ЛОПАТКА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2014 года по МПК F04D29/68 F04D29/38 F01D5/14 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности осевым лопаточным компрессорам, конкретнее к конструкции лопатки, установленной как в неподвижных лопаточных венцах, так и в подвижных.

Известен ряд решений, направленных на снижение сопротивления обтекаемых газом или жидкостью тел из твердого материала путем воздействия на пограничный слой.

Известна несущая поверхность (патент RU 2094313, опубл. 27.10.1997 г., МПК B64C 23/06, F15D 1/12), содержащая вихреобразователи, установленные поперек потока и в донной части которых выполнены сквозные щелевые отверстия, выходящие на обтекаемую поверхность.

Недостатком данного решения для лопаток осевого компрессора является сам принцип работы: предполагается отсасывать пограничный слой с обтекаемой поверхности через щелевые отверстия в область с более низким давлением, создаваемым в вихреобразователе. Для получения ощутимого эффекта от предложенного решения необходимо отбирать около 1% газа и более от расхода через лопаточный венец, это предполагает наличие вихреобразователей достаточно большого размера, необходимого, как минимум, для размещения отобранного объема газа, а соблюсти требуемые размеры не всегда предоставляется возможным ввиду конструктивных особенностей лопаток осевого компрессора. Другим недостатком предложенного решения является то, что щелевое отверстие направляет отсасываемый пограничный слой против вращения вихря в вихреобразователе, приводя к разрушению его структуры. Кроме того, течение в щелевых каналах, имеющих прямые углы, сопровождается дополнительным вихреобразованием в них. Угловые вихри уменьшают гидравлическое сечение каналов, снижая их пропускную способность. Наличие угловых вихрей уменьшает полезный объем зоны разряжения основного вихря, что также уменьшает объем отсасываемого с пограничного слоя газа.

В лопаточных машинах чаще всего наблюдается отрыв потока со спинки профиля лопатки, но отсасывать газ из пограничного слоя в вихреобразователи, расположенные на корыте профиля лопатки, не предоставляется возможным, т.к. на корыте профиля лопатки давление газа (среды) выше, чем на спинке и схемы со сквозными отверстиями через профиль лопатки работают на перепуск газа из области высокого давления (корыто) в область низкого (спинка). Одна из таких схем приведена в патенте US 4714408, опубл. 22.12.1987 г., МПК F04D 29/38, F04D 29/68, (IPC 1-7): F04D 29/38.

Недостатком предложенного решения является то, что перепуск газа с корыта на спинку профиля лопатки приводит к росту потерь на режимах обтекания профиля, отличных от режима, выбранного для получения геометрии перепускных каналов. Данное явление объясняется тем, что обтекание струи выдуваемого воздуха набегающим потоком на нерасчетных режимах обтекания приводит к потерям энергии, идущей на огибание выдуваемой струи, на прижатие ее к стенке профиля и на смешение потоков.

Наиболее близким к заявляемому решению является лопатка вентилятора (компрессора) по патенту US 6538887, опубл. 25.03.2003 г., МПК F04D 29/38; F04D 29/68; (IPC 1-7): H05K 7/20, содержащая входную кромку, выходную кромку, спинку, корыто, с выполненными, по меньшей мере, на одной из перечисленных поверхностей вихрегенераторами сферической формы, вогнутыми внутрь лопатки.

Недостатком лопаток с такими вихрегенераторами является то, что геометрические параметры вихрегенераторов рассчитываются под определенный режим обтекания лопатки и обеспечивают безотрывное обтекание потоком профиля лопатки только на расчетном режиме вследствие образования системы вихрей в вихрегенераторах. На остальных режимах из-за изменения параметров потока положительный эффект от использования вихрегенераторов пропадает ввиду разрушения системы вихрей. Так как газотурбинные двигатели, используемые на летательных аппаратах, являются многорежимными, то проблема безотрывного обтекания лопаток потоком на различных режимах работы двигателя является актуальной.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является увеличение диапазона безотрывного обтекания лопаток до 3%, увеличение расхода воздуха через компрессор до 2%, увеличение КПД компрессора до 4% за счет получения устойчивой вихревой структуры потока в вихрегенераторах.

Заявленный технический результат достигается тем, что в лопатке осевого компрессора, содержащей входную кромку, выходную кромку, корыто и спинку с выполненными на ее поверхности вихрегенераторами сферической формы, вогнутыми внутрь лопатки, согласно изобретению, каждый вихрегенератор снабжен, по меньшей мере, двумя подводящими каналами с выходными отверстиями диаметра (0,05…0,25)D, равноудаленными от оси симметрии вихрегенератора, сориентированной в направлении набегающего потока, причем расстояние от оси симметрии вихрегенератора до выходного отверстия составляет (0,1…0,4)D, входные отверстия подводящих каналов расположены на корыте лопатки, а выходные расположены на расстоянии (0,025…0,7)D от передней кромки вихрегенератора, при этом подводящие каналы выполнены под углом 20°…110° к хорде лопатки, где D - диаметр отпечатка вихрегенератора. Кроме того, вихрегенератор выполнен на глубину (0,005…0,1)b, где b - длина хорды профиля лопатки; подводящие каналы выполнены с переменной площадью сечения; при нечетном количестве подводящих каналов, подключенных в вихрегенератор, по меньшей мере, один подводящий канал выходным отверстием расположен на оси симметрии вихрегенератора; подводящие каналы, подключенные к одному вихрегенератору, выполнены с общим входным отверстием.

Вихрегенератор выполняют на глубину (0,005…0,1)b, где b - длина хорды профиля лопатки. Такой диапазон обусловлен тем, что при глубине вихрегенератора меньше указанного, образования вихрей не происходит, а при большей глубине образовавшийся вихрь располагается слишком глубоко и положительный эффект от его взаимодействия с потоком пограничного слоя пропадает.

Выполнение вихрегенератора снабженным, по меньшей мере, двумя подводящими каналами позволит подпитывать каждый из вихрей отдельным потоком, не разрушая их структуры.

Выполнение подводящих каналов под углом 20°…110° к хорде лопатки позволит подводить стабилизирующий поток с минимальным углом к границе вихря.

Выходные отверстия подводящих каналов выполняют диаметром (0,05…0,25)D, где D - диаметр отпечатка вихрегенератора. При диметре выходных отверстий меньше указанного диапазона возрастает сопротивление, что приводит к нехватке стабилизирующего потока. При большем диаметре выходных отверстий стабилизирующий поток становится избыточным и происходит разрушение структуры вихрей. Кроме того, обтекание краев выходных отверстий больших диаметров также негативно влияет на структуру вихрей.

Для согласования направления стабилизирующего потока с направлением вращения парных вихрей, образующихся в вихрегенераторе, выходные отверстия выполняют равноудаленными от оси симметрии вихрегенератора, сориентированной в направлении набегающего потока на расстоянии (0,1…0,4)D от оси симметрии и на расстоянии (0,025…0,7)D от передней кромки вихрегенератора, где D - диаметр отпечатка вихрегенератора.

Выполнение подводящих каналов с переменной площадью сечения, а также выполнение подводящих каналов, подключенных к одному вихрегенератору с общим входным отверстием, позволит регулировать скорость стабилизирующего потока.

Выполнение, по меньшей мере, одного подводящего канала с выходным отверстием, расположенным на оси симметрии вихрегенератора, позволит управлять потоком в зоне между парными вихрями.

Изобретение поясняется графически.

Фиг.1. Общий вид лопатки компрессора с выполненными на спинке вихрегенераторами.

Фиг.2. Разрез лопатки компрессора (А-А).

Фиг.3. Схема потоков в районе вихрегенераторов.

Фиг.4. Вид сверху на вихрегенератор.

Фиг.5. Вид сверху на вихрегенератор. Вариант исполнения.

Лопатка осевого компрессора выполнена с выпуклой поверхностью - спинка 1 и вогнутой - корыто 2, входной кромкой 3 и выходной кромкой 4. Расстояние b от входной кромки до выходной кромки является хордой профиля лопатки. На спинке лопатки выполнены вихрегенераторы 5 сферической формы, вогнутые внутрь лопатки на глубину (0,005…0,1)b (b - длина хорды профиля лопатки) и соединенные с корытом подводящими каналами 6 под углом 20°…110° к хорде лопатки. Выходные отверстия 7 подводящих каналов выполнены диаметром (0,05…0,25)D на расстоянии x=(0,025…0,7)D от передней кромки вихрегенератора и равноудалены от оси симметрии вихрегенератора, сориентированной в направлении набегающего потока, причем расстояние от оси симметрии вихрегенератора до выходного отверстия составляет k=(0,1…0,4)D (D - диаметр отпечатка вихрегенератора). Соответственно входные отверстия 8 подводящих каналов расположены на корыте лопатки.

При работе осевого компрессора засасываемый и сжимаемый газ образует набегающий поток, который, при обтекании лопатки, разделяется на поток 9 с низким давлением газа, омывающий спинку 1 лопатки, и поток 10 с высоким давлением газа, омывающий корыто 2 лопатки. Поток 11 пограничного слоя, являющийся частью потока 9 с низким давлением, образует в вихрегенераторе парный вихрь. Вследствие разности давлений на спинке и корыте лопатки по подводящим каналам 6 к вихрегенераторам 5 начинает поступать стабилизирующий поток 12, который, вытекая в направлении вращения вихря, участвует в его дополнительной закрутке, при этом каждый вихрь подпитывается через собственный подводящий канал. В центральной части вихрей образуются зоны пониженного давления, куда начинает поступать газ потока 9, тем самым предотвращается его отрыв со спинки лопатки. Вследствие того, что направление векторов скорости на верхней границе вихря и потока 9 сориентированы в одну сторону, а также меньшего коэффициента трения потока 9 по верхней границе вихрей по сравнению с коэффициентом трения между потоком 9 и поверхностью лопатки, уменьшаются потери энергии основного потока, что увеличивает диапазон безотрывного обтекания лопатки.

Лопатка осевого компрессора содержит входную кромку, выходную кромку, корыто и спинку с выполненными на ее поверхности вихрегенераторами сферической формы, вогнутыми внутрь лопатки. Каждый вихрегенератор снабжен, по меньшей мере, двумя подводящими каналами с выходными отверстиями диаметра (0,05…0,25)D, равноудаленными от оси симметрии вихрегенератора, сориентированной в направлении набегающего потока. Расстояние от оси симметрии вихрегенератора до выходного отверстия составляет (0,1…0,4)D. Входные отверстия подводящих каналов расположены на корыте лопатки, а выходные расположены на расстоянии (0,025…0,7)D от передней кромки вихрегенератора. Подводящие каналы выполнены под углом 20°…110° к хорде лопатки, где D - диаметр отпечатка вихрегенератора. Реализация изобретения позволит увеличить диапазон безотрывного обтекания лопаток до 3%, увеличить расход воздуха через компрессор до 2% и увеличить КПД компрессора до 4% за счет получения устойчивой вихревой структуры потока в вихрегенераторах. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лопатка осевого компрессора, содержащая входную кромку, выходную кромку, корыто и спинку с выполненными на ее поверхности вихрегенераторами сферической формы, вогнутыми внутрь лопатки, отличающаяся тем, что каждый вихрегенератор снабжен, по меньшей мере, двумя подводящими каналами с выходными отверстиями диаметра (0,05…0,25)D, равноудаленными от оси симметрии вихрегенератора, сориентированной в направлении набегающего потока, причем расстояние от оси симметрии вихрегенератора до выходного отверстия составляет (0,1…0,4)D, входные отверстия подводящих каналов расположены на корыте лопатки, а выходные расположены на расстоянии (0,025…0,7)D от передней кромки вихрегенератора, при этом подводящие каналы выполнены под углом 20°…110° к хорде лопатки, где D - диаметр отпечатка вихрегенератора.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что вихрегенератор выполнен на глубину (0,005…0,1)b, где b - длина хорды профиля лопатки.

3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что подводящие каналы выполнены с переменной площадью сечения.

4. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что при нечетном количестве подводящих каналов подключенных в вихрегенератор, по меньшей мере, один подводящий канал выходным отверстием расположен на оси симметрии вихрегенератора.

5. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что подводящие каналы, подключенные к одному вихрегенератору, выполнены с общим входным отверстием.