МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2014 года по МПК F04D29/68 F04D27/02 

Изобретение относится к области газотурбостроения, в частности к многоступенчатым компрессорам турбомашин, и может быть использовано в конструкциях компрессоров газотурбинных двигателей, центробежных нагнетателей, турбонаддува и других высоконагруженных лопаточных машин. Изобретение служит для решения задачи управления пограничным слоем при обтекании аэродинамических профилей (лопаток) для расширения области устойчивой работы и увеличения нагруженности компрессора.

Одной из основных задач аэродинамического совершенствования лопаточных машин является предотвращение срывного обтекания лопаточных венцов и снижение уровня потерь, обусловленных нерасчетным обтеканием лопаток и аэродинамическими следами за элементами в проточной части компрессора.

Основное назначение газодинамического воздействия на поток состоит в снижении уровня потерь, связанных со срывом потока в лопаточных венцах, и выравнивании поля скоростей и давлений за выходными кромками элементов компрессора. Причина обращения к газодинамическим методам управления обтеканием решеток путем управления пограничным слоем и аэродинамическими следами заключается в том, что при работе лопаточных венцов на предсрывных режимах давление в пограничном слое на поверхности лопаток в ступенях меньше, чем в межлопаточных каналах (ядре потока), поэтому пограничный слой не может преодолеть высокого положительного градиента давления на спинке лопатки при больших углах атаки: происходит срыв потока с поверхности. Срыв может быть предотвращен или локализован, а интенсивность аэродинамических следов за выходными кромками лопаток уменьшена применением энергетических методов воздействия на течение в пристенных слоях.

Известен многоступенчатый компрессор, включающий ротор с рабочими лопатками, направляющий аппарат первой ступени с поворотными лопатками, направляющий аппарат последней ступени с лопатками, и трубопровод, соединяющий эти направляющие аппараты, причем трубопровод содержит клапан для регулирования потока воздуха (Патент DE 1476791 от 19.08.1965, опубл. 06.07.1966, МПК F02C 7/32).

Недостатком данного многоступенчатого компрессора является наличие клапана для регулирования потока воздуха в трубопроводе, что значительно снижает надежность работы компрессора и снижает отказоустойчивость компрессора.

Известен компрессор с лопатками, включающий устройство для управления пограничным слоем, которое содержит внутреннюю полость, соединенную с внешней средой при помощи щели для отсоса пограничного слоя и щели для вдува, выполненные на спинке лопатки, при этом щель для отсоса пограничного слоя на спинке профиля проходит в направлении нормали к поверхности спинки, а щель для вдува воздуха выполнена под острым углом к поверхности спинки лопатки (Патент РФ №2372251 от 22.04.2008, опубл. 10.11.2009, Бюл. №31, МПК B64C 21/02).

Недостатком данного компрессора является значительная величина потребного перепада давлений между местами расположения щелей отсоса и вдува для осуществления устойчивого перетекания с учетом потерь. Кроме того, в данной конструкции вдув потока в пограничный слой производится значительно раньше теоретической точки отрыва, что может привести к ухудшению обтекания на спинке лопатки. Поэтому достижение положительного суммарного эффекта от такого рода управления пограничным слоем может оказаться проблематичным.

Известен компрессор турбомашины, содержащий ротор с лопатками и статор с лопатками, при этом ротор и статор содержат устройства для управления пограничным слоем, включающие щель для отбора воздуха, выполненную на спинке роторных лопаток и на корыте статорных лопаток, и щель для подачи воздуха, выполненную на спинке роторных лопаток и на корыте статорных лопаток, а также трубопровод для передачи отобранного воздуха, соединяющий внутренние полости лопаток ротора и статора, где производится отбор пограничного слоя, с внутренними полостями лопаток, где производится подача воздуха (Патент GB647947 от 13.12.1946, опубл. 28.12.1950, МПК F04D 29/68).

Наиболее близким является многоступенчатый компрессор турбомашины, содержащий, по меньшей мере, один ротор с рабочими лопатками, и статор, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом первой ступени с лопатками и, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом последней ступени с лопатками, устройство для активного управления пограничным слоем, включающее лопатки направляющего аппарата последней ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки направляющего аппарата первой ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха, и трубопровод для передачи отобранного воздуха от лопаток направляющего аппарата последней ступени к лопаткам направляющего аппарата первой ступени (Патент GB2406139 от 19.09.2003, опубл. 23.03.2005, МПК F04D 27/02, F04D 29/68).

Недостатками вышеуказанных компрессоров являются: неравномерность обтекания лопаток направляющего аппарата последней ступени при нестационарном взаимодействии «ротор-статор», приводящая к различному расположению точек отрыва потока и уменьшению эффективности передачи воздуха к лопаткам направляющего аппарата первой ступени вплоть до 0 и, как следствие, резкому падению запасов устойчивой работы многоступенчатого компрессора; увеличение количества трубопроводов, идущих от направляющего аппарата последней ступени к направляющему аппарату первой ступени, что усложняет конструкцию и увеличивает массу многоступенчатого компрессора.

Техническим результатом является увеличение отказоустойчивости и надежности работы компрессора в связи с отсутствием дополнительных элементов (клапанов, дросселей); уменьшение количества трубопроводов для передачи отобранного воздуха и снижение массы направляющих аппаратов, и, как следствие, уменьшение массы компрессора и упрощение его конструкции за счет снижения количества ступеней компрессора благодаря увеличению нагрузки на каждую ступень, а также исключение зависимости работы системы от неравномерности нестационарного обтекания лопаток последней ступени направляющего аппарата.

Технический результат достигается тем, что многоступенчатый компрессор турбомашины содержит, по меньшей мере, один ротор с рабочими лопатками и статор, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом первой ступени с лопатками и, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом последней ступени с лопатками, устройство для активного управления пограничным слоем, включающее лопатки направляющего аппарата последней ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки направляющего аппарата первой ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха, и трубопровод для передачи отобранного воздуха от лопаток направляющего аппарата последней ступени к лопаткам направляющего аппарата первой ступени.

Новым в изобретении является то, что щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени выполнены в спинках лопаток в точке отрыва пограничного слоя, при этом каждое из щелевых отверстий соединено, по меньшей мере, с одной внутренней полостью лопатки, над торцами лопаток направляющего аппарата последней ступени выполнен ресивер для сбора воздуха из внутренних полостей лопаток, а над торцами лопаток направляющего аппарата первой ступени выполнен ресивер для распределения воздуха по внутренним полостям лопаток, между собой ресивер для сбора воздуха и ресивер для распределения воздуха соединены трубопроводом.

Высота каждого щелевого отверстия для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и высота каждого щелевого отверстия для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени определяются как отношение 80-90% от высоты пера соответствующей лопатки к количеству щелевых отверстий на каждом пере лопатки, при этом ширина щелевого отверстия для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и ширина щелевого отверстия для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени должны составлять 2-5% от хорды лопатки.

На фигурах показано:

Фиг.1 - многоступенчатый компрессор турбомашины;

Фиг.2 - перо лопатки направляющего аппарата последней ступени с щелевыми отверстиями для отбора пограничного слоя;

Фиг.3 - перо лопатки направляющего аппарата первой ступени с щелевыми отверстиями для подачи отобранного воздуха;

Фиг.4 - отбор пограничного слоя с поверхности направляющей лопатки направляющего аппарата последней ступени;

Фиг.5 - подача отобранного воздуха через щелевые отверстия в рабочую среду компрессора;

Фиг.6 - сравнение аэродинамических характеристик многоступенчатых компрессоров.

Многоступенчатый компрессор турбомашины состоит, по меньшей мере, из одного ротора 1 с рабочими лопатками 2, статора и устройства для активного управления пограничным слоем.

Статор содержит, по меньшей мере, один направляющий аппарат первой ступени 3 с лопатками 4 и, по меньшей мере, один направляющий аппарат последней ступени 5 с лопатками 6.

Устройство для активного управления пограничным слоем содержит лопатки 6 направляющего аппарата последней ступени 5, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие 7 для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки 4 направляющего аппарата первой ступени 3, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие 8 для подачи отобранного воздуха, и трубопровод 9 для передачи отобранного воздуха от лопаток 6 направляющего аппарата последней ступени 5 к лопаткам 4 направляющего аппарата первой ступени 3.

Щелевое отверстие 7 для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате 5 последней ступени и щелевое отверстие 8 для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени 3 выполнены в спинках лопаток 6, 4 в точке отрыва пограничного слоя. Каждое из щелевых отверстий 7, 8 соединено, по меньшей мере, с одной внутренней полостью 10 лопаток 6, 4.

Над торцами лопаток 6 направляющего аппарата последней ступени 5 выполнен ресивер 11 для сбора воздуха из внутренней полости 10 лопатки 6. Над торцами лопаток 4 направляющего аппарата первой ступени 3 выполнен ресивер 12 для распределения воздуха во внутреннюю полость 10 лопатки 4. При этом ресивер 11 для сбора воздуха соединен с ресивером 12 для распределения воздуха трубопроводом 9.

Высота каждого щелевого отверстия 7 для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени 5 и высота каждого щелевого отверстия 8 для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени 3 определяется как отношение 80-90% от высоты пера соответствующей лопатки 6, 4 к количеству щелевых отверстий 7, 8 на каждом пере лопатки 6, 4.

Ширина щелевого отверстия 7 для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени 5 и ширина щелевого отверстия 8 для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени 3 должны составлять 2-5% от хорды соответствующей лопатки 6, 4.

Многоступенчатый компрессор турбомашины работает следующим образом.

Воздух, проходя, по меньшей мере, через одну ступень ротора 1 с рабочими лопатками 2, попадает на направляющий аппарат первой ступени 3, и, проходя, по меньшей мере, еще через одну ступень ротора 1 с рабочими лопатками 3, в итоге попадает на направляющий аппарат последней ступени 5. Через щелевые отверстия 7 на спинке лопаток 6 последней ступени 5 отбирается пограничный слой воздуха, который может обусловить отрыв воздуха от поверхности пера лопатки 6, вызывая, тем самым, запирание каналов и, в конечном итоге, помпаж компрессора. Затем поток воздуха из щелевых отверстий 7 попадает во внутренние полости 10 лопаток 6 направляющего аппарата последней ступени 5, а из них попадает в ресивер 11 для сбора воздуха через торец лопатки 6. Поток воздуха, собранный в ресивере 11, по трубопроводу 9 передается в ресивер 12 для распределения воздуха к направляющему аппарату первой ступени 3, после чего поток воздуха из ресивера 12 распределяется и попадает во внутренние полости 10 лопаток 4 направляющего аппарата первой ступени 3 и через щелевые отверстия 8 сдувает пограничный слой воздуха с поверхности лопаток 4 и попадает в рабочую среду компрессора. Далее цикл повторяется сначала.

Благодаря тому, что устройство для активного управления пограничным слоем не содержит дополнительных элементов, таких как дроссели или клапаны, увеличивается отказоустойчивость и надежность работы компрессора.

Благодаря тому, что многоступенчатый компрессор содержит над торцами лопаток направляющего аппарата последней ступени ресивер для сбора воздуха из внутренних полостей лопаток, а над торцами лопаток направляющего аппарата первой ступени ресивер для распределения воздуха по внутренним полостям лопаток, достигается уменьшение количества трубопроводов для передачи отобранного воздуха.

Благодаря тому, что лопатки содержат внутренние полости и щелевые отверстия, достигается снижение массы направляющих аппаратов и, как следствие, уменьшение массы компрессора, и упрощение его конструкции за счет снижения количества ступеней компрессора благодаря увеличению нагрузки на каждую ступень.

Благодаря тому, что щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени выполнены на спинках направляющих лопаток в точке отрыва пограничного слоя и соединены с помощью ресиверов и трубопроводов, исключается зависимость работы системы от неравномерности нестационарного обтекания лопаток последней ступени направляющего аппарата.

Пример.

На основе высоконагруженного трехступенчатого компрессора (ВТК) с $$\overline{H_T}>\mathrm{0,4}$$ разработан трехступенчатый компрессор (НВТК) согласно предложенному изобретению с устройством для активного управления пограничным слоем. При этом данный компрессор содержит один ротор с рабочими лопатками, один направляющий аппарат первой ступени с лопатками, один направляющий аппарат последней ступени с лопатками.

Проведен сравнительный анализ аэродинамических характеристик высоконагруженного трехступенчатого компрессора (ВТК) и компрессора согласно предложенному изобретению (НВТК) с устройством для активного управления пограничным слоем.

Анализ показал улучшение течения в межлопаточном канале благодаря отбору пограничного слоя и смещению срыва в район входной кромки лопатки (таблица 1).

Таблица 1 Интегральные характеристики компрессоров при номинальном режиме работы компрессора (n=1) Модификация компрессора Адиабатический КПД компрессора η_ад, % Запасы устойчивой работы компрессора dK_y, % 1. Высоконагруженного трехступенчатого компрессора (ВТК) 82,93 8,86 2. Компрессор согласно предложенному изобретению (НВТК) 83,23 12,11

Сравнение аэродинамических характеристик (ЛРР - линия рабочих режимов, ГУР - граница устойчивой работы) двух компрессоров показало, что многоступенчатый компрессор, предложенный согласно изобретению (НВКТ), имеет большие запасы устойчивой работы, чем высоконагруженный трехступенчатый компрессор (ВТК), и тем самым отодвигая границу помпажа от линии рабочих режимов (Фиг.6).

Многоступенчатый компрессор турбомашины содержит устройство для активного управления пограничным слоем. Устройство включает лопатки направляющего аппарата последней ступени с отверстием для отбора пограничного слоя воздуха и лопатки направляющего аппарата первой ступени с отверстием для подачи отобранного воздуха. Щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени выполнены в спинках лопаток в точке отрыва пограничного слоя. Каждое из щелевых отверстий соединено с внутренней полостью лопатки. Над торцами лопаток направляющего аппарата последней ступени выполнен ресивер для сбора воздуха из внутренних полостей лопаток. Над торцами лопаток выполнены ресиверы для распределения воздуха по внутренним полостям лопаток, между собой ресиверы для сбора и для распределения воздуха соединены трубопроводом. Достигается увеличение отказоустойчивости и надежности, расширение области устойчивой работы, уменьшение массы компрессора и упрощение его конструкции за счёт управления пограничным слоем при обтекании лопаток. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многоступенчатый компрессор турбомашины, содержащий, по меньшей мере, один ротор с рабочими лопатками и статор, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом первой ступени с лопатками и, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом последней ступени с лопатками, устройство для активного управления пограничным слоем, включающее лопатки направляющего аппарата последней ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки направляющего аппарата первой ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха, и трубопровод для передачи отобранного воздуха от лопаток направляющего аппарата последней ступени к лопаткам направляющего аппарата первой ступени, отличающийся тем, что щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени выполнены в спинках лопаток в точке отрыва пограничного слоя, при этом каждое из щелевых отверстий соединено, по меньшей мере, с одной внутренней полостью лопатки, над торцами лопаток направляющего аппарата последней ступени выполнен ресивер для сбора воздуха из внутренних полостей лопаток, а над торцами лопаток направляющего аппарата первой ступени выполнен ресивер для распределения воздуха по внутренним полостям лопаток, между собой ресивер для сбора воздуха и ресивер для распределения воздуха соединены трубопроводом.

2. Многоступенчатый компрессор турбомашины по п.1, отличающийся тем, что высота каждого щелевого отверстия для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и высота каждого щелевого отверстия для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени определяются как отношение 80-90% от высоты пера соответствующей лопатки к количеству щелевых отверстий на каждом пере лопатки, при этом ширина щелевого отверстия для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и ширина щелевого отверстия для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени должны составлять 2-5% от хорды соответствующей лопатки.