БИРОТАТИВНЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
BIROTARY COMPRESSOR OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например авиационных.
В настоящее время для повышения КПД рабочего цикла ГТД с высоким расходом воздуха, в основном применяются схемы лопаточных компрессоров, содержащие последовательный ряд ступеней повышения давления рабочего тела (воздуха). Каждая из ступеней содержит венец рабочих лопаток, укрепленных на ободе несущего диска, входящего в состав ротора компрессора и установленный вслед за ним венец спрямляющих лопаток, соединенных кольцевыми обечайками, входящими в состав статора компрессора. Степень повышения давления воздуха одной ступени составляет обычно 1,4 при КПД 0,93.
При необходимости повышения степени давления воздуха в компрессоре ≥20, ступени группируют в виде каскадов низкого давления (КНД) и каскадов высокого давления (КВД), с размещением кольцевых венцов рабочих лопаток на двух и более роторах, которые имеют возможность вращения в одном или в противоположных направлениях и приводятся в движение концентрически расположенными приводными валами с регулируемой в зависимости от режима работы ГТД частотой их вращения.
Вследствие нахождения линий тока воздуха на разных радиусах проточного тракта компрессора, профиль пера рабочих и спрямляющих лопаток выполнен переменным по высоте, что усложняет и удорожает изготовление лопаток.
Наиболее распространенная в настоящее время последовательная схема расположения ступеней КНД и КВД в компрессоре, наличие многочисленных дисков ротора, фланцев статора и венцов рабочих и спрямляющих лопаток, превращает компрессор ГТД в сложную, ненадежную конструкцию с высокими габаритными характеристиками.
Известны компрессоры с радиальным движением потока воздуха от втулки рабочего колеса к его периферии. Их применение ограничивается незначительной степенью повышения давления одной ступени (≤9) при КПД 0,84 и, главное - ограниченным лобовым расходом воздуха, связанным с допустимыми радиальными габаритами рабочего колеса (см., например, К.В. Холщевников. «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», М., «Машиностроение», 1970 г., стр. 207).
Известен компрессор ГТД, содержащий корпус цилиндрической формы с входным и выходным каналами, в корпусе с возможностью вращения в противоположных направлениях концентрично друг другу смонтированы наружный и внутренний приводные валы с закрепленными на них дисками. В пространстве между дисками, концентрично продольной оси валов размещены лопаточные венцы, каждый из которых состоит из двух кольцеобразных обойм, жестко скрепленных между собой аэродинамически профилированными рабочими лопатками. Лопаточные венцы прикреплены к кольцевым дискам поочередно - либо к одному диску, либо к другому таким образом, что гребешки, имеющиеся на наружных свободных торцевых поверхностях обойм, входят в соответствующие кольцевые канавки дисков, образуя лабиринтные уплотнения и разделяя проточный тракт компрессора, образованный в пространстве между дисками, на ряд ступеней, обеспечивающих повышение давления воздуха при прохождении его через лопаточные венцы.
В процессе работы ГТД, его газовая турбина раскручивает приводные валы и соединенные с ними диски компрессора вместе с прикрепленными к ним лопаточными венцами с рабочими лопатками в противоположных направлениях, захватываемый ими воздух поступает через входной канал в проточную часть компрессора, где, проходя в центростремительном движении через лопаточные венцы, сжимается до необходимой степени и далее поступает в поворотную камеру, являющуюся продолжением проточного тракта компрессора, из которой через выходные каналы наружного приводного вала поступает в полость камеры сгорания ГТД (см. патент РФ №2239098, кл. F04D 17/00, 2004 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данного компрессора необходимо отметить, что наличие одного каскада дисков с рабочими лопатками не позволяет обеспечить высокую степень повышения давления воздуха на выходе компрессора и обеспечить заданный высокий расход воздуха. Увеличение в каскаде количества ступеней для повышения степени давления воздуха приводит к увеличению радиальных габаритов компрессора, а увеличение размеров проточного тракта для повышения расхода воздуха приводит к увеличению осевых габаритов. Весьма существенно также и то, что воздух из поворотной камеры поступает в камеру сгорания ГТД с высокой степенью закрутки и с разной плотностью по выходному сечению, что негативно сказывается на работе ГТД.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка конструкции биротативного компрессора незначительных осевых габаритов, с высокой (>25) степенью повышения давления и высоким расходом воздуха, обеспечивающего подачу воздуха в камеру сгорания ГТД с оптимальными параметрами на всех режимах работы ГТД.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в биротативном компрессоре ГТД, содержащем корпус с входным и выходным каналами, в корпусе с возможностью вращения концентрично один в другом смонтированы наружный и внутренний валы, на валах установлены диски, на дисках закреплены размещенные в пространстве между ними кольцевые венцы рабочих лопаток, образующие каскад низкого давления, вход проточной части которого сообщен с входным каналом корпуса, а выход - с входом кольцевой поворотной камеры, новым является то, что в кольцевой поворотной камере смонтирован кольцевой дефлектор, а ее выход сообщен с имеющимся в закрепленном на наружном валу диска радиальным каналом, в котором смонтированы венцы рабочих лопаток, образующие каскад высокого давления, выход проточной части которого сообщен с выходным каналом корпуса, при этом в выходном канале корпуса имеются диффузор и спрямляющая решетка, предназначенная для снижения закрутки потока воздуха на выходе из компрессора.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлен биротативный компрессор ГТД, осевой разрез.
Биротативный компрессор ГТД содержит корпус 1 цилиндрической формы, на образующей боковой поверхности которого имеется входной канал 2, расположенный у передней стенки 3 корпуса и предназначенный для подачи воздуха в проточный тракт компрессора, сообщенный с выходным каналом (позицией не обозначен), выполненным в корпусе 1 в области его задней стенки 5. В выходном канале размещена спрямляющая решетка 4.
В корпусе 1 посредством опор качения 6 смонтирован приводной (внутренний) вал 7, снаружи которого и концентрично ему смонтирован наружный полый приводной вал 8.
Валы 7 и 8 имеют возможность вращения, предпочтительно в противоположных направлениях.
На валу 7 смонтирован размещенный в полости корпуса 1 диск 10, на торце которого закреплены установленные параллельно валу 7 кольцевые венцы рабочих лопаток 11.
На валу 8 установлен диск 12, имеющий сообщенный с выходным каналом проточный радиальный канал (позицией не обозначен), в котором размещены венцы рабочих лопаток 13. Диск 12 смонтирован в полости корпуса 1 посредством опор качения 9.
На торце 14 диска 12, обращенном к диску 10, параллельно валу 8 закреплены собранные в кольцевые венцы рабочие лопатки 15, размещенные в кольцевых промежутках между кольцевыми венцами рабочих лопаток 11. Пространство (проточная часть) между торцами дисков 10 и 12, с размещенными в нем кольцевыми венцами рабочих лопаток 11 и 15, образуют КНД компрессора.
В дисках 10 и 12 имеются полости (позицией не обозначены), образующие в собранном положении радиального компрессора кольцевую поворотную камеру 16, входом сообщенную с выходом проточной части КНД, а выходом - с проточным радиальным каналом, закрепленным на наружном валу 8 диска 12, в котором размещены венцы рабочих лопаток 13, образующие KBД.
В кольцевой поворотной камере 16 известным образом, например, посредством закрепленных на одном из дисков стоек 17, установлен кольцевой дефлектор 18. Кольцевой дефлектор 18 предназначен для снижения закрутки потока воздуха при его повороте в кольцевой поворотной камере 16 перед поступлением на кольцевые венцы рабочих лопаток 13 КВД.
Проточные каналы КНД и КВД, а также размещенная между ними кольцевая поворотная камера образуют проточный тракт компрессора.
В выходном канале корпуса 1 имеется диффузор 19, который может быть образован формой канала или выполнен в виде отдельного элемента, установленного в выходном канале. Для патентуемого решения это непринципиально.
За диффузором 19 (по направлению движения воздуха) размещена упомянутая выше спрямляющая решетка 4, выполненная известным образом, например, в виде наружного и внутреннего колец, соединенных лопатками или в виде одного кольца, на наружной или внутренней образующей поверхности которого закреплены лопатки.
Биротативный компрессор ГТД работает следующим образом.
На низких режимах загрузки ГТД вал 7 имеет газодинамически обусловленную, пониженную относительно вала 8 частоту вращения, обеспечивая устойчивую работу биротативного компрессора.
На рабочих режимах ГТД частоты вращения валов 7 и 8 компрессора сближаются по модулю и режим работы оптимизируется.
При работе биротативного компрессора воздух через входной канал 2 поступает в проточную часть КНД. Входящие в состав КНД и размещенные в проточной части сгруппированные попеременно и концентрично кольцевые венцы рабочих лопаток 11 и 15 обеспечивают центростремительное направление движения потока воздуха в проточной части КНД и повышение степени его давления.
Из проточной части КНД центростремительный поток воздуха повышенного давления поступает в кольцевую поворотную камеру 16, проходя по которой меняет направление и в которой посредством дефлектора 18 снижается степень его закрутки, после чего он попадает на венцы рабочих лопаток 13 КВД. Получив при прохождении через КВД дополнительное увеличение момента количества движения, поток воздуха поступает в выходной канал корпуса 1.
В выходном канале при прохождении через кольцевой диффузор 19, скорость потока, а следовательно, и его плотность, выравнивается по всему сечению выходного канала, а при прохождении потока воздуха через спрямляющую решетку 4 исключается закрутка потока воздуха.
Таким образом, при работе компрессора обеспечивается подача на вход камеры сгорания ГТД потока воздуха с заданной скоростью, равномерного по плотности по всему сечению выходного канала под заданным высоким давлением и без его закрутки, что позволяет обеспечить оптимальные условия сгорания топливной смеси в камере сгорания ГТД на всех режимах его работы.
Весьма важно для достижения указанного технического результата то, что за счет введения в конструкцию биротативного компрессора второго каскада (КВД) обеспечивается предварительное повышение давления (напора) воздуха на высоконапорном КНД, с последующим повышением его давления до требуемых значений в КВД. Это позволяет исключить один из основных недостатков, присущих биротативным компрессорам - низкий лобовой расход воздуха при ограниченном диаметре рабочего колеса.
Наличие кольцевой поворотной камеры с кольцевым дефлектором позволяет обеспечить плавный поворот потока воздуха при выходе из проточной части КНД и значительно уменьшить его закрутку перед поступлением на КВД.
Это также позволяет исключить из конструкции биротативного компрессора венцы спрямляющих лопаток в каждой ступени повышения давления и реализовать заданную степень повышения давления при меньшем числе лопаточных венцов по сравнению, например, с осевыми компрессором.
Заявленное изобретение позволяет получить биротативный компрессор незначительных осевых и радиальных размеров, с высокой (>25) степенью повышения давления и высоким расходом воздуха, с малым количеством венцов рабочих лопаток и с приемлемым значением КПД, а также позволяет обеспечить подачу в камеру сгорания ГТД воздушный поток оптимальных параметров.
Наиболее предпочтительно применение данного биротативного компрессора для мощных ГТД широкого спектра назначения, от оборудования пиковых электростанций до средств транспорта (от железнодорожного до авиационного), главным образом, с дозвуковой скоростью движения.