Осевой компрессор

Осевой компрессор

Реферат

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в осевых компрессорах для совершенствования их аэродинамики за счет управления течением у корпуса рабочих колес.

Наиболее близким по технической сущности заявленному изобретению является конструкция осевого компрессора, содержащего корпус и установленные попарно вращающиеся и неподвижные венцы лопаток. Каждый вращающийся венец лопаток образует рабочее колесо, а каждый неподвижный венец лопаток - направляющий аппарат. Рабочее колесо и направляющий аппарат образуют ступень осевого компрессора. В ступенях осевого компрессора, между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью корпуса, всегда имеется конструктивный радиальный зазор (см., например, Нечаев Ю.Н. Теория авиационных двигателей, ч. 1. Учебник для ВУЗов ВВС. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005. 366 с. С. 57-58, 89).

Недостатком известной конструкции является то, что в районе законцовок перьев лопаток рабочего колеса имеют место потери от перетечек, обусловленные наличием радиального зазора, которые слагаются из потерь от утечек через зазор в осевом направлении и перетечек через торец лопатки со стороны высокого давления (корыта) на сторону низкого давления (спинку) (см., например, Ржавин Ю.А., Емин О.Н., Карасев В.Н. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория и расчет: Учебное пособие. - М.: МАИ - ПРИНТ, 2008. 700 с. С.152-153).

Перетекание воздуха через радиальный зазор приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени. Бесполезные затраты энергии на перетекание воздуха через радиальный зазор и на создание вихревого течения у законцовок перьев лопаток вблизи радиального зазора обуславливают, кроме того, падение КПД ступени. Все это приводит к снижению напора (адиабатной работы) ступени (см., например, Нечаев Ю.Н. Теория авиационных двигателей, ч. 1. Учебник для ВУЗов ВВС. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005. 366 с. С. 90-91).

Техническим результатом изобретения является совершенствование аэродинамики проточной части осевого компрессора путем применения выдува рабочего тела из корпуса рабочего колеса для создания условий предотвращения перетекания воздуха через радиальный зазор, выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока у корпуса рабочего колеса и в радиальном зазоре.

Сущность изобретения заключается в том, что при движении воздуха у корпуса рабочего колеса осевого компрессора по отношению к идеальному расчетному режиму течения в i точке у корпуса рабочего колеса, представленному с помощью треугольника скоростей (см. фиг. 1), в результате трения воздуха о корпус и перетекания в радиальном зазоре изменяется направление и значение абсолютной скорости с_i на c_ip, таким образом, что при равных окружных скоростях u_i=u_ip приводит к уменьшению осевой составляющей абсолютной скорости с_ai до с_аiр и изменению направления и значения относительной скорости w_i на w_ip, а следовательно увеличению угла отставания потока δ_i. Вследствие этого возникают срывные явления на спинке лопатки рабочего колеса, приводящие к увеличению аэродинамических потерь в проточной части у корпуса рабочего колеса.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что одним из эффективных способов управления течением у корпуса рабочего колеса, в том числе и в радиальном зазоре, является применение выдува рабочего тела из корпуса осевого компрессора над лопатками рабочих колес. Скорость выдува c_iв=c_i и угол выдува ψ рабочего тела, в том числе и на расчетных режимах работы компрессора, должны обеспечить значение и направление абсолютной скорости c_i равными расчетным. При этом увеличивается осевая составляющая абсолютной скорости до c_ai и изменяются направление и значение относительной скорости W; в направлении уменьшения угла отставания потока δ_i до значений, близких либо равных 0. В этом случае достигается безотрывное обтекание лопаток рабочего колеса и уменьшаются аэродинамические потери у корпуса в проточной части осевого компрессора, что приводит к созданию условий выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока у корпуса рабочего колеса и в радиальном зазоре.

Требуемые скорость и направление потока определяются значениями, соответствующими расчетному режиму течения без учета трения и перетекания в радиальном зазоре. Скорость выдува c_iв и угол выдува ψ определяются путем построения плана скоростей (см. фиг. 1), в каждой i точке межлопаточного канала, исходя из условий:

- осевая составляющая абсолютной скорости c_ai определяется расходом воздуха G через рабочее колесо;

- направление относительной скорости w_i совпадает с касательной к средней линии профиля лопатки на рассматриваемом радиусе r_i от центра вращения и местоположения 1_i i точки относительно носика лопатки по ее хорде b_рк;

- окружная скорость u_i определяется частотой вращения n рабочего колеса и радиусом r_i от центра вращения.

Перечень фигур чертежей

На представленных чертежах:

Фиг. 1 показывает планы скоростей в i точке межлопаточного канала, соответствующие:

- рабочему режиму течения с учетом трения и перетекания в радиальном зазоре, где: вектор абсолютной скорости c_ip, вектор осевой составляющей абсолютной скорости c_aip, вектор окружной скорости u_ip, вектор относительной скорости w_ip;

- режиму течения с учетом выдува рабочего тела из корпуса осевого компрессора над лопатками рабочих колес, соответствующему условиям выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока у корпуса и в радиальном зазоре и равному идеальному расчетному режиму течения без учета трения и перетекания в радиальном зазоре, где: вектор абсолютной скорости c_i, вектор осевой составляющей абсолютной скорости с_аi, вектор окружной скорости u_i, вектор относительной скорости w_i.

Фиг. 2 показывает продольный разрез ступени осевого компрессора с конструктивным выполнением выдува рабочего тела, где 1 - корпус компрессора, 2 - рабочее колесо, 3 - кольцевая проставка, 4 - подводящий канал, 5 - кольцевая полость, 6 - трубопровод подвода рабочего тела, 7 - штуцер подвода рабочего тела.

Фиг. 3 показывает элемент I на фиг. 2 в масштабе 4:1.

Фиг. 4 показывает поперечный разрез А-А на фиг. 2 в масштабе 2:1.

Фиг. 5 показывает продольный разрез ступени осевого компрессора с установленной на корпусе п-образной надставкой.

Указанный технический результат достигается тем, что в корпусе компрессора 1 (см. фиг. 2) над лопатками рабочих колес 2 с внутренней стороны выполнена кольцевая проточка прямоугольной формы, в которую установлена кольцевая проставка 3, с внутренней стороны корпуса которой выполнены равномерно распределенные по всему диаметру подводящие каналы 4, обеспечивающие выдув рабочего тела из кольцевой полости 5, образующейся между корпусом и кольцевой проставкой, в радиальный зазор осевого компрессора под углом φ (см. фиг. 3), равным 1-5 градусов, в вертикальной плоскости относительно внутренней поверхности корпуса, в горизонтальной плоскости под углом ψ (см. фиг. 4) относительно фронта решетки профилей. Подвод рабочего тела в кольцевую полость осуществляется от последних ступеней компрессора либо от любого другого источника подачи рабочего тела через устройство подвода, которое выполнено в виде 4-8 штуцеров 7, установленных непосредственно над кольцевой полостью, пропорционально распределенных по окружности корпуса компрессора.

Местоположение точки выдува по хорде лопатки l_i (см. фиг. 1), количество подводящих каналов для каждой ступени определяют из условия минимизации их количества и минимизации расхода рабочего тела при обеспечении требуемых величины и направления абсолютной скорости, соответствующей идеальному расчетному течению.

Кроме того, подводящие каналы могут быть выполнены непосредственно в корпусе осевого компрессора над рабочим колесом, а кольцевая полость и устройство подвода рабочего тела выполнены сверху корпуса путем установки на нем п-образной надставки 8 (см. фиг. 5).

Применение предлагаемого изобретения позволит повысить степень повышения давления, коэффициент полезного действия и запас газодинамической устойчивости осевого компрессора.

1. Осевой компрессор, содержащий корпус, лопаточный венец рабочего колеса, направляющий аппарат, отличающийся тем, что в корпусе над лопатками рабочих колес, по крайней мере одной ступени, выполнена кольцевая полость, с внешней стороны корпуса установлено устройство подвода рабочего тела в кольцевую полость, а с внутренней стороны корпуса выполнены равномерно распределенные по всему диаметру корпуса подводящие каналы, обеспечивающие выдув рабочего тела из кольцевой полости в проточную часть осевого компрессора под углом 1-5 градусов в вертикальной плоскости относительно внутренней поверхности корпуса, а угол расположения в горизонтальной плоскости, местоположение точек выдува рабочего тела и количество подводящих каналов для каждой ступени определяют из условия минимизации количества подводящих каналов и минимизации расхода рабочего тела при обеспечении режима течения, с учетом выдува рабочего тела, соответствующего условиям выравнивания направления и обеспечения равномерного поля скоростей потока воздуха у корпуса рабочего колеса и в радиальном зазоре, равного идеальному расчетному режиму течения без учета трения и перетекания в радиальном зазоре.

2. Осевой компрессор по п. 1, отличающийся тем, что подводящие каналы выполнены непосредственно в корпусе осевого компрессора, а кольцевая полость и устройство подвода рабочего тела выполнены сверху корпуса путем установки на нем п-образной надставки.