Входной направляющий аппарат осевого компрессора ТРД для неравномерного по радиусу канала потока на его входе Российский патент 2023 года по МПК F04D29/24 

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности, к входным устройствам компрессоров турбореактивных двигателей (ТРД) летательных аппаратов и может быть использовано в качестве направляющего аппарата для потоков газа или жидкостей в других областях промышленности.

Известен способ регулирования ступени компрессора поворотом направляющих аппаратов («Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей» под ред. С.М. Шляхтенко, Москва, «Машиностроение», 1987 г., стр. 116…119, рис. 4.9). Метод позволяет эффективно регулировать путем изменения направления потока на входе рабочего колеса (РК) при изменении режима работы компрессора в условиях равномерного распределения осевых скоростей потока вдоль радиуса канала на входе направляющего аппарата.

Недостатком указанного способа является отсутствие возможности эффективного регулирования ступени компрессора в условиях неравномерного распределения осевых скоростей потока вдоль радиуса канала на входе.

Известен входной направляющий аппарат (ВНА) компрессора низкого давления газотурбинного двигателя авиационного типа (МПК F04D 29/32, B01J 3/00, патент RU №2614709, 2016 г., Фиг. 1), содержащий корпус, профилированные стойки и регулируемые поворотные закрылки.

Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности эффективного регулирования ступени компрессора в условиях неравномерного распределения осевых скоростей потока вдоль радиуса канала на входе самого направляющего аппарата.

Прототипом является регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбореактивного двигателя, совмещенный с неподвижными стойками (схема прототипа А.А. Иноземцев, В.П. Сандрацкий «Газотурбинные двигатели». ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 2006 г., стр. 259-264, Рис 5.5.1.1_1, 5.5.1.2_1, 5.5.3.1_3).

Прототип имеет существенные признаки: корпус, неподвижные стойки и подвижные лопатки, которые содержат перо, наружный цилиндрический хвостовик, внутренний цилиндрический хвостовик, упорный торец, регулируемые с помощью системы регулирования по программе в зависимости от изменения частоты вращения рабочего колеса компрессора, в которую входят кольцо привода ВНА, механизм привода ВНА.

Недостатком является неэффективность работы ступени компрессора в условиях неравномерного набегающего потока с соответствующей эпюрой осевых скоростей на входе во входной направляющий аппарат вдоль радиуса канала.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается:

- в обеспечении эффективности работы компрессора в условиях радиальной неравномерности осевых скоростей набегающего потока на входе во входной направляющий аппарат.

Для достижения этого технического результата входной неравномерный поток воздуха разделяется на кольцевые зоны по радиусу канала на входе в ступень компрессора в соответствии с характеристиками потока, создавшего эту радиальную неравномерность. Регулируемый направляющий аппарат (ВНА), содержащий корпус, кольцо привода ВНА, механизм привода ВНА, подвижные лопатки и неподвижные стойки, выполнен с подвижными лопатками, также разделенными на секции (1,2,…n) размером, равным протяженности этих кольцевых зон вдоль радиуса канала (пера подвижной лопатки).

Каждая секция является независимым элементом конструкции отдельной подвижной лопатки ВНА, объединена с соответствующими одноименными секциями других подвижных лопаток посредством рычагов в кольцо привода с силовым механизмом ВНА, который осуществляет синхронный поворот лопаток одноименных секций по индивидуальной программе системой регулирования.

Каждая секция отдельной подвижной лопатки ВНА устанавливается относительно соседней секции по радиусу канала соосно с возможностью независимого поворота относительно оси вращения, выполнена с круткой пера вдоль линии радиуса канала, в функциональной зависимости от эпюры осевых скоростей набегающего потока на входе в данную секцию с целью обеспечения эффективного угла натекания потока в каждом сечении лопатки рабочего колеса при относительном ее движении по окружности вращения.

Эпюра осевых скоростей неравномерного набегающего потока на входе в каждую секцию входного направляющего аппарата по радиусу канала представляется как сумма двух составляющих: постоянной со средним по радиусу уровнем осевой скорости для каждой рассматриваемой секции и переменной составляющей, определяемой как разность между фактической осевой скоростью на линии тока радиуса Ri и средним уровнем осевой скорости потока рассматриваемой секции. Величина угла поворота подвижных лопаток ВНА на линии тока, приходящей на соответствующее сечение пера рабочих лопаток компрессора по радиусу канала, определяется суммой углов поворота, связанных с постоянной (средней) и переменной составляющими осевых скоростей согласно формуле:

где: - порядковый номер кольцевой зоны и секций подвижных лопаток ВНА, начиная от внешнего радиуса канала к внутреннему;

- радиус линии тока в эпюре распределения осевых скоростей на входе i-ой секции подвижной лопатки ВНА;

- осевая скорость на линии тока радиуса R в сечении канала согласно эпюре распределения скоростей, приходящейся на i-ю секцию подвижной лопатки;

- средняя осевая скорость потока воздуха проходящего через i-ю секцию подвижной лопатки;

- переменная по радиусу составляющая осевой скорости на линии тока радиусом R i-ой секции подвижной лопатки;

- суммарный угол поворота подвижных лопаток на линии тока радиуса R i-x секций ВНА компрессора;

- угол поворота i-x секций ВНА подвижных лопаток, функционально связанный со средней осевой скоростью потока, приходящегося на i-ю секцию;

- угол поворота подвижных лопаток, функционально связанный с переменной составляющей осевой скорости на линии тока радиуса Ri.

Функциональная связь угла поворота подвижных лопаток от средней осевой скорости потока, приходящегося на i-ю секцию Fi(V_cpi), в свою очередь, может быть заменена на связь угла поворота подвижных лопаток от косвенных факторов, например, частоты вращения ротора компрессора N или от величин уровня давления воздуха при вдуве в пограничный слой. Эта функциональная связь осуществляется с помощью индивидуальной системы регулирования секции. В нее входят рычаги, кольцо привода секции, силовой механизм привода секции как составные части общей системы регулирования ВНА.

Функциональная связь угла поворота подвижных лопаток на линии тока радиусом R i-й секции от переменной составляющей по радиусу осевой скорости Fi(V_Ri) также на линии тока выполняется стационарной круткой пера секции подвижной лопатки входного ВНА относительно сечения радиуса Ri, соответствующего линии тока со средним уровнем осевой скорости i-ой секции на расчетном режиме работы компрессора. Для типичного вида эпюр распределения осевых скоростей секции на других режимах работы компрессора эта зависимость угла поворота подвижных лопаток от переменной составляющей по радиусу осевой скорости будет справедлива с определенной допустимой погрешностью.

Такое выполнение заявленного входного направляющего аппарата позволит обеспечить эффективную работу компрессора в условиях радиальной неравномерности осевой скорости набегающего потока на входе во входной направляющий аппарат.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 - изображен входной направляющий аппарат первой ступени компрессора ТРД, где стрелками показаны примеры эпюр распределения осевых скоростей по радиусу канала на его входе при радиальной неравномерности набегающего потока из-за влияния стенок канала по мере увеличения режима работы компрессора;

на фиг.2 - показан пример эпюр распределения осевых скоростей по радиусу канала на его входе при радиальной неравномерности набегающего потока из-за нагнетания воздуха в пограничный слой основного потока по мере увеличения давления вдуваемого воздуха;

на фиг.3-представлен пример функциональной зависимости угла поворота потока от средней осевой скорости потока, приходящегося на i-ю секцию и косвенно связанного с частотой вращения ротора компрессора;

на фиг.4 - представлен пример функциональной зависимости угла поворота подвижных лопаток на линиях тока от переменной составляющей осевой скорости по радиусу Ri;

на фиг.5 - представлены схемы треугольников скоростей для потоков воздуха в произвольных сечениях двух отдельных секций входного направляющего аппарата.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Неравномерный по радиусу канала поток воздуха на входе ВНА имеет соответствующее распределение осевых скоростей согласно эпюрам 1 (фиг.1, 2).

Входной направляющий аппарат осевого компрессора ТРД (фиг.1) содержит: корпус, составленный из кольцевой цилиндрической части 2 центрального тела (кока) 14 и передних неподвижных стоек 3, соединяющих стенки кольцевого канала с центральным телом. В корпусе установлены перед рабочим колесом компрессора ТРД 11, за передними неподвижными стойками подвижные относительно оси вращения лопасти, разделенные на отдельные секции по количеству кольцевых зон, обозначенных как i = 1, 2, … n, от периферии к центру. Наружные секции - с номерами кольцевых зон 1, 2, … n-1, внутренние - с номером п. Наружные секции 12 каждой отдельной подвижной лопасти выполнены с хвостовиками 8, расположенными со стороны кольцевой цилиндрической части корпуса ВНА (периферии), а внутренние 4 - с цилиндрическими хвостовиками с 2-х сторон 7 и 13. Все наружные секции выполнены с отверстием насквозь вдоль оси вращения вместе с хвостовиками, в которые вставлены хвостовики секций с последующими номерами с возможностью поворота относительно друг друга.

Каждый цилиндрический хвостовик 7 внутренних n-х подвижных секций 4 вставлен в соответствующее сквозное отверстие (n-1)-x внешних секций ВНА. Хвостовики 1-х внешних секций ВНА 8 вставлены в кольцевую цилиндрическую часть корпуса ВНА с возможностью поворота и соединены посредством рычагов 9 с 1-м кольцом механизма привода 10.

Хвостовики (n-1)-x внешних секций ВНА, проходящие через (n-2)-ю внешнюю секцию также соединены посредством (n-1)-x рычагов с соответствующим (n-1)-м кольцом механизма привода.

Цилиндрические хвостовики n-х внутренних секций 7, проходящие через соответствующие (n-1)-e наружные секции 12 с их хвостовиками 8, соединены посредством n-х рычагов 6 с n-м кольцом механизма привода 5.

Каждый внутренний цилиндрический хвостовик n-х внутренних секций 13 установлен в опоре центрального тела 14 с возможностью поворота относительно оси вращения.

Существенными признаками, характеризующими изобретение и отличающимися от существенных признаков прототипа, являются:

1. Подвижные относительно оси вращения лопасти, разделенные на отдельные секции по количеству характерных кольцевых зон, составляющих радиальную неравномерность набегающего потока.

2 Отдельные секции, выполненные с закруткой пера в зависимости от переменной составляющей осевой скорости потока вдоль радиуса канала на входе каждую секцию и установленные соосно телескопическим способом посредством хвостовиков.

3 Наличие автономной системы регулирования угла положения лопастей одноименных подвижных секций ВНА, в зависимости от средней осевой скорости потока, приходящегося на данные секции, или от ее косвенного параметра (числа оборотов компрессора, величины уровня давления воздуха при вдуве в пограничный слой и др.)

Работа входного направляющего аппарата.

Работа входного направляющего аппарата представляется на примере движения неравномерного потока воздуха в канале ТРД на входе в ступень компрессора с формированием кольцевого 2-х зонного (n=2) распределения осевых скоростей по радиусу в виде эпюр 1 (фиг.1), как наиболее распространенных из-за наличия пограничного слоя на стенках канала.

Каждая элементарная струйка потока (линия тока), находящаяся на соответствующем расстоянии R от оси компрессора, имеющая свою составляющую осевой скорости V_R в своей кольцевой зоне 1 или 2, проходит через неподвижные лопатки 3 и, попадая на подвижные лопатки секций 12 или 4, получает наименование составляющих осевых скоростей V_R1 и V_R2, а их средние значения по кольцевым зонам - V_cp1 и V_cp2 соответственно.

В соответствии со значением средней осевой скорости по рассматриваемым одноименным секциям V_cp1 и V_cp2 всех подвижных лопастей ВНА система регулирования ВНА посредством соответствующих силовых механизмов 2-го и 1-го кольца привода 5 и 10, соответствующих рычагов 6 и 9, хвостовиков 7 и 8 устанавливает положение (угол) одноименных подвижных лопастей секций согласно зависимостям или с использованием косвенного параметра числа оборотов компрессора N (пример зависимостей представлен на фиг.3),

Для коррекции с целью оптимизации результирующего направления движения каждой отдельной струйки потока по радиусу канала, попадающего на лопатки рабочего колеса (РК) ступени 11 согласно эпюре осевых скоростей 1, лопасти секций 12 выполняются с круткой пера относительно сечения с радиусом R_cp1, соответствующего линии тока со средним уровнем осевой скорости V_cp1 секции на расчетном режиме работы компрессора Nрасч.

Зависимости местного угла для выполнения крутки пера лопастей подвижных лопаток секций 1 и 2 от переменной по радиусу осевой скорости VRi на расчетном режиме работы компрессора F1(V_R1) и F2(V_R2) определяются из построения треугольников скоростей для каждой линии тока. Примеры функциональных зависимостей местного угла установки лопастей подвижных лопаток секций 1 и 2 от переменной по радиусу осевой скорости VRi для реализации их путем крутки пера на расчетном режиме работы компрессора представлены на фиг.4. Лопасти секций 4 выполнены без крутки пера, поскольку в рассматриваемом примере эпюры 1 распределение по радиусу осевой скорости неизменно (F2(V_R2)=0), в противном случае коррекция с помощью крутки также необходима.

Таким образом, суммарный угол поворота результирующего направления движения каждой отдельной струйки потока по радиусу канала^ попадающего на лопатки рабочего колеса (РК) ступени 11, реализуется согласно формулам для разноименных секций 1 и 2 в виде:

Углы поворота результирующего направления движения каждой отдельной струйки потока по радиусу канала, попадающего на лопатки рабочего колеса (РК) ступени 11, согласуются с углами крутки самих лопаток рабочего колеса, связанных с изменением окружной скорости по радиусу канала с помощью построения треугольников скоростей для выбранных линий тока. Пример треугольников скоростей для произвольно выбранных линий тока секций 1 и 2, где обозначены: V_R1, V_R2 - осевые составляющие скорости на входе, а на выходе C_a1, С_а2 соответственно; C₁, С₂ - векторы скорости на выходе ВНА; u_R1, u_R1 - окружные скорости при вращении РК; ϕ_R1 ϕ_R2 - суммарные углы поворота подвижных лопаток на линии тока радиуса R 1-й и 2-й секций ВНА компрессора; W₁, W₂ - векторы скорости на входе в РК при относительном движении потока на линии тока радиуса R 1-й и 2-й секций, представлен на фиг.5. Как видно из чертежа, углы направления каждой отдельно выбранной линии тока на входе в РК при относительном движении потока таковы, что соответствуют заданным углам положения лопаток РК ϕ₁ и ϕ₂ на линиях тока радиуса R 1-й и 2-й секций ВНА компрессора, что является оптимальным для получения эффективного сжатия компрессора ТРД.

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к входным устройствам компрессоров турбореактивных двигателей (ТРД) летательных аппаратов, и может быть использовано в качестве направляющего аппарата для потоков газа или жидкостей в других областях промышленности. Входной направляющий аппарат ступени осевого компрессора ТРД для условий неравномерного потока на его входе содержит подвижные относительно оси вращения лопасти, разделенные на отдельные секции по количеству характерных кольцевых зон, составляющих радиальную неравномерность набегающего потока. Отдельные секции выполнены с закруткой пера в зависимости от переменной составляющей осевой скорости потока вдоль радиуса канала на входе в каждую секцию и установлены соосно телескопическим способом посредством хвостовиков. В комплексе с автономной системой регулирования угла положения лопастей одноименных подвижных секций ВНА в зависимости от средней осевой скорости потока, приходящегося на данные секции, входной направляющий аппарат ступени осевого компрессора ТРД в условиях неравномерного потока на его входе обеспечивает эффективный угол натекания потока в каждом сечении лопатки рабочего колеса при относительном ее движении по окружности вращения. Изобретение направлено на обеспечение эффективности работы компрессора в условиях неравномерного набегающего потока с заданной эпюрой осевых скоростей на входе во входной направляющий аппарат вдоль радиуса канала. 5 ил.

Входной направляющий аппарат (ВНА) осевого компрессора турбореактивного двигателя для неравномерного по радиусу канала потока на его входе, содержащий корпус, неподвижные стойки и подвижные лопатки, имеющие наружный и внутренний цилиндрические хвостовики, упорный торец и регулируемые с помощью рычагов кольца привода ВНА, механизм привода ВНА, отличающийся тем, что при радиальной неравномерности осевых скоростей в канале перед ВНА подвижные лопасти разделены на секции по количеству и по порядку следования характерных кольцевых зон, составляющих радиальную неравномерность потока, каждая из секций выполнена с закруткой пера в зависимости от переменной составляющей осевой скорости потока вдоль радиуса канала на входе в каждую секцию и посредством хвостовиков установлена соосно телескопическим способом, в свою очередь, каждый хвостовик секции связан с помощью рычагов со своим кольцом привода и механизмом привода системы регулирования угла положения лопастей одноименных подвижных секций ВНА в зависимости от средней осевой скорости потока, приходящегося на данные секции.