха, r - радиус сечения лопатки.

Интегрируя данное уравнение по высоте воздушного столба во внутреннем канале в предположении постоянной по радиусу температуры Т рабочей лопатки 2 в пределах от радиуса входных отверстий внутренних каналов 4 лопатки 2 r_в и давления воздуха в подроторной полости 9 Р_в до радиуса r и давления воздуха в сечении вдува воздуха Р на поверхности лопатки и в задней кромке 8 лопатки 2:

получим:

lnP/Р_в=ω²/2RT·(r²-r² _в).

В результате перепад давления воздуха во внутреннем канале 4 рабочей лопатки 2 от места вдува воздуха на поверхности лопатки (r) до входных отверстий каналов 4 (r_в) определяется выражением:

где U_к=ωr_к - окружная скорость периферийного сечения рабочей лопатки;

r_к - радиус периферийного сечения рабочей лопатки;

- относительный радиус отверстий вдува воздуха на поверхности лопаток;

r_в=r_в/r_к - относительный радиус расположения отверстий забора воздуха на втулке колеса.

Вдув воздуха через отверстия на поверхности рабочей лопатки 2 будет осуществляться, если давление воздуха на выходе из отверстий 7, например, перфораций различного типа, или ряда щелей, превысит давление в потоке воздуха, обтекающего лопатку. Следовательно, перепад давления во внутреннем канале 4 рабочей лопатки 2 Р/Р_в, определяемый приведенным выше равенством, должен превышать перепад давления в проточной части межлопаточного канала рабочего колеса 1 и за выходной кромкой лопатки 2. Тем самым перепад давления превышает степень повышения давления в рабочем колесе 1 вентилятора.

Перепад давления Р/Р_в определяется величиной окружной скорости U_к и зависит от относительного радиуса расположения отверстий при заборе воздуха из подроторного пространства 9 r_в.

На фиг.2 приведен график, иллюстрирующий зависимость перепада давления воздуха во внутренних каналах 4 рабочей лопатки 2 вентиляторной ступени Р/Р_в в зависимости от величины окружной скорости U_к для различных значений относительного радиуса

Перепад давления увеличивается с ростом окружной скорости рабочей лопатки 2 и снижением относительного радиуса расположения отверстий забора воздуха через внутренние каналы 4.

В известных технических решениях, в том числе и принятом за прототип техническом решении, расположение отверстий забора воздуха внутренних каналов рабочей лопатки определяется диаметром втулки рабочего колеса компрессора.

В результате повышение давления во внутренних каналах 4 лопатки 2, создаваемое центробежной силой, ограничено. В связи с этим, в известных патентах для достижения необходимого эффекта для вдува воздуха на поверхности и в выходной кромке рабочей лопатки используется воздух повышенных давления и температуры, отбираемый за компрессором низкого давления внутреннего контура. На сжатие этого воздуха уже затрачено определенное количество мощности турбины двигателя, что приводит к снижению интегральной эффективности процесса сжатия воздуха в компрессоре. Кроме того, отрицательное влияние имеет и высокая температура уже сжатого в компрессоре низкого давления воздуха, поступающего во внутренние каналы рабочей лопатки, увеличивающего температуру поверхности лопатки.

Предлагаемое настоящим изобретением техническое решение для улучшения обтекания рабочей лопатки вентилятора не содержит указанных недостатков.

На фиг.3 изображено выполнение лопатки 2 ротора вентилятора ТРДД с трубками 5, установленными в ступице рабочего колеса, удлиняющими внутренние каналы 4 лопатки 2.

Установленная на рабочем колесе 1 рабочая лопатка 2 вентилятора имеет внутренние каналы 4, к которым атмосферный воздух из подроторной полости 9 подводится по трубкам 5. Подроторная полость 9 компрессора обтекателя 10 сообщается с окружающей атмосферой. Это повышает эффективность вдува воздуха во внутренние каналы 4 лопатки 2, при этом отверстия 7, например, перфорации различного типа или ряд щелей, выполненные на поверхности разряжения лопаток 2, расположены под углом α<45° к поверхности лопаток 2 в направлении потока воздуха в межлопаточном канале рабочего колеса 1. В результате увеличивается перепад давления во внутренних каналах 4 и возрастает давление воздуха вдуваемого через отверстия 7 на поверхности лопаток 2.

На фиг.4 изображено выполнение лопатки 2 ротора вентилятора ТРДД для увеличения радиальной длины воздушных внутренних каналов, где установлен диск 6 с одним или несколькими радиальными каналами 11, подводящими воздух к внутренним каналам 4 рабочей лопатки 2 вентилятора.

При вращении ротора вентилятора объем воздуха, находящийся во внутренних каналах 4 рабочей лопатки 1 под действием центробежной силы перетекает к периферии лопатки 2, а также объем воздуха засасывается из подроторной полости 9 и через каналы 4 вдувается в пограничный слой, и через отверстия (щели) 12, в выходной кромке 8, фиг 5 - в закромочный след. Это выравнивает распределение давления и температуры по шагу на выходе из решетки рабочего колеса. Улучшаются аэродинамические и акустические характеристики вентиляторной ступени компрессора.

Воздух, забираемый из подроторной полости 9, имеет температуру и давление окружающего атмосферного воздуха (с учетом поправки на скорость полета летательного аппарата). Температура такого воздуха существенно ниже температуры воздуха, отбираемого за компрессором низкого давления, как выполнено в принятом прототипе. В результате предлагаемое техническое решение исключает дополнительный нагрев рабочей лопатки 2 вентилятора.

На фиг.5 показаны отверстия 7 на поверхности рабочей лопатки 2, через которые в пограничный слой вдувается воздух, отверстия выполняют в виде перфорации различного типа или в виде ряда щелей.

С целью уменьшения вытеснения основного потока, обтекающего поверхность рабочей лопатки, ось отверстий 7, например перфораций различного типа или ряда щелей, вдува воздуха наклонена к поверхности лопатки 2 по потоку на угол α<45°.

На фиг.5 изображено сечение рабочей лопатки 2 с указанием угла α оси отверстий 7, например перфораций различного типа или ряда щелей, вдува воздуха на ее поверхности и в закромочный след 8.

На фиг.6 изображено сечение по А-А фиг.4, где показаны радиальные лопатки 13, расположенные в каналах 11 диска 6, для повышения расхода воздуха и давления воздуха в каналах 4, радиальные лопатки 13 выполнены профилированными (по типу центробежного колеса с радиальными лопатками).

Таким образом, заявляемое техническое решение улучшает обтекание рабочей лопатки вентилятора посредством вдува воздуха в пограничный слой на поверхности ее разряжения и выравнивание шаговой неравномерности потока воздуха за лопаточным венцом рабочего колеса вентилятора, обеспечивает высокие аэродинамические и акустические характеристики компрессора и расширяет диапазон устойчивой его работы.

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к осевым вентиляторным ступеням компрессоров двухконтурных авиационных двигателей ТРДД, и направлено на решение проблемы расширения диапазона устойчивой работы, улучшения аэродинамических и акустических характеристик компрессора. Технический результат достигается тем, что через отверстия, например перфорации лопаток в пограничный слой, и в отверстия (щели), выполненные в различного типа или ряд щелей, выполненных на поверхности рабочих выходных кромках лопаток вдувается воздух повышенного давления, выравнивающий распределение скорости и давления по шагу лопаточного венца в выходном сечении. Воздух повышенного давления к отверстиям, выполненным на поверхности выходных кромок лопаток, подводят по внутренним каналам рабочих лопаток, в отличие от известных решений не из компрессора низкого давления, а из подроторного пространства рабочего колеса, сообщающегося с окружающей атмосферой, для этого согласно изобретению в ступице рабочего колеса установлены трубки, удлиняющие внутренние каналы лопаток к оси вращения компрессора, причем отверстия, выполненные на поверхности разряжения лопаток, расположены под углом α<45° к поверхности лопаток в направлении потока воздуха в межлопаточном канале рабочего колеса, а также (вариант) в ступице рабочего колеса установлен диск с каналами, являющимися продолжением внутренних каналов лопаток к оси вращения компрессора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Вентиляторная ступень компрессора, преимущественно для двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), содержащая рабочее колесо, имеющее полые лопатки, расположенные в ступице рабочего колеса, при этом полые лопатки имеют отверстия, выполненные на их поверхности разрежения, внутренние каналы, которые через ступицу рабочего колеса сообщаются с его подроторной полостью, и отверстия, выполненные в выходных кромках лопаток, отличающаяся тем, что в ступице рабочего колеса установлены трубки, удлиняющие внутренние каналы лопаток к оси вращения компрессора, и отверстия, выполненные на поверхности разряжения лопаток, расположены под углом α<45° к поверхности лопаток в направлении потока воздуха в межлопаточном канале рабочего колеса.2. Вентиляторная ступень компрессора, преимущественно для двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), содержащая рабочее колесо, имеющее полые лопатки, расположенные в ступице рабочего колеса, при этом полые лопатки имеют отверстия, выполненные на их поверхности разрежения, внутренние каналы, которые через ступицу рабочего колеса сообщаются с его подроторной полостью, и отверстия, выполненные в выходных кромках лопаток, отличающаяся тем, что в ступице рабочего колеса установлен диск с каналами, удлиняющими внутренние каналы лопаток к оси вращения компрессора, а отверстия, выполненные на поверхности разряжения лопаток, расположены под углом α<45° к поверхности лопаток в направлении потока в межлопаточном канале рабочего колеса.3. Вентиляторная ступень компрессора по п.2, отличающаяся тем, что в каналах диска, установленного в ступице рабочего колеса, установлены радиальные лопатки.