ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2016 года по МПК F04D29/68 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в осевых компрессорах для совершенствования их аэродинамики за счет управления течением у корпуса рабочих колес.

Наиболее близким по технической сущности заявленному изобретению является конструкция осевого компрессора, содержащего корпус и установленные попарно вращающиеся и неподвижные венцы лопаток. Каждый вращающийся венец лопаток образует рабочее колесо, а каждый неподвижный венец лопаток - направляющий аппарат. Рабочее колесо и направляющий аппарат образуют ступень осевого компрессора. В ступенях осевого компрессора, между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью корпуса, всегда имеется конструктивный радиальный зазор (см., например, Нечаев Ю.Н. Теория авиационных двигателей, ч. 1. Учебник для ВУЗов ВВС. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005. 366 с. С. 57-58, 89).

Недостатком известной конструкции является то, что в районе законцовок перьев лопаток рабочего колеса имеют место потери от перетечек, обусловленные наличием радиального зазора, которые слагаются из потерь от утечек через зазор в осевом направлении и перетечек через торец лопатки со стороны высокого давления (корыта) на сторону низкого давления (спинку) (см., например, Ржавин Ю.А., Емин О.Н., Карасев В.Н. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория и расчет: Учебное пособие. - М.: МАИ - ПРИНТ, 2008. 700 с. С.152-153).

Перетекание воздуха через радиальный зазор приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени. Бесполезные затраты энергии на перетекание воздуха через радиальный зазор и на создание вихревого течения у законцовок перьев лопаток вблизи радиального зазора обуславливают, кроме того, падение КПД ступени. Все это приводит к снижению напора (адиабатной работы) ступени (см., например, Нечаев Ю.Н. Теория авиационных двигателей, ч. 1. Учебник для ВУЗов ВВС. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005. 366 с. С. 90-91).

Техническим результатом изобретения является совершенствование аэродинамики проточной части осевого компрессора путем применения выдува рабочего тела из корпуса рабочего колеса для создания условий предотвращения перетекания воздуха через радиальный зазор, выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока у корпуса рабочего колеса и в радиальном зазоре.

Сущность изобретения заключается в том, что при движении воздуха у корпуса рабочего колеса осевого компрессора по отношению к идеальному расчетному режиму течения в i точке у корпуса рабочего колеса, представленному с помощью треугольника скоростей (см. фиг. 1), в результате трения воздуха о корпус и перетекания в радиальном зазоре изменяется направление и значение абсолютной скорости с_i на c_ip, таким образом, что при равных окружных скоростях u_i=u_ip приводит к уменьшению осевой составляющей абсолютной скорости с_ai до с_аiр и изменению направления и значения относительной скорости w_i на w_ip, а следовательно увеличению угла отставания потока δ_i. Вследствие этого возникают срывные явления на спинке лопатки рабочего колеса, приводящие к увеличению аэродинамических потерь в проточной части у корпуса рабочего колеса.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что одним из эффективных способов управления течением у корпуса рабочего колеса, в том числе и в радиальном зазоре, является применение выдува рабочего тела из корпуса осевого компрессора над лопатками рабочих колес. Скорость выдува c_iв=c_i и угол выдува ψ рабочего тела, в том числе и на расчетных режимах работы компрессора, должны обеспечить значение и направление абсолютной скорости c_i равными расчетным. При этом увеличивается осевая составляющая абсолютной скорости до c_ai и изменяются направление и значение относительной скорости W; в направлении уменьшения угла отставания потока δ_i до значений, близких либо равных 0. В этом случае достигается безотрывное обтекание лопаток рабочего колеса и уменьшаются аэродинамические потери у корпуса в проточной части осевого компрессора, что приводит к созданию условий выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока у корпуса рабочего колеса и в радиальном зазоре.

Требуемые скорость и направление потока определяются значениями, соответствующими расчетному режиму течения без учета трения и перетекания в радиальном зазоре. Скорость выдува c_iв и угол выдува ψ определяются путем построения плана скоростей (см. фиг. 1), в каждой i точке межлопаточного канала, исходя из условий:

- осевая составляющая абсолютной скорости c_ai определяется расходом воздуха G через рабочее колесо;

- направление относительной скорости w_i совпадает с касательной к средней линии профиля лопатки на рассматриваемом радиусе r_i от центра вращения и местоположения 1_i i точки относительно носика лопатки по ее хорде b_рк;

- окружная скорость u_i определяется частотой вращения n рабочего колеса и радиусом r_i от центра вращения.

Перечень фигур чертежей

На представленных чертежах:

Фиг. 1 показывает планы скоростей в i точке межлопаточного канала, соответствующие:

- рабочему режиму течения с учетом трения и перетекания в радиальном зазоре, где: вектор абсолютной скорости c_ip, вектор осевой составляющей абсолютной скорости c_aip, вектор окружной скорости u_ip, вектор относительной скорости w_ip;

- режиму течения с учетом выдува рабочего тела из корпуса осевого компрессора над лопатками рабочих колес, соответствующему условиям выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока у корпуса и в радиальном зазоре и равному идеальному расчетному режиму течения без учета трения и перетекания в радиальном зазоре, где: вектор абсолютной скорости c_i, вектор осевой составляющей абсолютной скорости с_аi, вектор окружной скорости u_i, вектор относительной скорости w_i.

Фиг. 2 показывает продольный разрез ступени осевого компрессора с конструктивным выполнением выдува рабочего тела, где 1 - корпус компрессора, 2 - рабочее колесо, 3 - кольцевая проставка, 4 - подводящий канал, 5 - кольцевая полость, 6 - трубопровод подвода рабочего тела, 7 - штуцер подвода рабочего тела.

Фиг. 3 показывает элемент I на фиг. 2 в масштабе 4:1.

Фиг. 4 показывает поперечный разрез А-А на фиг. 2 в масштабе 2:1.

Фиг. 5 показывает продольный разрез ступени осевого компрессора с установленной на корпусе п-образной надставкой.

Указанный технический результат достигается тем, что в корпусе компрессора 1 (см. фиг. 2) над лопатками рабочих колес 2 с внутренней стороны выполнена кольцевая проточка прямоугольной формы, в которую установлена кольцевая проставка 3, с внутренней стороны корпуса которой выполнены равномерно распределенные по всему диаметру подводящие каналы 4, обеспечивающие выдув рабочего тела из кольцевой полости 5, образующейся между корпусом и кольцевой проставкой, в радиальный зазор осевого компрессора под углом φ (см. фиг. 3), равным 1-5 градусов, в вертикальной плоскости относительно внутренней поверхности корпуса, в горизонтальной плоскости под углом ψ (см. фиг. 4) относительно фронта решетки профилей. Подвод рабочего тела в кольцевую полость осуществляется от последних ступеней компрессора либо от любого другого источника подачи рабочего тела через устройство подвода, которое выполнено в виде 4-8 штуцеров 7, установленных непосредственно над кольцевой полостью, пропорционально распределенных по окружности корпуса компрессора.

Местоположение точки выдува по хорде лопатки l_i (см. фиг. 1), количество подводящих каналов для каждой ступени определяют из условия минимизации их количества и минимизации расхода рабочего тела при обеспечении требуемых величины и направления абсолютной скорости, соответствующей идеальному расчетному течению.

Кроме того, подводящие каналы могут быть выполнены непосредственно в корпусе осевого компрессора над рабочим колесом, а кольцевая полость и устройство подвода рабочего тела выполнены сверху корпуса путем установки на нем п-образной надставки 8 (см. фиг. 5).

Применение предлагаемого изобретения позволит повысить степень повышения давления, коэффициент полезного действия и запас газодинамической устойчивости осевого компрессора.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в осевых компрессорах для совершенствования аэродинамики их проточной части за счет управления течением у корпуса рабочих колес. В стенке корпуса над лопатками рабочих колес, по крайней мере одной ступени, выполнена кольцевая полость, с внутренней стороны корпуса которой выполнены равномерно распределенные по всему диаметру подводящие каналы, обеспечивающие выдув рабочего тела из кольцевой полости, в радиальный зазор осевого компрессора под углом φ, равным 1-5 градусов в вертикальной плоскости относительно внутренней поверхности корпуса, в горизонтальной плоскости под углом ψ относительно фронта решетки профилей. Подвод рабочего тела в кольцевую полость осуществляется от последних ступеней компрессора, либо от любого другого источника подачи рабочего тела, через устройство подвода. Местоположение точки выдува по хорде лопатки, количество подводящих каналов для каждой ступени определяют условия минимизации их количества и минимизации расхода рабочего тела при обеспечении требуемых величины и направления абсолютной скорости, соответствующей идеальному расчетному течению. Подводящие каналы могут быть выполнены непосредственно в корпусе осевого компрессора над рабочим колесом, а кольцевая полость и устройство подвода рабочего тела выполнены сверху корпуса путем установки на нем п-образной надставки. Применение предлагаемого изобретения позволит повысить напорность, коэффициент полезного действия и запас газодинамической устойчивости компрессора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Осевой компрессор, содержащий корпус, лопаточный венец рабочего колеса, направляющий аппарат, отличающийся тем, что в корпусе над лопатками рабочих колес, по крайней мере одной ступени, выполнена кольцевая полость, с внешней стороны корпуса установлено устройство подвода рабочего тела в кольцевую полость, а с внутренней стороны корпуса выполнены равномерно распределенные по всему диаметру корпуса подводящие каналы, обеспечивающие выдув рабочего тела из кольцевой полости в проточную часть осевого компрессора под углом 1-5 градусов в вертикальной плоскости относительно внутренней поверхности корпуса, а угол расположения в горизонтальной плоскости, местоположение точек выдува рабочего тела и количество подводящих каналов для каждой ступени определяют из условия минимизации количества подводящих каналов и минимизации расхода рабочего тела при обеспечении режима течения, с учетом выдува рабочего тела, соответствующего условиям выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока воздуха у корпуса рабочего колеса и в радиальном зазоре, равного идеальному расчетному режиму течения без учета трения и перетекания в радиальном зазоре.

2. Осевой компрессор по п. 1, отличающийся тем, что подводящие каналы выполнены непосредственно в корпусе осевого компрессора, а кольцевая полость и устройство подвода рабочего тела выполнены сверху корпуса путем установки на нем п-образной надставки.