КОМПРЕССОРНАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ДЛЯ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2014 года по МПК F04D29/32 

Изобретение относится к компрессорной рабочей лопатке для осевого компрессора согласно признакам ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Компрессорные лопатки для осевых компрессоров широко известны из уровня техники. Например, в ЕР 0991866 В1 раскрыта компрессорная лопатка с профилем, контур которого на стороне всасывания в точке пересечения стороны всасывания с пересекающей под прямым углом хорду профиля на 5% длины хорды профиля опорной прямой имеет радиус кривизны, который меньше половины длины хорды профиля. За счет этого должно обеспечиваться достижение после относительно короткого пути прохождения потока вокруг пера лопатки на стороне всасывания максимальной скорости и совпадение места перехода потока из ламинарного в турбулентный с местом максимальной скорости, за счет чего этот профиль имеет особенно большую рабочую зону, в которой он эффективно сжимает воздух.

Кроме того, известно, что на вершинах перьев лопатки рабочих лопаток компрессора возникают так называемые потери в радиальном зазоре. При этом часть повышения давления теряется при работе осевого компрессора за счет того, что над вершиной пера лопатки от стороны давления пера лопатки к стороне сжатия пера лопатки возникает поток утечки. Для уменьшения этого потока утечки известно удерживание возможно меньшим радиального зазора, образованного между вершинами перьев лопаток и противоположной им кольцевой стенкой компрессорного канала. Несмотря на это, при этом необходимо выдерживать минимальные величины размеров зазора с целью предотвращения соприкосновения вершин перьев лопаток с кольцевой стенкой. При этом это относится, в частности, к нестационарным рабочим состояниям, в которых еще не исключаются термически обусловленные расширения как стенки канала, так и рабочих лопаток.

Кроме того, часто до настоящего времени профиль вершин перьев лопаток приспосабливался лишь к особым условиям потока в зоне кольцевой стенки. Однако собственно профилирование осуществлялось не с учетом действительного трехмерного потока у вершины пера лопатки. Поэтому обычно выполненные профили пера лопатки не оптимально согласовывались со сложными условиями потока в зоне вершины пера лопатки. Поэтому, в частности, для компрессорных рабочих лопаток с небольшим размахом и при большой относительной высоте зазора (относительно размаха) имеется значительный потенциал улучшения.

Поскольку современные, известные из ЕР 0991866 В1 лопатки турбинных машин обеспечивают возможность достижения очень высокой аэродинамической эффективности, то одновременно с тенденцией к все более высоким нагрузкам профиля в общих потерях повышается доля потерь в радиальном зазоре, которые возникают в наружной зоне вблизи стенок кольцевого пространства. Уменьшение этих значительных потерь приводит к значительному улучшению коэффициента полезного действия турбинных машин и осевых компрессоров.

Для уменьшения этих потерь в радиальном зазоре, например из SU 1751430-А1, известно выполнение вершины пера рабочих лопаток осевого компрессора S-образной. Средняя линия профиля образована двумя встречными относительно друг друга круговыми дугами, которые переходят друг в друга в точке перегиба. При этом точка перегиба находится в зоне между 5% и 15% относительной длины хорды. За счет этого уменьшаются потери вторичных потоков и неравномерности потока на выходе дозвуковых компрессорных лопаток на основании уменьшения градиентов давления. В частности, при этом градиент давления уменьшается в передней и средней зонах в проходах между рабочими лопатками. Согласно SU 1751430-А1, зона передней кромки повернута в направлении стороны всасывания пера лопатки, за счет чего передняя, т.е. верхняя по потоку зона профиля имеет обратную кривизну по сравнению с задней, т.е. нижней по потоку зоной профиля лопатки.

Несмотря на уже имеющиеся решения, все еще существует повышенный интерес к уменьшению потерь в радиальном зазоре турбинных машин с целью увеличения эффективности этих машин.

Задачей изобретения является создание компрессорной рабочей лопатки с вершиной пера лопатки, которая имеет особенно небольшие потоки утечки и потери в радиальном зазоре при работе в турбинной машине.

Эта задача решена с помощью компрессорной рабочей лопатки для осевого компрессора, содержащей изогнутое перо лопатки, которое имеет стенку стороны давления и стенку стороны всасывания, которые проходят, с одной стороны, от общей передней кромки к общей задней кромке, и, с другой стороны, с образованием размаха от расположенного на стороне крепления конца пера лопатки до вершины пера лопатки, при этом для каждой имеющейся вдоль размаха высоты пера лопатки перо лопатки имеет профиль с контуром стороны всасывания и контуром стороны давления, по меньшей мере частично изогнутую среднюю линию и прямолинейную хорду профиля, при этом контуры, средняя линия и хорда профиля проходят от расположенной на передней кромке точки передней кромки до расположенной на задней кромке точки задней кромки, при этом по меньшей мере одна из средних линий профиля имеет в зоне вершины пера лопатки (т.е. некоторые средние линии профиля на стороне вершины лопатки) по меньшей мере две точки перегиба.

В основе изобретения лежит понимание того, что потери в радиальном зазоре можно уменьшить, когда оказывается соответствующее влияние на ответственный за потери вихрь в зазоре. Согласно изобретению, вихрь в зазоре, который создается и поддерживается массовым потоком в зазоре, возникает по сравнению с обычным профилем вершины пера лопатки позднее, т.е. в более нижнем по потоку месте. Возникающий относительно обычного профиля позже вихрь в зазоре можно объяснить меньшей нагрузкой улучшенного профиля на передней кромке. В противоположность существующему до настоящего времени стремлению к ослаблению в целом вихря в зазоре, в соответствии с изобретением должен создаваться усиленный локальный импульс для создания вихря в зазоре, однако при этом затем эта аэродинамическая поддержка должна уменьшаться значительно сильнее, чем при обычном профиле. В целом это приводит к меньшим потерям потока в радиальном зазоре. Для создания желаемого вихря в зазоре по меньшей мере некоторые из средних линий, предпочтительно все средние линии профиля на стороне вершины лопатки имеют по меньшей мере две точки перегиба. За счет наличия двух точек перегиба в средней линии и за счет применения обычного распределения толщины, профили на стороне вершины лопатки, а также контур стороны всасывания и контур стороны давления имеют необычный для глаза специалиста излом, который называется в последующем для соответствующего профиля изломом профиля. Сам по себе излом профиля вызывает в месте своего расположения локальное увеличение массового потока в зазоре, которое, как желательно, сильнее, чем прежде, приводит в движение вихрь в зазоре и оттесняет его от стороны всасывания пера лопатки. В зоне по потоку после излома в контуре стороны всасывания плотность массового потока падает в радиальном зазоре значительно сильнее, чем при применении обычных профилей на вершине пера лопатки. В целом тем самым обеспечивается уменьшенный массовый поток в зазоре по сравнению с обычными профилями. За счет излома профиля контура стороны всасывания возникает вихрь в зазоре вдоль линии, которая также имеет излом по потоку после излома контура стороны всасывания. Более раннее уменьшение вихря в зазоре совпадает с сильным повышением плотности массового потока в радиальном зазоре до его максимума и последующим его падением. Линия вихря в зазоре находится после своего излома под большим углом к стенке стороны всасывания, чем при обычном профиле. За счет этого вихрь в зазоре движется с все больше становящимся расстоянием от стороны всасывания, чем при обычном профиле. Больший угол обусловлен большим градиентом плотности массового потока в зазоре как при повышении, так и при падении. В целом профиль, согласно изобретению, приводит к меньшим потерям в радиальном зазоре и меньшему блокированию поля потока у выхода ряда рабочих лопаток.

За счет достигаемого уменьшения потерь в радиальном зазоре можно значительно увеличивать коэффициент полезного действия лопаток и тем самым коэффициент полезного действия снабженной компрессорной рабочей лопаткой турбинной машины.

Предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предпочтительно, первая из обеих точек перегиба при перпендикулярной проекции на хорду профиля задает на хорде первую точку проекции, которая удалена от точки передней кромки на 10-30% длины хорды профиля. Одновременно вторая из обеих точек перегиба при перпендикулярной проекции на хорду профиля задает на хорде вторую точку проекции, которая удалена от точки передней кромки на 30-50% длины хорды профиля. В частности, при расположенных таким образом точках перегиба обеспечиваются особенно сильно преимущества изобретения. При этом обе точки перегиба лежат на расстоянии друг от друга, составляющем по меньшей мере 3% длины хорды профиля.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, средние линии профилей содержат передний участок, который проходит от точки передней кромки до конечной точки переднего участка, точка проекции которой при перпендикулярной проекции на хорду профиля удалена на 2-10% длины хорды профиля от точки передней кромки, при этом по меньшей мере некоторые из передних участков, предпочтительно все передние участки профилей на стороне вершины лопатки имеют радиус кривизны, который более чем в 100 раз больше хорды профиля. Другими словами, передние участки средней линии профилей на стороне вершины лопатки соответствуют прямой или по меньшей мере почти прямой линии. В соответствии с этим, профиль на соответствующем переднем участке является симметричным, практически без изгиба, что означает, что также из локального распределения скоростей вокруг зоны передней кромки на стороне вершины пера лопатки практически не возникает потенциал давления от стороны давления к стороне всасывания. Поскольку потенциал давления между стороной давления и стороной всасывания в зоне передней кромки рассматривается в качестве причины возникновения вихря в зазоре и тем самым в качестве причины потерь в радиальном зазоре, то эта разгрузка зоны передней кромки приводит в данном случае к ослаблению и замедленному, т.е. ниже по потоку, возникновению вихря в зазоре. При этом предпочтительно контур стороны всасывания и контур стороны давления профилей на стороне вершины лопатки на переднем участке средней линии выполнены симметричными или же в форме клина с почти прямолинейными участками контура на стороне всасывания и на стороне давления.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, каждый передний участок имеет угол атаки относительно набегающего газового потока, при этом дополнительно или вместо почти прямого переднего отрезка средней линии по меньшей мере некоторые углы атаки, однако предпочтительно все углы атаки профилей на стороне вершины лопатки меньше, чем углы атаки остальных профилей пера лопатки. Предпочтительно, при этом углы атаки переднего отрезка средней линии профилей на стороне вершины лопатки меньше 10°, предпочтительно даже равны 0°. Другими словами, угол входа металла профилей на стороне вершины лопатки значительно меньше угла входа металла остальных профилей пера лопатки. Таким образом, можно утверждать, что зона передней кромки вершины пера лопатки в противоположность решению согласно SU 1751430 А1 закручена в набегающий поток, что также обеспечивает предотвращение потенциала давления между стороной давления и стороной всасывания в зоне передней кромки на стороне вершины лопатки. Это также предотвращает образование вихря в зазоре в зоне передней кромки.

В качестве альтернативного решения или дополнительно к предложенным модификациям предпочтительно по меньшей мере некоторые точки передней кромки, предпочтительно все точки передней кромки профилей на стороне вершины лопатки могут быть расположены выше по потоку, чем точки передней кромки остальных профилей пера лопатки. Другими словами, передняя кромка профилей для вершины пера лопатки за счет удлинения профиля вперед, в направлении выше по потоку, смещена вперед относительно остальной передней кромки. Это приводит к тому, что в зоне передней кромки вершины пера лопатки не может действовать градиент давления, так что также при радиальном распределении давления не может возникать потенциал между стороной давления и стороной всасывания.

Предпочтительно, исключительно средние линии имеющихся в зоне вершины пера лопатки профилей имеют две точки перегиба, при этом сторона вершины пера лопатки содержит зону, равную максимально 20% размаха вершины пера лопатки. Остальная зона пера лопатки от конца пера лопатки на стороне крепления до высоты пера лопатки, равной минимально 80% размаха, может быть профилирована обычным образом.

В соответствии с этим, изобретение относится в принципе к модифицированной вершине пера лопатки расположенных в венце компрессорных рабочих лопаток осевого компрессора.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, средние линии содержат задний участок, который проходит от начальной точки заднего участка до точки задней кромки, при этом задний участок по меньшей мере некоторых, предпочтительно всех средних линий на стороне вершины лопатки имеет большую кривизну, чем задние участки средних линий остальных профилей пера лопатки. В соответствии с этим, углы выхода металла профилей на стороне вершины лопатки меньше, чем углы выхода металла профилей на высоте половинного размаха или в зоне расположенного на стороне крепления, т.е. ближе к ступице, конца пера лопатки. Предпочтительно, точка начала заднего участка средней линии при перпендикулярной проекции на хорду профиля задает расположенную на хорде профиля точку проекции, которая удалена от точки передней кромки максимально на 60% длины хорды профиля. Следовательно, задняя кромка в расположенной на стороне вершины лопатки зоне изогнута больше, чем в остальной зоне пера лопатки. Увеличенный изгиб приводит к большему преобразованию энергии в предпочтительно задних 40% пера лопатки, так что в целом нагрузка пера лопатки сдвигается назад. Этот вариант выполнения может служить в качестве компенсации разгрузки передней кромки с целью достижения, несмотря на разгрузку расположенного на стороне вершины лопатки профиля в передней зоне хорды профиля, еще высокого преобразования энергии. Таким образом, можно за счет уменьшения блокирования в зоне вершины пера компрессорной рабочей лопатки в целом улучшать поток набегания на следующие рабочие лопатки в наружной зоне кольцевой стенки. Это уменьшает локальные неправильности набегающего потока на следующих рабочих лопатках.

Предпочтительно, по меньшей мере некоторые, предпочтительно все профили на стороне вершины лопатки выполнены с конструкцией задней нагрузки, а остальные, т.е. не расположенные на стороне вершины лопатки профили выполнены с конструкцией передней нагрузки.

На ответственный за потери в радиальном зазоре вихрь в зазоре можно чрезвычайно эффективно оказывать влияние, когда также контур стороны всасывания и контур стороны давления имеют по меньшей мере три следующих друг за другом участка кривизны с изменяющимся знаком, при этом соседние участки кривизны граничат друг с другом в соответствующей точке перегиба. Этого можно достигать с помощью подходящего распределения толщины, которая, как обычно, наносится перпендикулярно и симметрично, т.е. одинаково с обеих сторон, на среднюю линию. Это приводит к образованию на стороне всасывания вогнутых участков контура, а на стороне давления - выпуклых участков контура, с помощью которых в соответствии с идеей изобретения можно особенно простым образом оказывать влияние на вихрь в зазоре.

Целесообразно вершина пера лопатки выполнена свободностоящей.

Когда вдоль контура стороны всасывания от точки передней кромки до точки задней кромки возникает поток газа с распределением скорости газа, то по меньшей мере некоторые, предпочтительно все расположенные на стороне вершины лопатки профили выбраны так, что максимальная скорость возникает в месте максимума, точка проекции которого при перпендикулярной проекции на хорду профиля удлинена на хорде от точки передней кромки на 10-30% длины хорды профиля. Эта мера обеспечивает особенно большой импульс для возникновения вихря в зазоре. Для того чтобы затем удерживать потери в радиальном зазоре возможно меньшими, предусмотрено, что подвод энергии для вихря в зазоре уменьшается особенно быстро, т.е. на особенно короткой длине, особенно в сильной степени. Для этого предусмотрено, что соответствующие профили выбраны так, что на примыкающем к месту максимума участке стороны всасывания контура стороны всасывания с длиной, равной максимально 15% длины хорды профиля, возникает градиент скорости, величина которого является максимальной. Это приводит к тому, что вихрь в зазоре получает недостаточную подпитку для своей величины, что приводит к его удалению под большим углом от поверхности стороны всасывания. Это приводит к особенно небольшим потерям в радиальном зазоре осевого компрессора, ротор которого снабжен компрессорными рабочими лопатками согласно изобретению.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - профиль согласно изобретению и известный из уровня техники профиль для компрессорной рабочей лопатки;

фиг.2, 3, 6 - распределения скорости вдоль контура стороны всасывания и контура стороны давления профиля согласно изобретению и обычного профиля согласно фиг.1;

фиг.4 - контур стороны всасывания и стороны давления профиля согласно изобретению для компрессорной рабочей лопатки;

фиг.5 - ход изменения кривизны профиля согласно изобретению вдоль стороны всасывания и стороны давления;

фиг.7 - плотность массового потока в радиальном зазоре при применении профиля согласно изобретению для свободно стоящей вершины пера лопатки;

фиг.8 - топология траекторий вихря в зазоре для профиля согласно изобретению и обычного профиля; и

фиг.9, 10 - свободностоящая вершина пера компрессорной рабочей лопатки согласно изобретению в изометрической проекции.

На фиг.9, 10 показана свободностоящая компрессорная рабочая лопатка 10 согласно изобретению в изометрической проекции под разными углами. Перо 12 лопатки содержит стенку 14 стороны давления, а также стенку 16 стороны всасывания, которые проходят, с одной стороны, от общей, воспринимающей газовый поток передней кромки 18 к общей задней кромке 20 и, с другой стороны, с образованием размаха от не изображенного на фиг.9 и 10 расположенного на стороне крепления конца пера лопатки к вершине 22 пера лопатки.

На фиг.9 угол изометрической проекции выбран так, что на переднем плане находится задняя кромка 20 пера 12 лопатки, а на фиг.10 - передняя кромка 18 пера 12 лопатки. На расположенном на стороне крепления конце пера лопатки может быть предусмотрена известным образом платформа, а также расположенный на ней хвостовик лопатки. В зависимости от вида крепления хвостовик компрессорной рабочей лопатки 10 выполнен в форме ласточкина хвоста, елочки или молота. Компрессорная рабочая лопатка может быть также приварена к ротору.

На роторе осевого компрессора перо 12 лопатки закреплено с такой ориентацией, что перо 12 лопатки проходит от передней кромки 18 к задней кромке 20 примерно в осевом направлении осевого компрессора, которое обозначено в относящейся к фиг.9 и 10 системе координат как ось Х. Радиальное направление осевого компрессора совпадает с осью Z изображенной системы координат, а тангенциальное направление, т.е. окружное направление - с осью Y.

Таким образом, размах пера 12 лопатки измеряется в направлении оси Z.

Как известно, компрессорная рабочая лопатка 10 для осевого компрессора выполнена так, что вдоль не изображенной прямолинейной или же слегка изогнутой оси штабелирования расположены с примыканием друг к другу различные или же идентичные профили, при этом заключенное в них пространство образует перо 12 лопатки. Каждый профиль имеет в принципе центр тяжести поверхности, который лежит на оси штабелирования.

Под профилем понимается замкнутый контур, который содержит контур стороны всасывания и контур стороны давления пера лопатки. Контуры соединяются друг с другом, с одной стороны, в точке передней кромки и, с другой стороны, в точке задней кромки, которые также являются частью профиля и при этом лежат на соответствующей кромке пера лопатки. Для каждой имеющейся вдоль размаха пера лопатки высоты существует такой профиль. Таким образом, профиль представляет контур поперечного сечения пера лопатки для определенной высоты пера лопатки, при этом поперечное сечение может быть ориентировано перпендикулярно радиальному направлению осевого компрессора или же слегка наклонно относительно него в соответствии с сужением кольцевого канала. На фиг.9 показаны сплошными линиями контуры 40 стороны давления трех профилей 28, 30. На фиг.10 показаны также сплошными линиями несколько контуров 42 стороны всасывания профилей 28, 30 различной высоты пера лопатки.

Показанное на фиг.9 и 10 перо 12 лопатки имеет по сравнению с уровнем техники модифицированную в соответствии с изобретением зону 43 вершины пера лопатки, подробное описание конкретного выполнения и принципа действия которой приведено ниже.

На фиг.1 показаны два принципиально различных профиля 28, 30. Первый, изображенный точечной линией профиль 28 имеет поперечное сечение компрессорной рабочей лопатки 10 согласно фиг.10 на высоте пера лопатки, равной половине размаха пера 12 лопатки. Профиль 28 может быть обычным, известным из уровня техники профилем. Изображенный сплошной линией профиль 30 имеет поперечное сечение компрессорной рабочей лопатки 10 согласно фиг.10 в зоне 43 вершины 22 пера лопатки. Каждый профиль 28, 30 согласно фиг.1 имеет относящуюся к нему среднюю линию, при этом по причинам наглядности на фиг.1 показана штриховой линией лишь средняя линия 32 расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30. Средняя линия 32 начинается в точке 24 передней кромки, заканчивается в точке 26 задней кромки и находится всегда посередине между контуром 40 стороны давления и контуром 42 стороны всасывания. Она известна так же как средняя линия профиля.

Наряду со средней линией 32 профили задаются в уровне техники также с помощью прямолинейной хорды профиля. Хорда профиля является прямой линией, которая проходит от точки передней кромки до точки задней кромки. На фиг.1 показана лишь одна хорда 34 профиля для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30. Хорда 34 используется в последующем для геометрического определения показательных точек профиля 30, ее длина нормируется в качестве единицы, при этом в точке 24 передней кромки длина хорды профиля составляет 0%, а в точке 26 задней кромки длина хорды профиля составляет 100%. Под этим понимается также относительная длина хорды.

Естественно, существует также хорда профиля для известного из уровня техники профиля 28. Однако эта хорда профиля для ясности не изображена на фиг.1.

При этом нормированная хорда 34 профиля задана как Х/С. При этом показанный на фиг.1 профиль 30 представляет собой самый наружный в радиальном направлении из расположенных на стороне вершины лопатки профилей 30. Показанный на фиг.1 обычный профиль 28 представляет, с одной стороны, известные из уровня техники профили и, с другой стороны, остальные профили компрессорной рабочей лопатки 10. Под остальными профилями 28 следует понимать те профили, которые не расположены на стороне вершины лопатки и тем самым могут быть расположены, например, в зоне стороны крепления пера 12 лопатки или посередине между вершиной 22 пера лопатки и расположенным на стороне крепления концом пера лопатки. При этом переход от обычного профиля 28 к расположенному на стороне вершины лопатки профилю 30 происходит плавно, как показано на фиг.10.

Компрессорная рабочая лопатка 10 согласно изобретению характеризуется тем, что средние линии 32 расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 имеют по меньшей мере две точки 36, 38 перегиба. Это означает, что средняя линия 32 имеет по потоку перед самой передней точкой 36 перегиба первый изогнутый участок А с первой кривизной и по потоку после первой точки 36 до второй точки 38 перегиба имеет второй изогнутый участок В со второй кривизной. При этом знаки первой кривизны и второй кривизны являются разными. По потоку после второго изогнутого участка В примыкает во второй точке 38 перегиба третий изогнутый участок С, кривизна которого снова имеет другой, чем вторая кривизна, знак. За счет различных знаков кривизны изогнутых участков А, В, С контур 42 стороны всасывания и контур 40 стороны давления также имеют соответствующие изогнутые участки: изогнутый главным образом выпукло контур 42 стороны всасывания имеет на участке D между 35% и 50% относительной длины хорды вогнутую форму. Главным образом вогнуто изогнутый контур 40 стороны давления имеет участок Е, который является выпуклым. В противоположность прежним, известным из уровня техники профилям для компрессорных рабочих лопаток осевого компрессора, этот вогнутый участок D контура стороны всасывания и участок Е контура стороны давления приводят к локально изломанному профилю, который называется здесь изломом профиля.

При этом предусмотрено, что первая точка 36 из обеих точек перегиба при перпендикулярной проекции на хорду профиля задает на хорде первую точку АР проекции, которая удалена от точки 24 передней кромки на 10-30% длины хорды 34 профиля, и при этом вторая точка 38 из обеих точек перегиба при перпендикулярной проекции на хорду 34 профиля задает на хорде вторую точку ВР проекции, которая удалена от точки 24 передней кромки на 30-50% длины хорды 34 профиля. Кроме того, на фиг.1 показано, что расположенный на стороне вершины лопатки профиль 30 имеет выдвинутую вперед по сравнению с обычным профилем 28 к набегающему газовому потоку переднюю кромку 18. Выдвинутая вперед передняя кромка 18 расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 особенно заметна в изометрической проекции на фиг.9 и 10.

Кроме того, предусмотрено, что средняя линия 32 расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 имеет на заднем участке G большую кривизну, чем задние участки средних линий остальных профилей пера 12 лопатки. Задний участок G средней линии 32 проходит от начальной точки GA участка до точки 26 задней кромки средней линии 32, при этом начальная точка GA участка при проекции на хорду 34 профиля задает на хорде точку GP проекции, которая удалена от точки 24 передней кромки на максимально 60% длины хорды 34 профиля.

Кроме того, на фиг.1 показано, что расположенный на стороне вершины лопатки профиль 30 содержит среднюю линию 32 с передним участком Н. Передний участок Н средней линии проходит от точки 24 передней кромки до точки НР проекции средней линии 32, которая расположена на 10% длины хорды 34 профиля. При этом точка НР проекции получается за счет перпендикулярной проекции концевой точки НЕ переднего участка Н на хорду 34 профиля. На этом переднем участке Н средней линии 32 средняя линия 32 почти не изогнута, т.е. является приблизительно прямой линией. Одновременно распределение толщины, которое, как известно, наносится перпендикулярно средней линии 32 в равных частях по обе стороны, выбрано здесь так, что образуется в принципе клиновидная зона передней кромки для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30. В целом на переднем участке Н расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 желательно симметричное прохождение контура 42 стороны всасывания и контура 40 стороны давления.

На фиг.2 показаны для сравнения распределения скорости вдоль расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 и вдоль обычного профиля 28 как для потока на стороне всасывания, так и для потока на стороне давления. При этом каждое распределение скорости нанесено вдоль нормированной хорды профиля X/C. При этом скорости указаны в числах Маха, при этом Мах=1 означает скорость звука для данной температуры. При этом распределение скорости измерялось на той высоте пера лопатки, которая удалена на 0,5% величины радиального зазора между вершиной 22 пера лопатки и окружающей ее кольцевой стенкой осевого компрессора от вершины 22 пера лопатки. Штриховыми линиями на фиг.2, фиг.3 и фиг.6 изображены распределения 48, 50 скорости обычного профиля 28 для стенки 16 стороны всасывания и стенки 14 стороны давления. Распределения 44, 46 скорости для стенки 16 стороны всасывания и стенки 14 стороны давления для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 изображены сплошными линиями. Соответствующая нижняя линия представляет распределение скорости для соответствующей стороны давления, соответствующая верхняя линия представляет распределение скорости для соответствующей стороны всасывания. Распределение скорости стороны всасывания для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 обозначено позицией 44, распределение скорости стороны давления для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 обозначено позицией 46, распределение скорости стороны всасывания для обычного профиля 28 обозначено позицией 48, распределение скорости стороны давления для обычного профиля 28 обозначено позицией 50. Чем больше расстояние между кривой распределения 44, 48 скорости стороны всасывания и распределением 46, 50 скорости стороны давления для каждого места нормированной хорды 34 профиля, тем больше разница давлений и тем самым нагрузка в соответствующем рассматриваемом месте хорды соответствующего рассматриваемого профиля 28, 30. Из фиг.2 следует, что с помощью модифицированной в соответствии с изобретением зоны 43 вершины пера лопатки перо 12 лопатки, в частности, в передней половине, т.е., в частности, на первых 15% длины хорды 34 профиля при рассматривании от точки 24 передней кромки разгружается.

За счет возникающих распределений 44, 46 скорости более высокая нагрузка возникает на заднем участке G расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30, поскольку поверхность между распределением 44 скорости стороны всасывания и распределением 46 скорости стороны давления для заднего участка профиля от 60% длины хорды 34 профиля до 100% длины хорды 34 профиля больше, чем соответствующая поверхность между соответствующими распределениями 48, 50 скорости известного из уровня техники обычного профиля 28. Поскольку обычный профиль 28 предусмотрен не для расположенных на стороне вершины лопатки зон компрессорной рабочей лопатки 10, то вдоль высоты пера лопатки происходит смена нагрузки с переднего участка (конструкция передней нагрузки) к заднему участку пера лопатки (конструкция задней нагрузки). Характерным является то, что форма профиля пера 12 лопатки на стороне вершины лопатки выбрана так, что увеличение скорости до максимальной скорости в месте максимума достигается на приблизительно 20% длины хорды 34 профиля на возможно более коротком участке хорды профиля. Кроме того, в примыкающих к месту максимума следующих 15% длины хорды 34 профиля желательно сравнительно большое уменьшение скорости газового потока стороны всасывания на возможно более коротком участке хорды профиля. В частности, такой ход изменения скорости вдоль стенки 16 стороны всасывания приводит к тому, что ответственный за потери в радиальном зазоре вихрь в зазоре создается со сравнительно большей энергией, однако при этом за счет быстрого падения скорости после достижения максимальной скорости в вихрь подается сравнительно мало энергии, что приводит к его более сильному ослаблению. В целом это приводит к уменьшению потерь в радиальном зазоре.

На фиг.3-8 показаны другие возникающие за счет излома профиля эффекты. На фиг.3 и 6 снова показаны распределения скорости в числах Маха обычного профиля 28 и расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 по относительной длине хорды. На фиг.4 показан расположенный на стороне вершины лопатки профиль 30 в недифференцированной системе координат m'-theta. На фиг.5 показана кривизна 52 контура 42 стороны всасывания и кривизна 54 контура 40 стороны давления по координате m'. Можно отчетливо видеть, что в зоне излома 56 стороны давления возникает сильный подъем разницы числа Маха и тем самым потенциала давления между контуром 42 стороны всасывания и контуром 40 стороны давления.

На фиг.7 показана плотность массового потока, который проходит ортогонально хорде 34 профиля через радиальный зазор, относительно рассматриваемой локальной поверхности. Плотность массового потока для обычного профиля обозначена позицией 58, а для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 - позицией 60. Для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 заметна явная связь между подъемом потенциала давления и подъемом плотности массового потока в радиальном зазоре. Кроме того, плотность массового потока в радиальном зазоре достигает своего общего максимума сразу после указанного излома профиля. Общий максимум плотности массового потока для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 лежит выше, чем для обычного профиля. Падение плотности массового потока в радиальном зазоре после его максимума также больше, чем для обычного профиля 28.

На фиг.8 показана топология траекторий вихря в зазоре (линии вихря в зазоре) для обоих профилей 28, 30. Линия вихря в зазоре для обычного профиля 28 обозначена позицией 62, линия вихря в зазоре для расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 обозначена позицией 64. Относительно передней кромки 18 вихрь в зазоре при расположенном на стороне вершины лопатки профиле 30 возникает значительно позже на относительной длине хорды соответствующего профиля, а затем отклоняется от стенки 16 стороны всасывания с большим углом, чем при обычном профиле 28. Ранний излом вихря в зазоре совпадает с сильным подъемом плотности массового потока к своему максимуму и последующим ее падением. Больший угол обуславливается большим градиентом как при подъеме, так и при падении плотности массового потока. Относительно позднее относительно обычного профиля 28 возникновение вихря в зазоре можно объяснить небольшой нагрузкой улучшенного профиля 30 на передней кромке 18.

За счет разгрузки вершины 22 пера лопатки в зоне передней кромки задерживается образование вихря в зазоре. Затем в зоне излома профиля на стороне всасывания происходит сильный подъем массового потока в зазоре, который приводит в движение вихрь в зазоре и оттесняет от стенки 16 стороны всасывания расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30. В зоне после излома профиля на стороне всасывания плотность массового потока в радиальном зазоре падает значительно сильнее, чем при обычном профиле 28. Таким образом, в целом получается меньший массовый поток в зазоре. Линия вихря в зазоре получает излом после излома профиля на стороне всасывания с большим углом от стенки 16 стороны всасывания, чем при обычном профиле 28. Затем она проходит с большим расстоянием от стенки 16 стороны всасывания, чем при обычном профиле 28. Таким образом, в целом поток в зазоре при модифицированном профиле 30 приводит к меньшим потерям и меньшему блокированию поля потока на выходе ряда рабочих лопаток. Для достижения высокого преобразования энергии, несмотря на разгрузку профиля 30 в передней половине хорды 34 профиля, нагрузка повышается за счет большего изгиба профиля 30 на задних 40% длины хорды 34 профиля.

Особенно предпочтительным является вариант выполнения, в котором взаимодействие сдвига нагрузки спереди назад с особым распределением кривизны нового профиля 30 происходит приблизительно на 20% длины хорды 34 профиля.

В частности, было установлено, что указанные в приведенной ниже таблице 1 компрессорные лопатки, остальные профили 28 которых максимально соответствует показанной на фиг.1 форме профиля 28, являются особенно эффективными.

Таблица 1 Параметр Лопатка №1 Лопатка №2 Положение первой точки (АР) перегиба средней линии (в процентах длины хорды профиля) 28 18 Положение второй точки (ВР) перегиба средней линии (в процентах длины хорды профиля) 49 47 Длина неизогнутой передней кромки (в процентах длины хорды профиля) 10 5 Угол установки расположенных на стороне вершины лопатки профилей (в град) 5 7 Угол установки остальных профилей (в град) 25 25 Положение начальной точки (GA) участка (в процентах длины хорды профиля) 51 53 Кривизна расположенных на стороне вершины лопатки профилей в заднем участке 1/(2*длина хорды профиля) 2/длина хорды профиля Кривизна остальных профилей в заднем участке 1/(10*длина хорды профиля) 1/(10*длина хорды профиля) Длина расположенной на стороне вершины лопатки зоны (в процентах размаха) 20 10 Положение максимума скорости на стороне вершины лопатки стороны всасывания (в процентах длины хорды профиля) 20 10 Положение максимального градиента распределения скорости стороны всасывания по потоку после места максимума скорости (в процентах длины хорды профиля) 10 10

Таким образом, изобретение в целом относится к компрессорной рабочей лопатке 10 для компрессоров с осевым потоком предпочтительно стационарных газовых турбин. Согласно изобретению, предусмотрено, что для уменьшения потерь в радиальном зазоре средняя линия 32 расположенного на стороне вершины лопатки профиля 30 пера 12 компрессорной рабочей лопатки 10 имеет по меньшей мере две точки 36, 38 перегиба. За счет наличия двух точек 36, 38 перегиба получаются для контура 42 стороны всасывания на участке от 35% до 50% длины хорды профиля участок D контура стороны всасывания, который выполнен вогнутым, и для контура 40 стороны давления участок Е контура стороны давления, который выполнен выпуклым. С помощью этой геометрии обеспечивается возможность генерирования приводящего к меньшим потерям вихря в зазоре с целью повышения общего коэффициента полезного действия снабженного этими компрессорными рабочими лопатками 10 осевого компрессора.

Изобретение относится к компрессорной рабочей лопатке (10) для компрессоров с осевым потоком предпочтительно стационарных газовых турбин. Предусмотрено, что для уменьшения потерь в радиальном зазоре средняя линия (32) расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) пера (12) компрессорной рабочей лопатки (10) имеет по меньшей мере две точки (36, 38) перегиба. За счет наличия двух точек (36, 38) перегиба получаются для контура (42) стороны всасывания на участке от 35% до 50% длины хорды профиля участок (D) контура стороны всасывания, который выполнен вогнутым, и для контура (40) стороны давления участок (Е) контура стороны давления, который выполнен выпуклым. С помощью этой геометрии обеспечивается возможность генерирования приводящего к меньшим потерям вихря в зазоре с целью повышения общего коэффициента полезного действия снабженного этими компрессорными рабочими лопатками (10) осевого компрессора. 2 н. и 15 з. п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Компрессорная рабочая лопатка (10) для осевого компрессора, содержащая изогнутое перо (12) лопатки, которое имеет стенку (14) стороны давления и стенку (16) стороны всасывания, которые проходят, с одной стороны, от общей передней кромки (18) к общей задней кромке (20) и, с другой стороны, с образованием размаха от расположенного на стороне крепления конца пера лопатки до вершины (22) пера лопатки, при этом для каждой имеющейся вдоль размаха пера лопатки высоты перо (12) лопатки имеет
- профиль (28, 30) с контуром (42) стороны всасывания и контуром (40) стороны давления,
- по меньшей мере частично изогнутую среднюю линию (32) и
- прямолинейную хорду (34) профиля,
при этом контуры (40, 42), средняя линия (32) и хорда (34) профиля проходят от точки (24) передней кромки до точки (26) задней кромки, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из средних линий (32), расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30), имеют по меньшей мере две точки (36, 38) перегиба.

2. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой первая точка (36) из обеих точек перегиба при перпендикулярной проекции на хорду (34) профиля задает на хорде первую точку (АР) проекции, которая удалена от точки (24) передней кромки на 10-30% длины хорды (34) профиля, и вторая точка (38) из обеих точек перегиба при перпендикулярной проекции на хорду (34) профиля задает на хорде вторую точку (ВР) проекции, которая удалена от точки (24) передней кромки на 30-50% длины хорды (34) профиля.

3. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1 или 2, в которой средние линии (32) содержат передний участок (Н), который проходит от точки (24) передней кромки до конечной точки (НЕ) переднего участка, точка (HP) проекции которого при перпендикулярной проекции на хорду (34) профиля удалена от точки (24) передней кромки на 2-10% длины хорды профиля, при этом по меньшей мере некоторые из передних участков (Н), расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30), имеют радиус кривизны, который более чем в 100 раз больше хорды (34) профиля.

4. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.3, в которой каждый передний участок (Н) имеет угол атаки относительно набегающего газового потока, при этом по меньшей мере некоторые углы атаки расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) меньше, чем углы атаки остальных профилей (28) пера (12) лопатки.

5. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.4, в которой угол атаки переднего участка (Н) расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) меньше 10°.

6. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.3, в которой контур (42) стороны всасывания и контур (40) стороны давления расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) выполнены на переднем участке (Н) средней линии (32) симметричными.

7. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой по меньшей мере некоторые точки (24) передней кромки расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) расположены выше по потоку, чем точки (24) передней кромки остальных профилей (28) пера (12) лопатки.

8. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой исключительно средние линии (32) имеющихся в зоне вершины (22) пера лопатки профилей (30) имеют две точки (36, 38) перегиба.

9. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой средние линии (32) содержат задний участок (G), который проходит от начальной точки (GA) заднего участка до точки (26) задней кромки, при этом задний участок (G) по меньшей мере некоторых расположенных на стороне вершины лопатки средних линий (32) имеет большую кривизну, чем задние участки средних линий (32) остальных профилей пера (12) лопатки.

10. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.9, в которой начальная точка (GA) заднего участка при перпендикулярной проекции на хорду (34) профиля задает расположенную на хорде профиля точку (GP) проекции, которая удалена от точки (24) передней кромки максимально на 60% длины хорды (34) профиля.

11. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой контур (42) стороны всасывания и контур (40) стороны давления расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) имеют каждый по меньшей мере две точки перегиба.

12. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой вершина (22) пера лопатки является свободностоящей.

13. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой по меньшей мере некоторые расположенные на стороне вершины лопатки профили (30) выполнены с конструкцией задней нагрузки, а остальные профили (28) выполнены с конструкцией передней нагрузки.

14. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой сторона вершины пера лопатки содержит зону (43) максимально 20% размаха вершины (22) пера лопатки.

15. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.1, в которой вдоль контура (42) стороны всасывания от точки (24) передней кромки до точки (26) задней кромки возникает при прохождении потока газа распределение (44) скорости газа, при этом по меньшей мере некоторые расположенные на стороне вершины лопатки профили (30) выбраны так, что максимальная скорость возникает в месте максимума, точка проекции которого при перпендикулярной проекции на хорду (34) профиля удалена от точки (24) передней кромки на 10-30% длины хорды (34) профиля.

16. Компрессорная рабочая лопатка (10) по п.15, в которой соответствующие профили (30) выбраны так, что на примыкающем к месту максимума участке стороны всасывания контура (42) стороны всасывания с длиной, равной максимально 15% длины хорды (34) профиля, возникает градиент скорости, величина которого является максимальной.

17. Осевой компрессор, содержащий ротор, на наружной окружности которого образован венец рабочих лопаток с компрессорными рабочими лопатками (10) по любому из пп.1-16.