СТУПЕНЬ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2009 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известен компрессор газотурбинного двигателя с поворотным входным направляющим аппаратом и последующими за ним шестью поворотными направляющими аппаратами (Вьюнов С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1981 г., стр.55, рис.3.5).

Недостатком известной конструкции является низкий КПД из-за паразитных утечек сжимаемого воздуха по зазорам в поворотных направляющих аппаратах.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является ступень осевого компрессора, в которой над рабочей лопаткой размещена кольцевая полость, соединенная с проточной частью компрессора выполненными в статорном кольце наклонными щелевыми пазами, расположенными над входной частью рабочих лопаток, а также с размещенным на статорном кольце легкоистирающимся покрытием, расположенным над остальной частью рабочих лопаток (патент SU №1275994 А1) - прототип.

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является пониженный КПД компрессора и пониженные запасы его газодинамической устойчивости.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении КПД и газодинамической устойчивости компрессора путем улучшения циркуляции воздуха в полости над рабочей лопаткой.

Сущность технического решения заключается в том, что в ступени осевого компрессора, содержащей направляющие и рабочие лопатки, последовательно размещенные в корпусе, имеющем кольцевую полость над рабочими лопатками, соединенную с проточной частью компрессора выполненными в статорном кольце наклонными щелевыми пазами, расположенными над входной частью рабочих лопаток, а также с размещенным на статорном кольце легкоистирающимся покрытием, расположенным над остальной частью рабочих лопаток, согласно изобретению, торцовые стенки щелевых пазов выполнены в форме дуг окружности, обращенных в кольцевую полость, а статорное кольцо со стороны направляющих лопаток выполнено с уступом в проточную часть компрессора, при этом δ₁/δ₂=0,3...2 и H/h=10...30, где

δ₁ - высота уступа статорного кольца,

δ₂ - монтажный зазор между периферийным торцом рабочей лопатки и легкоистираемым покрытием,

h - радиальная высота кольцевой полости над задней торцовой стенкой щелевого паза,

Н - высота пера рабочей лопатки под задней торцовой стенкой щелевого паза.

Выполнение торцовых стенок щелевых пазов в форме дуг окружности, обращенных в кольцевую полость, способствует формированию кольцевого вихревого потока воздуха в пристеночной периферийной зоне проточной части компрессора, при этом заходная дуга окружности на задней торцовой стенке щелевого паза способствует увеличению давления в кольцевой полости за счет динамического напора потока воздуха, а обратная ей дуга окружности на передней торцовой стенке щелевого паза способствует отсосу воздуха из кольцевой полости в проточную часть компрессора. Таким образом, забираемый из проточной части компрессора воздух тормозится с минимальными потерями, а затем «выдавливается» в проточную часть компрессора, туда, где есть провалы (неравномерности) давления воздуха по окружности, увеличивая таким образом расход воздуха на входе в рабочую лопатку, в результате чего осевая скорость потока воздуха увеличивается, а угол атаки потока воздуха становится оптимальным. Такая оптимизация углов атаки потока воздуха на входе в рабочую лопатку способствует повышению запасов газодинамической устойчивости и КПД компрессора и уменьшает вибронапряжения в рабочих лопатках.

Выполнение статорного кольца со стороны направляющих лопаток с уступом в проточную часть компрессора способствует заходу циркулирующего воздуха из кольцевой полости в проточную часть компрессора с минимальными гидравлическими потерями.

При δ₁/δ₂<0,3 - снижается надежность компрессора из-за увеличения потерь при входе циркулирующего воздуха из кольцевой полости в проточную часть компрессора и повышения вибронапряжений на рабочей лопатке.

При δ₁/δ₂>2 - снижается КПД компрессора из-за увеличенной высоты уступа в проточной части.

При H/h<10 - снижается надежность компрессора из-за уменьшения запасов газодинамической устойчивости вследствие увеличения объема присоединенных полостей и увеличения веса компрессора.

При H/h>30 - снижается надежность компрессора из-за повышения гидравлических потерь при циркуляции воздуха, уменьшения запасов газодинамической устойчивости и увеличения вибронапряжений.

На фиг.1 изображена ступень компрессора газотурбинного двигателя в разрезе.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Ступень 1 компрессора имеет статор 2 с входным направляющим аппаратом 3 с поворотными лопатками 4, а также с поворотным направляющим аппаратом 5 с лопатками 6, и ротор 7, на рабочем колесе 8 которого установлены рабочие лопатки 9. С внешней стороны от рабочих лопаток 9 в статоре 2 выполнена кольцевая полость 10, с наружной стороны ограниченная корпусом 11. С внутренней стороны полость 10 отделена от проточной части 12 компрессора статорным кольцом 13, в котором выполнены щелевые пазы 14, соединяющие кольцевую полость 10 с проточной частью 12. Щелевые пазы 14 расположены частично над входной частью 16 рабочих лопаток 9. Передняя торцовая стенка 17 паза 14 по потоку воздуха 18 в проточной части 12 компрессора, а также задняя торцовая стенка 19 паза 14 выполнены в форме дуг окружности 20 и 21, соответственно, обращенных в сторону кольцевой полости 10. Заходная дуга окружности 21 на задней торцевой стенке 19 способствует втеканию вихревого потока 22 воздуха в кольцевую полость 10, а выходная дуга окружности 20 на передней торцовой стенке 17 способствует выходу вихревого потока 22 воздуха из кольцевой полости 10 в проточную часть 12 компрессора с минимальными гидравлическими потерями. При этом появляется циркулирующее течение воздуха с увеличением эффективного расхода для повышения гидродинамической устойчивости. Кроме того, такая геометрия пазов позволяет выполнить их обычной дисковой фрезой, т.е. в форме дуг окружности. Статорное кольцо 13 вне возможной зоны 23 его контакта с рабочей лопаткой 9 со стороны входа 24 в эту лопатку выполнено с уступом 25 в проточную часть 12 компрессора, что также уменьшает гидравлические потери при входе циркулирующего потока 22 в проточную часть 12 компрессора. Для снижения паразитных утечек между статором и ротором статорное кольцо 13 снабжено также легкоистираемым покрытием 26 с зазором δ₂ между покрытием 26 и верхним торцом 27 пера 28 лопатки 9.

При работе газотурбинного двигателя на переходных режимах работы лопатки 4 поворотного входного направляющего аппарата 3 для уменьшения расхода воздуха через первые ступени компрессора поворачиваются, что приводит к появлению неоптимальных углов атаки потока воздуха 18 на рабочую лопатку 9. Аналогичные явления происходят при появлении неоднородностей потока воздуха 18 на входе в компрессор и рабочую лопатку 9, что могло бы привести к срывным явлениям на лопатке 9, снижению запасов газодинамической устойчивости, повышению вибронапряжений на лопатке 9 и ее поломке. Однако этого не происходит, так как в этом случае в канале между рабочими лопатками 9, в районе горла лопаточной решетки, резко повышается статическое давление, что приводит к циркуляции потока воздуха 22 через щелевые пазы 14 от задней торцовой стенки 19 с заходной дугой окружности 21 через кольцевую полость 10 к передней торцовой стенке 17 с выходной дугой окружности 20, где статическое давление меньше. Выполнение заходной дуги окружности 21 и входной дуги окружности 20 способствует увеличению разницы давления воздуха в кольцевой полости 10 и увеличению циркуляции потока воздуха 22. В результате образования устойчиво циркулирующего потока воздуха 22 увеличивается расход воздуха через входную кромку 24 рабочей лопатки 9 и, соответственно, осевая скорость потока воздуха, что приводит к оптимизации углов атаки потока воздуха 18 на входную кромку 24 рабочей лопатки 9, снижению вибронапряжений и к повышению запасов газодинамической устойчивости и КПД.

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей и позволяет повысить КПД и газодинамическую устойчивость компрессора путем улучшения циркуляции воздуха в полости над рабочей лопаткой. Ступень осевого компрессора содержит направляющие и рабочие (9) лопатки. Над рабочими лопатками (9) в корпусе (11) выполнена кольцевая полость (10), которая соединена с проточной частью (12) компрессора выполненными в статорном кольце (13) наклонными щелевыми пазами (14), расположенными над входной частью рабочих лопаток (9). Над остальной частью рабочих лопаток (9) на статорном кольце (13) расположено легкоистирающееся покрытие (26). Торцовые стенки (17) и (19) щелевых пазов (14) выполнены в форме дуг (20) и (21) окружности, обращенных в кольцевую полость (10). Статорное кольцо (13) со стороны направляющих лопаток (4) имеет уступ (25) в проточную часть (12) компрессора. Отношение высоты (δ₁) уступа (25) статорного кольца (13) к монтажному зазору (δ₂) между периферийным торцом рабочей лопатки (9) и легкоистирающимся покрытием (26) находится в пределах 0,3...2. Отношение высоты (Н) пера (28) рабочей лопатки (9) под задней торцовой стенкой (19) щелевого паза (14) к радиальной высоте (h) кольцевой полости (10) над задней торцовой стенкой (19) щелевого паза (14) находится в пределах 10...30. 2 ил.

Ступень осевого компрессора, содержащая направляющие и рабочие лопатки, последовательно размещенные в корпусе, имеющем кольцевую полость над рабочими лопатками, соединенную с проточной частью компрессора выполненными в статорном кольце наклонными щелевыми пазами, расположенными над входной частью рабочих лопаток, а также с размещенным на статорном кольце легкоистирающимся покрытием, расположенным над остальной частью рабочих лопаток, отличающаяся тем, что торцовые стенки щелевых пазов выполнены в форме дуг окружности, обращенных в кольцевую полость, а статорное кольцо со стороны направляющих лопаток выполнено с уступом в проточную часть компрессора, при этом δ₁/δ₂=0,3...2 и H/h=10...30,

где δ₁ - высота уступа статорного кольца;

δ₂ - монтажный зазор между периферийным торцом рабочей лопатки и легкоистирающимся покрытием;

h - радиальная высота кольцевой полости над задней торцовой стенкой щелевого паза;

Н - высота пера рабочей лопатки под задней торцовой стенкой щелевого паза.