Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности и кпд компрессора и снижении расходов на изготовление и ремонт за счет повышения запасов газодинамической устойчивости и минимизации количества ступеней поворотных направляющих лопаток. Сущность изобретения заключается в том, что в высоконапорном компрессоре газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает размещенные в проточной части рабочую лопатку и следующую за ней лопатку направляющего аппарата, согласно изобретению отношение площади F_вх.1 проточной части компрессора на входе в первую рабочую лопатку к площади F_вых.1 проточной части на выходе из первой ступени составляет 1,6-2,2, отношение площади F_вх.2 проточной части компрессора на входе во вторую рабочую лопатку к площади F_вых.2 проточной части компрессора на выходе из компрессора составляет 2,5-3,2, а число Z ступеней компрессора, следующих за первой, равно 4-6. 1 ил.

 

Изобретение относится к высоконапорным 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 к заявляемому является высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, в котором третья, четвертая, пятая, шестая и седьмая ступени выполнены высоконапорными, т.е. с повышенной степенью сжатия за счет «поджатия» проточной части 3...7 ступеней компрессора [Патент РФ №2243419, F04D 29/60, 2004 г.]. Недостатками известной конструкции являются низкие характеристики надежности и кпд компрессора из-за большого числа ступеней, включая первые две с поворотными направляющими аппаратами.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности и кпд компрессора и снижении расходов на изготовление и ремонт за счет повышения запасов газодинамической устойчивости и минимизации количества ступеней поворотных направляющих лопаток.

Сущность изобретения заключается в том, что в высоконапорном компрессоре газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает размещенные в проточной части рабочую лопатку и следующую за ней лопатку направляющего аппарата, согласно изобретению отношение площади F_вх.1 проточной части компрессора на входе в первую рабочую лопатку к площади F_вых.1 проточной части на выходе из первой ступени составляет 1,6-2,2, отношение площади F_вх.2 проточной части компрессора на входе во вторую рабочую лопатку к площади Р_вых.2 проточной части компрессора на выходе из компрессора составляет 2,5-3,2, а число Z ступеней компрессора, следующих за первой, равно 4-6.

Выполнение соотношений F_вх.1/F_вых.1=1,6-2,2 и F_вх.2/F_вых.2=2,5-3,2 позволяет изготавливать первую от входа ступень компрессора высоконапорной и сверхзвуковой со степенью сжатия π_сж≈2,3...2,4 (степень сжатия π_к=14) с минимальным количеством ступеней (4-6). Последующие за первой 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 высоконапорная ступень, то она выполнена с большими размерами по сравнению с последующими ступенями и с утолщенными профилями, т.е. устойчивой к динамическому воздействию потока воздуха и к повреждению посторонними предметами. Это позволяет минимизировать отрицательное воздействие паразитных утечек воздуха через радиальные зазоры между статором и ротором на кпд компрессора.

Обтекание последующих за первой ступеней 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. Применение первой высоконапорной ступени в компрессоре позволяет существенно снизить расходы на его изготовление за счет минимального количества ступеней и по этой же причине снизить расходы при ремонте компрессора.

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

При F_вх.1/F_вых.1>2,2 увеличиваются гидравлические потери в первой сверхзвуковой ступени компрессора, что также приводит к снижению кпд компрессора.

При F_вх.2/F_вых.2<2,5 для сохранения общей степени компрессора потребуется существенное увеличение степени сжатия в первой ступени.

Увеличение гидравлических потерь в последующих за первой ступенях компрессора и снижение его кпд наблюдается при F_вх.2/F_вых.2>3,2.

При Z<4 снизится кпд и надежность компрессора, а при Z>6 существенно возрастет количество деталей и осевые габариты компрессора.

На чертеже показан продольный разрез высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя заявляемой конструкции.

Высоконапорный компрессор 1 газотурбинного двигателя состоит из статора 2 и ротора 3. В проточной части 4 между статором 2 и ротором 3 размещены, начиная с входа 5 в компрессор 1, лопатки 6 поворотного входного направляющего аппарата 7, рабочие лопатки первой ступени 8 и поворотные направляющие лопатки 9 первой ступени. Рабочие лопатки 8 и направляющие лопатки 9 образуют первую высоконапорную ступень 10 компрессора 1. За первой ступенью 10 размещены рабочие 11 и направляющие 12 лопатки последующих низконапорных ступеней 13 компрессора 1.

Поток воздуха 14 поступает на вход 5 компрессора 1 и выходит на выходе 15.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

При работе высоконапорного компрессора 1 поток воздуха 14 с входа 5 поступает в поворотный входной направляющий аппарат 7, откуда поступает на рабочие лопатки 8 высоконапорной сверхзвуковой первой ступени 10. Кинетическая энергия ускоренного лопатками 8 потока воздуха 14 превращается в потенциальную энергию сжатия в направляющих лопатках 9 первой ступени 10.

Воздух 14 из высоконапорной первой ступени 10 поступает в последующие низконапорные ступени 13, где происходит его дальнейшее сжатие с высоким кпд цикла сжатия.

Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя, каждая ступень которого включает размещенные в проточной части рабочую лопатку и следующую за ней лопатку направляющего аппарата, отличающийся тем, что отношение площади F_вх.1 проточной части компрессора на входе в первую рабочую лопатку к площади F_вых.1 проточной части на выходе из первой ступени составляет 1,6-2,2, отношение площади F_вх.2 проточной части компрессора на входе во вторую рабочую лопатку к площади F_вых.2 проточной части компрессора на выходе из компрессора составляет 2,5-3,2, а число Z ступеней компрессора, следующих за первой, равно 4-6.