Ступень осевого компрессора
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам осевых компрессоров газотурбинных двигателей, и позволяет повысить КПД и расширить зону устойчивой работы компрессора. Данный технический результат достигается тем, что ступень осевого компрессора содержит лопатки рабочего колеса и лопатки спрямляющего аппарата, каждая из которых выполнена с антивихревыми ребрами, расположенными поперек продольной оси лопатки, причем ребра, размещенные на лопатках рабочего колеса, расположены напротив ребер, размещенных на лопатках спрямляющего аппарата. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам осевых компрессоров газотурбинных двигателей.
Одной из наиболее сложных и важных проблем проектирования авиационных двигателей и стационарных газотурбинных установок является обеспечение устойчивой безпомпажной работы осевых компрессоров, входящих в состав этих двигателей.
Известные ступени осевого компрессора содержат лопатки рабочего колеса и лопатки спрямляющего аппарата (К.В.Холщевников «Теория и расчет авиационных лопаточных машин. - М.: «Машиностроение», 1970 г., с.211, рис.5.60).
На некоторых режимах полета, например при больших углах атаки, или при работе стационарной газотурбинной установки при низких температурах окружающего воздуха происходит снижение расхода газа через ступень компрессора в условиях сохранения частоты вращения рабочего колеса, изменяющее характер течения воздуха. В этих условиях возрастают аэродинамические нагрузки на профиль лопаток, увеличивается толщина пограничного слоя вокруг профиля, в результате чего отрыв потока от профиля на одной части лопаток вызывает отрыв потока и вихревое движение газа в межлопаточном канале по всей высоте лопатки, что приводит к срыву напора ступени и возникновению режима помпажа. При неустойчивом - «помпажном» режиме работы осевого компрессора резко падает его КПД, возникают значительные нестационарные аэродинамические силы, действующие на лопатки рабочих колес и направляющих аппаратов, часто приводящие к усталостным разрушениям лопаток. Поэтому работа осевого компрессора на границе помпажных режимов крайне опасна, и ее стараются не допускать при эксплуатации компрессора, как в наземных условиях, так и в полете.
Известные способы смещения границы помпажной зоны работы в осевых ступенях компрессора с помощью установки вблизи наружного диаметра лопаток специального лопаточного сепаратора и диафрагмы на входе (см., например, Ершов В.Н. «Неустойчивые режимы турбомашин», «Машгиз», 1966 г., стр.8, рис.2 и стр.164, рис.84) оказываются малоэффективными и приводят к большой осевой длине компрессора и увеличению его веса. С помпажными явлениями можно также бороться с помощью клапанов перепуска воздуха, обеспечивающих при снижении весовых расходов газа через газотурбинный двигатель постоянство расхода через ступень (см. там же, стр.167, рис.87). Однако при уменьшении тяги турбореактивного двигателя самолета и на режимах снижения потребной мощности стационарной газотурбинной установки использование клапанов перепуска снижает экономичность двигателя, так как требует дополнительной затраты мощности на валу компрессора.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение КПД и расширение диапазона бессрывных режимов работы компрессора путем уменьшения воздействия вихревых течений на основной поток рабочего тела.
Задача решается тем, что в ступени осевого компрессора, содержащей лопатки рабочего колеса и лопатки спрямляющего аппарата и лопатки спрямляющего аппарата и лопатки рабочего колеса выполнены с ребрами, размещенными по периметру профиля пера лопатки поперек продольной оси лопатки, причем ребра на лопатках рабочего колеса расположены напротив ребер на лопатках спрямляющего аппарата.
Кроме того, в изобретении может иметь место следующее:
- ребра лопаток рабочего колеса и ребра лопаток спрямляющего аппарата расположены друг относительно друга с минимальным технологически допустимым зазором;
- высота ребер составляет не менее 0,3 толщины профиля лопатки;
- ребра выполнены с толщиной, плавно убывающей от места соединения с пером лопатки к периферии;
- в зоне входных кромок лопаток ребра выполнены с клиновидным заострением.
Выполнение лопаток спрямляющего аппарата и лопаток рабочего колеса с ребрами, размещенными по периметру профиля пера лопатки поперек продольной оси лопатки, и расположение ребер, размещенных на лопатках рабочего колеса напротив ребер, размещенных на лопатках спрямляющего аппарата, позволяет разделить основной поток рабочего тела как минимум на два канала, ограничивая зону распространения образовавшегося вихря и не давая возможности ему радиально воздействовать на оставшуюся часть потока.
Расположение ребер на лопатках рабочего колеса и спрямляющего аппарата относительно друг друга с минимальным технологически допустимым зазором ограничивает возможность перемещения потока по межлопаточным каналам, локализуя вихреобразования в одной, ограниченной ребрами части этих каналов.
Выполнение ребер с высотой, составляющей не менее 0,3 толщины профиля лопатки, обеспечивает повышение аэродинамического сопротивления радиальному перетеканию образовавшихся вихрей через ребра, поскольку такая высота гарантированно превышает максимальную толщину пограничного слоя по профилю лопатки.
Выполнение ребер с толщиной, плавно убывающей от места соединения с пером лопатки к периферии, позволяет ослабить интенсивность стекающих с ребер вихрей и тем самым уменьшить потери энергии.
Выполнение ребер в зоне входных кромок лопаток с клиновидным заострением способствует возникновению у сверхзвуковых лопаток скачка уплотнения, препятствующему образованию вихрей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена ступень осевого компрессора известного типа (стрелками показано направление движение потока в помпажном режиме работы); на фиг.2 - общий вид предлагаемой ступени осевого компрессора, на фиг.3 - сечение А-А фиг.2, на фиг.4 - вид с торца на сверхзвуковую лопатку с ребрами, имеющими клиновидное заострение в зоне входной кромки.
Ступень осевого компрессора содержит рабочее колесо с лопатками 1 и статор с лопатками 2 спрямляющего аппарата. Лопатки 1 и 2 выполнены с антивихревыми ребрами 3. На каждой лопатке может быть размещено одно и более ребер. Ребра 3 на лопатке 1 располагаются напротив ребер 3 на лопатках спрямляющего аппарата, разделяя межлопаточные каналы на части (как минимум на два канала в случае размещения на каждой лопатке по одному ребру). Ребра 3 имеют переменную толщину (см. фиг.3), причем максимальная толщина ребра находится у пера лопатки, а минимальная - на конце ребра. Верхняя поверхность ребра выполнена прямой и лежит ортогонально поверхности пера лопатки, а нижняя поверхность выполнена с наклоном, увеличивающим толщину ребра от периферии к корню, который находится в месте соединения ребра с пером лопатки. Высота ребер h составляет не менее 0,3 толщины профиля лопатки 1 или 2, причем высота ребер на лопатках 2 спрямляющего аппарата может быть больше по значению высоты ребер рабочих лопаток 1. Для сверхзвуковых лопаток ребра 3 в зоне входных кромок 4 выполнены с клиновидным заострением 5. На спинке и корыте пера лопаток ребра могут быть выполнены с постоянной высотой и повторять форму поперечного сечения пера лопатки, в плоскости которого они расположены. В зоне выходных кромок лопаток ребра также могут иметь клиновидное заострение, аналогичное заострению ребер в зоне входных кромок.
При работе компрессора рабочий поток поступает в межлопаточные каналы, образованные перьями лопаток 1 и 2. При встрече рабочего потока с ребрами 3 на лопатках 1 и 2 ограничивается радиальное перемещение потока по длине пера лопатки. Возникающий отрыв пограничного слоя в межлопаточном канале на отдельных радиусах из-за предлагаемых ограничительных ребер локализуется в пространстве между ребер 3 и не распространяется по всей высоте лопатки, обеспечивая устойчивое течение основного рабочего потока.
Такое выполнение ступени осевого компрессора позволяет повысить КПД и расширить зону устойчивой работы компрессора.
1. Ступень осевого компрессора, содержащая лопатки рабочего колеса и лопатки спрямляющего аппарата, отличающаяся тем, что лопатки спрямляющего аппарата и лопатки рабочего колеса выполнены с ребрами, размещенными по периметру профиля пера лопатки поперек продольной оси лопатки, причем ребра на лопатках рабочего колеса расположены напротив ребер на лопатках спрямляющего аппарата.
2. Ступень осевого компрессора по п.1, отличающаяся тем, что ребра лопаток рабочего колеса и ребра лопаток спрямляющего аппарата расположены относительно друг друга с минимальным технологически допустимым зазором.
3. Ступень осевого компрессора по п.2, отличающаяся тем, что высота ребер составляет не менее 0,3 толщины профиля лопатки.
4. Ступень осевого компрессора по п.3, отличающаяся тем, что ребра выполнены с толщиной, плавно убывающей от места соединения с пером лопатки к периферии.
5. Ступень осевого компрессора по п.1, отличающаяся тем, что в зоне входных кромок лопаток ребра выполнены с клиновидным заострением.
