ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2023 года по МПК F04D29/70 

Изобретение относится к компрессорам авиационных газотурбинных двигателей и может быть использовано в промышленных газотурбинных установках, позволяет увеличить межремонтный ресурс газотурбинных двигателей (ГТД), повысить эффективность компрессоров и обеспечить их газодинамическую устойчивость.

Известен компрессор авиационного газотурбинного двигателя, состоящий из входного направляющего аппарата и нескольких венцов, последовательно чередующихся в осевом направлении, рабочих лопаток, установленных на вращающемся роторе, и направляющих лопаток, закрепленных в корпусе компрессора. Совокупность одного венца рабочих лопаток и следующего за ним венца направляющих лопаток образует ступень компрессора. Рабочие лопатки одной ступени, установленные в диске, образуют рабочее колесо (РК), а направляющие лопатки одной ступени, закрепленные в корпусе, образуют направляющие аппараты (НА) [Иноземцев, А.А. Газотурбинные двигатели / А.А. Иноземцев, В.Л. Сандрацкий - Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели - Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. - 1204 с. С. 220].

Недостатком известной конструкции является то, что компрессоры газотурбинных двигателей, эксплуатируемые как на летательных аппаратах, так и в наземных установках, подвержены эрозионному износу и в большей степени те, которые эксплуатируются в сложных климатических условиях, характеризующимися повышенными запыленностью и влажностью атмосферы.

Эрозионный износ двухкомпонентным потоком воздуха, содержащим как твердые абразивные частицы, так и капли воды опасен для компрессора авиационного газотурбинного двигателя тем, что приводит к преждевременному выходу из строя всего ГТД, из-за досрочного снятия его с эксплуатации по причине преждевременного изнашивания рабочих лопаток, лабиринтных уплотнений и уплотнительных колец радиального зазора компрессора. Особенно опасность наступления снижения ресурса авиационных двигателей возникает в климатических условиях при повышенных запыленности и влажности атмосферного воздуха, в результате чего ресурс может снижаться более чем в 10 раз. Эрозионный износ неизбежно приводит к снижению запаса газодинамической устойчивости компрессора ΔK_e.

Известно, что эрозионный износ лопаток особенно интенсивен на средних и последних ступенях компрессора. Обусловлено это неравномерностью распределения двухкомпонентного потока воздуха в проточной части компрессора. Под действием центробежных сил от вращения ротора компрессора, частицы пыли и воды приобретают скорость в радиальном направлении и имеют границу запыленности, смещающуюся в тангенциально осевом направлении по проточной части к периферии компрессора, образуя в зоне средних и последних ступеней пристеночный слой двухкомпонентного пылевого потока у корпуса статора. Так, в работе [Кривошеев, И.А. Анализ влияния частиц пыли на параметры ступеней осевого компрессора. / И.А. Кривошеев, С.А. Струговец, Р.Ф. Камаева // Вестник воронежского государственного технического университета. - 2011. - №3 (26). - Т. 1. - С. 50-55], используя известные данные, была построена (расчетным путем) нижняя граница пылевой зоны по высоте проточной части. Из результатов исследования видно, что по мере удаления частиц от входа в компрессор нижняя граница зоны запыленности удаляется от втулки. Внутри этой зоны концентрация частиц неравномерна - она нарастает от нижней границы к периферии.

При этом рабочие и направляющие лопатки первых ступеней подвергаются эрозии по всей высоте (в большей степени со стороны корыта, вблизи передней и задней кромок), тогда как рабочие лопатки последних ступеней имеют ярко выраженное нарастание эрозии по мере приближения к концевому сечению (к периферии), что обусловлено центрифугированием пыли в ступенях. В связи с этим увеличивается концентрация пыли на периферии и лопатки последних ступеней, являющиеся наиболее тонкими, становятся наиболее изнашиваемыми элементами двигателя [Кривошеее, И.А. Анализ влияния частиц пыли на параметры ступеней осевого компрессора. / И.А. Кривошеев, С.А. Струговец, Р.Ф. Камаева // Вестник воронежского государственного технического университета. - 2011. - №3 (26).-Т.1. - С. 50-55.].

Так, задние кромки лопаток последних ступеней малоразмерных двигателей, имеющие толщину всего 120-50 мкм, могут оказаться разрезанными пылью [Перельман, Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов / Р.Г. Перельман. - М.: Машиностроение, 1980. - 245 с. - С. 11-12].

Для решения проблемы эрозионного износа компрессоров используются как воздухоочистительные устройства, устанавливаемые на летательный аппарат, так и интегрированные в состав двигателя. Они в какой-то степени решают задачу по очистке воздуха от частиц пыли и капель воды, но являются недостаточными вследствие расширения географии использования авиационных двигателей и отдельных наземных силовых установок. Поэтому вопрос очистки двухкомпонентного потока воздуха новыми способами и устройствами является актуальным.

Техническим результатом изобретения является увеличение межремонтного ресурса компрессора путем очистки воздуха от твердых частиц пыли и капель воды, а также обеспечение его эффективности и газодинамической устойчивости.

Указанный технический результат достигается тем, что в осевом компрессоре, состоящем из корпуса компрессора, рабочих колес и направляющих аппаратов, корпус компрессора над двумя средними ступенями дополнительно снабжен кожухом, образующим с поверхностью корпуса компрессора полость, которая разделена перегородкой на две части, при этом торцевая стенка нижней части над осевым зазором второй ступени из упомянутых двух средних ступеней выполнена с закруглением, в области упомянутой торцевой стенки в перегородке по окружности выполнен, по меньшей мере, один щелевой канал, а в корпусе компрессора по окружности - один ряд сквозных щелей, в области противоположной торцевой стенки в корпусе компрессора по окружности выполнены сквозные каналы с выходом в область над рабочим колесом первой ступени из упомянутых двух средних ступеней, а часть кожуха, охватывающая верхнюю полость, снабжена перепускным клапаном с суфлером.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими графическими материалами:

фиг. 1 - показывает продольный разрез корпуса компрессора в районе средних ступеней в составе осевого компрессора ГТД;

фиг. 2 - показывает элемент А на фиг.1 в масштабе 7:1;

фиг. 3 - показывает сечение Б-Б устройства на фиг. 1;

фиг. 4 - показывает сечение В-В устройства на фиг. 1.

Сущность изобретения заключается в том, что над двумя средними ступенями компрессор снабжен кожухом 4, образующим полость, которая разделена перегородкой 6 на две части, в области закругленной торцевой стенки 10 выполнены сквозные щели 8 по всей окружности корпуса компрессора, расположенные параллельно его осевой линии для обеспечения прямого входа пристеночного запыленного потока воздуха с частицами пыли и каплями воды, которые по инерции движутся по закругленной торцевой стенке 10, где под действием инерционных и центробежных сил сепарируются через ряды щелевых каналов 9, расположенных под углом, обеспечивающим их улавливание по всей окружности корпуса компрессора, а очищенный поток воздуха движется по нижней части полости 7 кожуха 4 в направлении обратном направлению основного потока компрессора к сквозным каналам 3, расположенным по всей окружности корпуса компрессора с выходом в область над рабочим колесом первой ступени 1 из двух упомянутых средних ступеней, под углом 1…5° к поверхности корпуса компрессора [Патент №2582537, Российская Федерация, МПК F04D 29/68 (2006.01). Осевой компрессор: №2014117379/06: заявл. 29.04.2014: опубл. 10.11.2015 / Клепиков Д.С., Алексеев И.И., Черкасов А.Н., Алексеев А.А., Шарафутдинов А.Г., Звонников В.И..; заявитель ВУНЦ ВВС «ВВА». -11 с: ил. - Текст: непосредственный]. Воздух через сквозные каналы 3, попадая в область над рабочим колесом первой ступени 1 из упомянутых двух средних ступеней, уменьшает вторичные течения, что обеспечивает безвихревые течения в межлопаточном канале по всему венцу ротора ступени и далее сообщается с основным потоком воздуха компрессора. Отсепарированные частицы, проходящие через ряды щелевых каналов 9 попадают в верхнюю часть полости 5 кожуха 4 для улавливания отсепарированных частиц, где осаждаются и периодически по мере заполнения выпускаются в атмосферу в соответствии с программой управления через перепускной клапан с суфлером 2, а кожух изготовлен методом литья из титанового либо жаропрочного сплава и выполнен совместно с компрессором.

Изобретение относится к компрессорам авиационных газотурбинных двигателей и может быть использовано в промышленных газотурбинных установках, позволяет увеличить межремонтный ресурс газотурбинных двигателей, повысить эффективность компрессоров и обеспечить их газодинамическую устойчивость. В корпусе компрессора над двумя средними ступенями дополнительно выполнен кожух, образующий с поверхностью корпуса компрессора полость, которая разделена перегородкой на две части, при этом торцевая стенка нижней части над осевым зазором второй ступени выполнена с закруглением, в области упомянутой торцевой стенки в перегородке по окружности выполнен, по меньшей мере, один щелевой канал, а в корпусе компрессора по окружности - один ряд сквозных щелей, в области противоположной торцевой стенки в корпусе компрессора по окружности выполнены сквозные каналы с выходом в область над рабочим колесом первой ступени или любых предыдущих ступеней, а часть кожуха, охватывающая верхнюю полость, снабжена перепускным клапаном с суфлером. Кожух выполнен совместно с корпусом компрессора методом литья из титанового или жаропрочного сплава. Применение предлагаемого изобретения позволит увеличить межремонтный ресурс и повысить эффективность компрессора, а также обеспечить его газодинамическую устойчивость. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Осевой компрессор, состоящий из корпуса компрессора, рабочих колес и направляющих аппаратов, отличающийся тем, что корпус компрессора над двумя средними ступенями дополнительно снабжен кожухом, образующим с поверхностью корпуса компрессора полость, которая разделена перегородкой на две части, при этом торцевая стенка нижней части полости над осевым зазором второй ступени из упомянутых двух средних ступеней выполнена с закруглением, в области упомянутой торцевой стенки в перегородке по окружности выполнен, по меньшей мере, один ряд щелевых каналов, а в корпусе компрессора по окружности - один ряд сквозных щелей, в области противоположной торцевой стенки в корпусе компрессора по окружности выполнены сквозные каналы с выходом в область над рабочим колесом первой ступени из упомянутых двух средних ступеней, а часть кожуха, охватывающая верхнюю полость, снабжена перепускным клапаном с суфлером.

2. Осевой компрессор по п. 1, отличающийся тем, что сквозные каналы с выходом в область над рабочим колесом могут быть выполнены над любыми ступенями до ступени, в области которой выполнены сквозные щели и ряды щелевых каналов.

3. Осевой компрессор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кожух выполнен совместно с корпусом компрессора методом литья из титанового или жаропрочного сплава.