ВЫСОКОНАПОРНЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК F04D29/60 F04D29/66 

Изобретение относится к высоконапорным многоступенчатым компрессорам газотурбинных двигателей, в том числе для авиационного применения.

Известен осевой двухкаскадный компрессор, в котором газодинамическая устойчивость обеспечивается за счет вращения роторов низкого и высокого давлений с разными угловыми скоростями [С.А. Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва, «Машиностроение», 1981, стр. 64, рис. 3.8.б]. Такой компрессор не требует специальных средств механизации, однако недостатком его конструкции является пониженная надежность из-за увеличенного числа опор, подшипников и валов.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип является высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя (Патент RU №2311565, МПК F04D 29/60, опубл. 27.11.2007), содержащий размещенные в проточной части компрессора ступени с рабочими колесами, содержащими рабочие лопатки, первую высоконапорную ступень, при отношении площади F_.1 проточной части компрессора на входе в лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F₂ проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2, число низконапорных ступеней компрессора, следующих за первой высоконапорной ступенью, равно 4-6.

Недостатками прототипа являются то, что компрессор рассчитан на меньшую степень повышения полного давления (π*к=14) в компрессоре, соответственно имеет меньшее количество ступеней, для обеспечения запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора имеются только поворотный входной аппарат и направляющий поворотный аппарат первой ступени.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, низкие запасы газодинамической устойчивости и низкая надежность, недостаточная степень повышения полного давления в компрессоре.

Техническая задача заключается в повышении надежности и кпд компрессора за счет повышения запасов газодинамической устойчивости, а также в снижении расходов на изготовление и ремонт, степени повышения полного давления в компрессоре, при минимальном количестве ступеней поворотных направляющих лопаток.

Техническая задача решается тем, что в высоконапорном компрессоре газотурбинного двигателя, содержащем размещенные в проточной части компрессора ступени с рабочими колесами, содержащими рабочие лопатки, первая ступень высоконапорная, следующие за ней ступени низконапорные, при отношении площади F_.1 проточной части компрессора на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F2 проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2, число низконапорных ступеней компрессора, следующих за первой высоконапорной ступенью, равно 4-6, согласно изобретения, в проточной части компрессора коэффициент диффузорности D_L1 первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, коэффициент диффузорности D_L2 второго рабочего колеса не превышает 0,55, коэффициент диффузорности D_L3 с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5, общее количество ступеней компрессора равно 8.

В отличии от прототипа, в проточной части компрессора коэффициент диффузорности D_L1 первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, D_L2 коэффициент диффузорности второго рабочего колеса не превышает 0,55, D_L3 коэффициент диффузорности с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5, общее количество ступеней компрессора равно 8, что обеспечивает повышение запасов газодинамической устойчивости, требуемую тягу газотурбинного двигателя в зависимости от режима работы двигателя и кпд компрессора.

Для обеспечения требуемых параметров по повышению полного давления до π*к=16-20 и обеспечении запасов газодинамической устойчивости компрессора необходимо выдержать заявленные коэффициенты диффузорности. Проведен подбор количественных соотношений, экспериментально и практически применены заявляемые коэффициенты диффузорности в восьмиступенчатом компрессоре высокого давления газотурбинного двигателя.

Для обеспечения устойчивой работы компрессора во всем диапазоне эксплуатационных режимов и снижения вибронапряжений лопатки ВНА и НА 1,2 ступеней выполнены поворотными и внедрена система перепуска воздуха из третьей ступени компрессора. Поворот лопаток ВНА и НА 1,2 ступеней осуществляется по заданной программе системой управления механизацией компрессора, и система перепуска воздуха работает по заданной программе системой управления двигателя. Восьмиступенчатый компрессор приводится во вращение турбиной газогенератора.

На Фиг. 1 представлена проточная часть высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя.

На Фиг. 2 представлен фрагмент продольного разреза (повернут на 90°) высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя

На Фиг. 3 представлен поперечный разрез первого рабочего колеса с указанием направлений скоростей (схема) для определения коэффициента диффузорности.

Для определения коэффициента диффузорности D_L:

W_max - максимальная скорость (м/с) на спинке колеса (лопатки),

W₁ - среднее значение скорости на входе в рабочее колесо,

W₂ - среднее значение скорости на выходе из рабочего колеса.

Схема скоростей (Фиг. 3) применима для определения коэффициентов D_L1, D_L2, D_L3 с соответствующими рабочими колесами (лопатками).

Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя содержит поворотный входной направляющий аппарат 1, поворотный направляющий аппарат первой ступени 2, поворотный направляющий аппарат второй ступени 3, первое высоконапорное (высоконагруженное сверхзвуковое) рабочее колесо 4 (моноколесо), второе рабочее колесо 5 (моноколесо), третью ступень компрессора 6, восьмую ступень компрессора 7, участок 8 с 3 по 8 низконапорные ступени компрессора, проточную часть компрессора 9, спинку 10 лопатки колеса 4, рабочую лопатку 11 первого высоконапорного рабочего колеса 4. При этом F₁ - площадь проточной части (проходного сечения) на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса первой ступени, F₂ -площадь проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени. Отношение площади F_.1 проточной части компрессора на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F₂ проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2.

Выполнение отношения F_.1/F₂<1,6 ведет к снижению степени сжатия в первой высоконапорной ступени, что потребует повышения степени сжатия в последующих за первой ступенях компрессора с соответствующим снижением кпд и запасов газодинамической устойчивости компрессора.

При отношении F_.1/F₂>2,2 увеличиваются гидравлические потери в первой высоконапорной ступени компрессора, что также приводит к снижению кпд компрессора.

Коэффициент диффузорности D_L, определяемый

где W_max - максимальная скорость на спинке лопатки (рабочего колеса), W₁ - среднее значение скорости на входе в рабочее колесо, W₂ - среднее значение скорости на выходе из рабочего колеса.

В проточной части компрессора коэффициент диффузорности D_L1 первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, коэффициент диффузорности D_L2 второго рабочего колеса не превышает 0,55, коэффициент диффузорности D_L3 с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5.

При значениях коэффициента диффузорности первого высоконапорного рабочего колеса D_L1>0,6, значениях коэффициента диффузорности D_L2>0,55 второго рабочего колеса, коэффициент диффузорности D_L3>0,5 с третьей по восьмую рабочих лопаток возможен отрыв пограничного слоя, что приводит к снижению запасов ГДУ.

При работе высоконапорного компрессора поток воздуха поступает на вход в поворотный входной направляющий аппарат 1, далее поступает на первое высоконапорное рабочее колесо 4 высоконапорной первой ступени. Кинетическая энергия ускоренного рабочими лопатками потока воздуха превращается в потенциальную энергию сжатия в направляющих лопатках первой ступени. Воздух из высоконапорной сверхзвуковой первой ступени поступает в последующие низконапорные ступени, где происходит его дальнейшее сжатие с высоким кпд цикла сжатия. Последующие за первой ступенью низконапорные ступени компрессора выполняют низконапорными и дозвуковыми. Такое выполнение позволяет существенно уменьшить количество поворотных направляющих аппаратов в компрессоре с соответствующим повышением надежности. При этом значительно снижаются время и затраты на доводку компрессора из-за упрощения согласования низконапорных ступеней с расположенной перед ними высоконапорной сверхзвуковой ступенью. Поскольку на входе в компрессор расположена первая высоконапорная ступень, то она выполнена с большими размерами по сравнению с последующими ступенями и с утолщенными профилями, то есть устойчивой к динамическому воздействию потока воздуха и к повреждению посторонними предметами. Это позволяет минимизировать отрицательное воздействие на коэффициент полезного действия (кпд) компрессора паразитных утечек воздуха через радиальные зазоры между статором и ротором.

Обтекание последующих за первой ступеней высоконапорного компрессора низкоскоростным дозвуковым потоком позволяет снизить гидравлические потери при обтекании этих ступеней с соответствующим повышением кпд компрессора в целом, а также выполнить профили лопаток этих ступеней утолщенными, что повышает надежность компрессора. Концепция применения первой высоконапорной ступени позволяет снизить количество ступеней компрессора и повысить эффективность работы с сохранением степени повышения давления всего компрессора. Коэффициент диффузорности - это один из важных параметров при проектировании лопаточных венцов высоконапорного компрессора. Он является критерием аэродинамической нагрузки при торможении потока в межлопаточном канале, он также зависит от геометрии межлопаточного канала, угла и скорости потока воздуха на входе в лопаточную решетку. Увеличение коэффициента диффузорности рабочих колес, больше заявленных в настоящей формуле значений, приводит к образованию (увеличению) отрывных зон на выпуклой и вогнутой поверхности профиля, в связи с этим снижаются параметры кпд и запасы ГДУ компрессора. В настоящее время при проектировании высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя авиационного применения приходится использовать ступени с высокой аэродинамической нагрузкой, что ведет к росту диффузорности в межлопаточных каналах.

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить запасы газодинамической устойчивости, степень повышения полного давления в компрессоре, и надежность высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к высоконапорным многоступенчатым компрессорам газотурбинных двигателей, в том числе для авиационного применения. Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий размещенные в проточной части компрессора ступени с рабочими колесами, содержащими рабочие лопатки, первая ступень высоконапорная, следующие за ней ступени низконапорные, отношение площади F₁ проточной части компрессора на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F₂ проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2. В проточной части компрессора коэффициент диффузорности D_L1 первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, коэффициент диффузорности D_L2 второго рабочего колеса не превышает 0,55, коэффициент диффузорности D_L3 с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5, общее количество ступеней компрессора равно 8. Предлагаемое изобретение позволяет повысить запасы газодинамической устойчивости, степень повышения полного давления в компрессоре, надежность высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя. 3 ил.

Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий размещенные в проточной части компрессора ступени с рабочими колесами, содержащими рабочие лопатки, первая ступень высоконапорная, следующие за ней ступени низконапорные, при отношении площади F_.1 проточной части компрессора на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F₂ проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2, число низконапорных ступеней компрессора, следующих за первой высоконапорной ступенью, равно 4-6, отличающийся тем, что в проточной части компрессора коэффициент диффузорности D_L1 первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, коэффициент диффузорности D_L2 второго рабочего колеса не превышает 0,55, коэффициент диффузорности D_L3 с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5, общее количество ступеней компрессора равно 8.