Результат интеллектуальной деятельности: СТУПЕНЬ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известен компрессор газотурбинного двигателя с поворотным входным направляющим аппаратом и последующими за ним шестью поворотными направляющими аппаратами (Вьюнов С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1981 г., стр.55, рис.3.5).

Недостатком известной конструкции является низкий КПД из-за паразитных утечек сжимаемого воздуха по зазорам в поворотных направляющих аппаратах.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является ступень осевого компрессора, в которой над рабочей лопаткой размещена кольцевая полость, соединенная с проточной частью компрессора выполненными в статорном кольце наклонными щелевыми пазами, расположенными над входной частью рабочих лопаток, а также с размещенным на статорном кольце легкоистирающимся покрытием, расположенным над остальной частью рабочих лопаток (патент SU №1275994 А1) - прототип.

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является пониженный КПД компрессора и пониженные запасы его газодинамической устойчивости.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении КПД и газодинамической устойчивости компрессора путем улучшения циркуляции воздуха в полости над рабочей лопаткой.

Сущность технического решения заключается в том, что в ступени осевого компрессора, содержащей направляющие и рабочие лопатки, последовательно размещенные в корпусе, имеющем кольцевую полость над рабочими лопатками, соединенную с проточной частью компрессора выполненными в статорном кольце наклонными щелевыми пазами, расположенными над входной частью рабочих лопаток, а также с размещенным на статорном кольце легкоистирающимся покрытием, расположенным над остальной частью рабочих лопаток, согласно изобретению, торцовые стенки щелевых пазов выполнены в форме дуг окружности, обращенных в кольцевую полость, а статорное кольцо со стороны направляющих лопаток выполнено с уступом в проточную часть компрессора, при этом δ₁/δ₂=0,3...2 и H/h=10...30, где

δ₁ - высота уступа статорного кольца,

δ₂ - монтажный зазор между периферийным торцом рабочей лопатки и легкоистираемым покрытием,

h - радиальная высота кольцевой полости над задней торцовой стенкой щелевого паза,

Н - высота пера рабочей лопатки под задней торцовой стенкой щелевого паза.

Выполнение торцовых стенок щелевых пазов в форме дуг окружности, обращенных в кольцевую полость, способствует формированию кольцевого вихревого потока воздуха в пристеночной периферийной зоне проточной части компрессора, при этом заходная дуга окружности на задней торцовой стенке щелевого паза способствует увеличению давления в кольцевой полости за счет динамического напора потока воздуха, а обратная ей дуга окружности на передней торцовой стенке щелевого паза способствует отсосу воздуха из кольцевой полости в проточную часть компрессора. Таким образом, забираемый из проточной части компрессора воздух тормозится с минимальными потерями, а затем «выдавливается» в проточную часть компрессора, туда, где есть провалы (неравномерности) давления воздуха по окружности, увеличивая таким образом расход воздуха на входе в рабочую лопатку, в результате чего осевая скорость потока воздуха увеличивается, а угол атаки потока воздуха становится оптимальным. Такая оптимизация углов атаки потока воздуха на входе в рабочую лопатку способствует повышению запасов газодинамической устойчивости и КПД компрессора и уменьшает вибронапряжения в рабочих лопатках.

Выполнение статорного кольца со стороны направляющих лопаток с уступом в проточную часть компрессора способствует заходу циркулирующего воздуха из кольцевой полости в проточную часть компрессора с минимальными гидравлическими потерями.

При δ₁/δ₂<0,3 - снижается надежность компрессора из-за увеличения потерь при входе циркулирующего воздуха из кольцевой полости в проточную часть компрессора и повышения вибронапряжений на рабочей лопатке.

При δ₁/δ₂>2 - снижается КПД компрессора из-за увеличенной высоты уступа в проточной части.

При H/h<10 - снижается надежность компрессора из-за уменьшения запасов газодинамической устойчивости вследствие увеличения объема присоединенных полостей и увеличения веса компрессора.

При H/h>30 - снижается надежность компрессора из-за повышения гидравлических потерь при циркуляции воздуха, уменьшения запасов газодинамической устойчивости и увеличения вибронапряжений.

На фиг.1 изображена ступень компрессора газотурбинного двигателя в разрезе.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Ступень 1 компрессора имеет статор 2 с входным направляющим аппаратом 3 с поворотными лопатками 4, а также с поворотным направляющим аппаратом 5 с лопатками 6, и ротор 7, на рабочем колесе 8 которого установлены рабочие лопатки 9. С внешней стороны от рабочих лопаток 9 в статоре 2 выполнена кольцевая полость 10, с наружной стороны ограниченная корпусом 11. С внутренней стороны полость 10 отделена от проточной части 12 компрессора статорным кольцом 13, в котором выполнены щелевые пазы 14, соединяющие кольцевую полость 10 с проточной частью 12. Щелевые пазы 14 расположены частично над входной частью 16 рабочих лопаток 9. Передняя торцовая стенка 17 паза 14 по потоку воздуха 18 в проточной части 12 компрессора, а также задняя торцовая стенка 19 паза 14 выполнены в форме дуг окружности 20 и 21, соответственно, обращенных в сторону кольцевой полости 10. Заходная дуга окружности 21 на задней торцевой стенке 19 способствует втеканию вихревого потока 22 воздуха в кольцевую полость 10, а выходная дуга окружности 20 на передней торцовой стенке 17 способствует выходу вихревого потока 22 воздуха из кольцевой полости 10 в проточную часть 12 компрессора с минимальными гидравлическими потерями. При этом появляется циркулирующее течение воздуха с увеличением эффективного расхода для повышения гидродинамической устойчивости. Кроме того, такая геометрия пазов позволяет выполнить их обычной дисковой фрезой, т.е. в форме дуг окружности. Статорное кольцо 13 вне возможной зоны 23 его контакта с рабочей лопаткой 9 со стороны входа 24 в эту лопатку выполнено с уступом 25 в проточную часть 12 компрессора, что также уменьшает гидравлические потери при входе циркулирующего потока 22 в проточную часть 12 компрессора. Для снижения паразитных утечек между статором и ротором статорное кольцо 13 снабжено также легкоистираемым покрытием 26 с зазором δ₂ между покрытием 26 и верхним торцом 27 пера 28 лопатки 9.

При работе газотурбинного двигателя на переходных режимах работы лопатки 4 поворотного входного направляющего аппарата 3 для уменьшения расхода воздуха через первые ступени компрессора поворачиваются, что приводит к появлению неоптимальных углов атаки потока воздуха 18 на рабочую лопатку 9. Аналогичные явления происходят при появлении неоднородностей потока воздуха 18 на входе в компрессор и рабочую лопатку 9, что могло бы привести к срывным явлениям на лопатке 9, снижению запасов газодинамической устойчивости, повышению вибронапряжений на лопатке 9 и ее поломке. Однако этого не происходит, так как в этом случае в канале между рабочими лопатками 9, в районе горла лопаточной решетки, резко повышается статическое давление, что приводит к циркуляции потока воздуха 22 через щелевые пазы 14 от задней торцовой стенки 19 с заходной дугой окружности 21 через кольцевую полость 10 к передней торцовой стенке 17 с выходной дугой окружности 20, где статическое давление меньше. Выполнение заходной дуги окружности 21 и входной дуги окружности 20 способствует увеличению разницы давления воздуха в кольцевой полости 10 и увеличению циркуляции потока воздуха 22. В результате образования устойчиво циркулирующего потока воздуха 22 увеличивается расход воздуха через входную кромку 24 рабочей лопатки 9 и, соответственно, осевая скорость потока воздуха, что приводит к оптимизации углов атаки потока воздуха 18 на входную кромку 24 рабочей лопатки 9, снижению вибронапряжений и к повышению запасов газодинамической устойчивости и КПД.