Результат интеллектуальной деятельности: Лопаточный аппарат статора осевого компрессора

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции лопаточного (направляющего или спрямляющего) аппарата статора осевого компрессора газотурбинного двигателя.

Известен спрямляющий аппарат осевого компрессора, содержащий корпус, внутреннее кольцо и лопатки с наружными и внутренними полками. Внутренние полки лопаток приварены аргонно-дуговой сваркой к внутреннему кольцу, а наружные полки в своей передней и задней части приварены роликовой сваркой к корпусу (Авторское свидетельство СССР №358550, опубл. 03.11.1972 г.).

Недостатком известного устройства является то, что оно не исключает перетекания рабочего тела - воздуха через зазоры между полками соседних лопаток и связанных с этим увеличенных потерь его энергии, ведущих к снижению газодинамической эффективности спрямляющего аппарата и осевого компрессора. Кроме того, применение роликовой сварки, обладающей низкими характеристиками сопротивления усталости в условиях вибрационных нагрузок, характерных для спрямляющего аппарата осевого компрессора, снижает его надежность.

Наиболее близким предлагаемому техническому решению является спрямляющий лопаточный аппарат компрессора авиационного двигателя, содержащий внутреннюю обечайку, наружную обечайку и множество лопаток, распределенных по окружности и проходящих в радиальном направлении от внутренней обечайки к наружной обечайке, причем каждая лопатка проходит через соответствующее отверстие, выполненное во внутренней обечайке, и закреплена в этой внутренней обечайке при помощи герметичного цемента. При этом наружные полки лопаток закреплены в наружной обечайке электронно-лучевой сваркой (Патент РФ на изобретение №2317448, опубл. 20.02.2008).

В условиях воздействия вибрационных нагрузок, характерных для спрямляющего лопаточного аппарата компрессора, крепление лопаток во внутренней обечайке с помощью герметичного цемента имеет пониженные характеристики сопротивления усталости. Это ведет к образованию зазоров в сопряжении лопаток с внутренней обечайкой и к перетеканию воздуха между соседними межлопаточными каналами, что увеличивает потери его энергии и снижает газодинамическую эффективность компрессора. При этом ухудшается демпфирование лопаток спрямляющего аппарата и вследствие этого снижается его надежность.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение газодинамической эффективности осевого компрессора путем исключения перетекания воздуха между соседними межлопаточными каналами лопаточного аппарата (направляющего или спрямляющего) его статора, а также на повышение надежности осевого компрессора за счет обеспечения стабильного демпфирования лопаток лопаточного аппарата (направляющего или спрямляющего) его статора.

При создании предлагаемого изобретения решается задача расширения арсенала технических средств - эффективных и надежных лопаточных аппаратов статора осевого компрессора.

Поставленная задача решается тем, что в лопаточном аппарате статора осевого компрессора, содержащем наружную обечайку, внутреннюю обечайку и множество распределенных по окружности и проходящих в радиальном направлении от внутренней обечайки к наружной обечайке лопаток с наружными и внутренними полками, закрепленными, соответственно, в наружной и внутренней обечайках, на внутренних полках лопаток выполнены пазы, а во внутренней обечайке -ответные им выступы, при этом внутренние полки лопаток сопряжены с внутренней обечайкой с натягом по ее конической поверхности и зафиксированы в ней крепежными элементами, установленными в соосные отверстия, выполненные во внутренних полках лопаток и в выступах внутренней обечайки, при этом оси отверстий расположены радиально относительно оси лопаточного аппарата.

Известно, что гидравлические потери в лопаточных аппаратах статора осевого компрессора включают в себя так называемые вторичные потери, обусловленные разностью давлений на корытце и спинке лопаток, вызывающие значительные потери энергии потока рабочего тела (воздуха) вследствие образования "парного вихря" в межлопаточных каналах (Н.Т. Тихонов, Н.Ф. Мусаткин и В.Н. Матвеев "Теория лопаточных машин авиационных газотурбинных двигателей", ГАУ им. СП. Королева, г. Самара 2001 г.). Воздух, перетекающий через зазоры между соседними лопатками лопаточного аппарата, подпитывает своей энергией эти "парные вихри" в межлопаточных каналах, что ведет к повышенным гидравлическим потерям. Кроме того, перетекание воздуха через зазоры уменьшает разность давлений на корытце и спинке лопаток, что снижает энергию, передаваемую лопатками воздуху. Все это ведет к снижению газодинамической эффективности осевого компрессора. Закрепление внутренних полок лопаток лопаточного аппарата в его внутренней обечайке с натягом по ее конической поверхности позволяет исключить зазоры в этом соединении и перетекание воздуха между соседними межлопаточными каналами, что обеспечивает повышение его газодинамической эффективности.

В условиях воздействия вибрационных нагрузок, характерных для лопаточного аппарата компрессора, колебания его лопаток могут приводить к образованию трещин в лопатках и их разрушению, происходящему по истечению относительно непродолжительного периода эксплуатации и приводящему к значительным повреждениям компрессора. Закрепление внутренних полок лопаток лопаточного аппарата в его внутренней обечайке с натягом по ее конической поверхности обеспечивает гашение колебаний лопаток. Внутренние полки лопаток зафиксированы во внутренней обечайке крепежными элементами, установленными в расположенные радиально относительно оси лопаточного аппарата соосные отверстия, выполненные во внутренних полках лопаток и выступах внутренней обечайки. Это обеспечивает стабильное демпфирование лопаток лопаточного аппарата статора осевого компрессора и повышение его надежности.

На чертежах показаны: фиг. 1 - продольный разрез лопаточного аппарата статора осевого компрессора; фиг. 2 - сопряжение внутренних полок лопаток с внутренней обечайкой; фиг. 3 - сопряжение внутренних полок лопаток.

Лопаточный аппарат статора осевого компрессора содержит наружную обечайку 1, внутреннюю обечайку 2 и лопатки 3 с наружными 4 и внутренними 5 полками. Наружные полки 4 лопаток 3 закреплены в наружной обечайке 1 электронно-лучевой сваркой 6. Лопатки 3 своими внутренними полками 5 сопряжены с внутренней обечайкой 2 с натягом по конической поверхности 7. На внутренней полке 5 каждой лопатки 3 со стороны, обращенной к внутренней обечайке 2, выполнен паз 8, сопряженный с ответным выступом 9 внутренней обечайки 2, а также отверстие 10, ось которого ориентирована радиально относительно оси 11 лопаточного аппарата. В выступе 9 внутренней обечайки 2 выполнено отверстие 12, соосное соответствующему отверстию 10 во внутренней обечайке 2. В отверстия 10 и 12 установлен крепежный элемент в виде штифта 13 для фиксации каждой лопатки 3 от ее смещения относительно внутренней обечайки 2 в осевом и окружном направлениях. На поверхность внутренней обечайки 2, контактирующей с гребешками лабиринтного уплотнения ротора компрессора (не показаны), нанесено легкосрабатываемое покрытие 14. Между внутренними полками 5 соседних лопаток 3 предусмотрен монтажный зазор 15. На коническую поверхность 7 в местах сопряжения 16 по контуру внутренних полок 5 лопаток 3 и внутренней обечайки 2, а так же в монтажный зазор 15 перед сборкой может быть дополнительно нанесен теплостойкий герметик: кремнийорганическая эмаль типа КО-856 по ТУ 6-10-11-ВИАМ-83-87, органо-силикатная композиция типа ОС-82-05 по ТУ 84-725-78 и т.п..

При неработающем двигателе лопаточный аппарат статора осевого компрессора, включающий наружную обечайку 1, внутреннюю обечайку 2 и лопатки 3 с наружными 4 и внутренними 5 полками, контактирует своим легкосрабатываемым покрытием 14 внутреннего кольца 2 с гребешками лабиринтного уплотнения ротора компрессора (не показано).

При работе двигателя ротор его компрессора (не показан) вращается относительно оси 11. Воздух движется по межлопаточным каналам, образованным наружной обечайкой 1, внутренней обечайкой 2 и лопатками 3, полки 4 которых закреплены электроннолучевой сваркой 6 в наружной обечайке 1, а их внутренние полки 5 закреплены во внутренней обечайке 2 с натягом по конической поверхности 7, что исключает перетекание воздуха между соседними межлопаточными каналами лопаточного аппарата. Уплотнение между входом в лопаточный аппарат статора осевого компрессора и выходом из него осуществляется по легкосрабатываемому покрытию 14 внутреннего кольца 2 во взаимодействии с гребешками лабиринтного уплотнения ротора компрессора (не показан). Штифты 13, установленные в соосные отверстия 10 во внутренних полках лопаток 3 и отверстия 12 в выступах 9 внутренней обечайки 2, сопряженных с пазами 8 во внутренней полке каждой лопатки 3, фиксируют их в осевом и окружном направлениях, обеспечивая стабильное демпфирование лопаток в условиях вибрационных нагрузок, характерных для лопаточного аппарата статора осевого компрессора.

Таким образом, предлагаемая конструкция лопаточного аппарата статора осевого компрессора позволяет исключить перетекание воздуха между соседними межлопаточными каналами лопаточного аппарата, что ведет к повышению его газодинамической эффективности, а также обеспечить стабильное демпфирование его лопаток и тем самым повысить надежность.