ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ВЫСОКООБОРОТНОГО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, а конкретно к лопаткам рабочего колеса осевых высокооборотных вентиляторов или компрессоров авиационных газотурбинных двигателей.
Компрессор современного газотурбинного двигателя должен обеспечить требуемую величину расхода, степень повышения полного давления и необходимые запасы устойчивой работы во всем диапазоне частот вращения ротора, а при работе в проектной точке, при максимальной частоте вращения ротора, - высокий уровень КПД.
При высоких частотах вращения рабочее колесо работает в проектной точке на линии рабочих режимов в условиях трансзвукового или сверхзвукового набегающего потока, а при пониженных частотах вращения течение в рабочем колесе на линии рабочих режимов дозвуковое. При этом оптимальная форма профиля, используемая для торможения потока в межлопаточном канале лопаточного венца компрессора при работе на режимах с высокой величиной числа Маха набегающего потока, отличается от оптимальной формы, используемой для торможения дозвукового потока. По этой причине в процессе проектирования лопатки рабочего колеса выбирается компромиссный вариант между профилем, оптимальным для сверхзвукового потока, который обеспечивает высокий уровень КПД, и профилем, оптимальным для дозвукового потока, использование которого благоприятно при работе на низких приведенных частотах вращения для обеспечения требуемых запасов устойчивости.
Использование в процессе проектирования профилей стандартной формы, характеристики которых определены по результатам продувок плоских решеток, позволяет спроектировать рабочее колесо, которое обеспечивает требуемые параметры в проектной точке при высоких частотах вращения, но на пониженных частотах вращения такое колесо может работать неудовлетворительно. В проектной точке течение на периферии рабочего колеса современного компрессора, как правило, трансзвуковое или сверхзвуковое, и для этого случая оптимальной является форма профиля со слабоизогнутой или даже прямой средней линией. Профиль с такой средней линией исключает сильный разгон потока и обеспечивает эффективное торможение, обеспечивая при этом необходимую величину расхода и высокой уровень КПД. Важно отметить, что если в проектной точке в процессе торможения образуется скачок уплотнения, то для обеспечения необходимых запасов устойчивости он должен располагаться внутри межлопаточного канала или присоединяться к передней кромке профиля. В противном случае выбитая ударная волна понизит уровень КПД и запас устойчивой работы.
Аэродинамический профиль пера лопатки, являющийся оптимальным на высоких частотах вращения, не является наилучшим на пониженных частотах вращения рабочего колеса. На пониженных частотах вращения оптимальным является профиль, средняя линия которого близка к дуге окружности, а передняя кромка подстроена под поток таким образом, чтобы не возникало больших углов атаки, приводящих к срыву. Изгиб профиля, наличие которого нежелательно при повышенных частотах вращения ротора, поскольку это приводит к дополнительному разгону сверхзвукового потока, на пониженных частотах вращения способствует отклонению потока в окружном направлении, что позволяет подвести работу к газу.
Таким образом, оптимальная форма средней линии профиля рабочего колеса для сечения пера лопатки с высоким числом Маха набегающего потока (обычно это периферия пера лопатки на высоких частотах вращения) - это прямая или слабоизогнутая линия, а на пониженных оборотах - дуга окружности или другой профиль с заметным изгибом средней линии. Очевидно, что эти условия являются альтернативными и не могут быть соблюдены одновременно методами стандартного проектирования.
Известна лопатка рабочего колеса высокооборотного осевого компрессора, содержащая перо с входной и выходной кромками, выполненными в виде сопряженных между собой по высоте лопатки тороидальных поверхностей и телесной формой, образованной поверхностями давления и разряжения, сопряженными с тороидальными поверхностями входной и выходной кромок (патент РФ №99084). В известной лопатке на поверхности разряжения имеется увеличенная выпуклость, а поверхность давления имеет вогнутую форму в передней по набегающему потоку части профиля с переходом примерно в средней части хорды профиля в выпуклую. Аэродинамический профиль поперечного сечения пера в периферийной части лопатки выполнен с постепенным от входной кромки нарастанием толщины с достижением максимальной толщины в средней части хорды профиля с некоторым смещением к выходной кромке, отстраивающей собственные колебания от резонансных и смещающей отрыв потока на поверхности разрежения лопатки в межлопаточном пространстве рабочего колеса компрессора в сторону больших углов атаки.
Профиль известной лопатки имеет увеличенную выпуклость на стороне разрежения, и это приводит к опасности образования выбитых ударных волн на режимах работы со сверхзвуковой скоростью на входной кромке. При отсутствии выбитой ударной волны и в условиях сверхзвуковой скорости на входе, поток разгоняется внутри межлопаточного диффузорного канала с последующим возникновением мощного скачка уплотнения, что приводит к повышенным потерям и возможному отрыву пограничного слоя. Таким образом, известная лопатка рабочего колеса мало приспособлена для работы в условиях с высоким числом Маха набегающего потока.
Известна лопатка рабочего колеса высокооборотного осевого компрессора, содержащая перо с входной и выходной кромками, выполненными в виде сопряженных между собой по высоте лопатки тороидальных поверхностей и телесной формой, образованной поверхностями давления и разряжения, сопряженными с тороидальными поверхностями входной и выходной кромок, и полученной путем нанизывания на ось лопатки средних линий аэродинамических профилей поперечных сечений пера, причем проекция оси лопатки на меридиональную плоскость выполнена наклонной в сторону входной кромки (патент РФ №2188340). Саблевидная форма передней кромки делает лопатку подобной стреловидному крылу самолета и способствует снижению потерь при торможении набегающего потока в периферийной области лопатки.
Известная лопатка спрофилирована таким образом, что поток газа натекает на профиль лопатки в ее поперечном сечении у входной кромки под нулевым углом атаки на поверхность разрежения, а на поверхность давления под углом, равным углу клина у входной кромки. Если величина числа Маха набегающего потока больше 1.0, то наличие клина формирует кромочный косой скачок уплотнения, распространяющийся от передней кромки стороны давления до стороны разрежения предшествующей лопатки. В косом скачке уплотнения поток тормозится, но скорость за ним остается сверхзвуковой (в относительном движении), и дальнейшее торможение происходит в замыкающем скачке уплотнения вблизи задней кромки, за которой поток дозвуковой. Благодаря организации торможения в системе из двух скачков в рабочем колесе известной лопатки, газ сжимается с меньшими потерями, чем в рабочем колесе, в котором торможение происходит в одном прямом скачке уплотнения.
Таким образом, в известном рабочем колесе осевого вентилятора или компрессора организуется процесс сжатия с пониженными потерями для сечений профиля пера лопатки с высокой величиной числа Маха набегающего потока. Известная лопатка оптимально работает на повышенных частотах вращения ротора, при наличии сверхзвуковой скорости на передней кромке, и основные усилия при ее проектировании были затрачены для решения проблемы эффективного торможения сверхзвукового потока. Недостатком известной лопатки является то, что на пониженных частотах вращения углы атаки превышают оптимальные значения, что может привести к срыву потока, повышенным потерям и уменьшению запасов устойчивой работы.
Наиболее близким аналогом полезной модели является лопатка рабочего колеса высокооборотного осевого компрессора, содержащая перо с входной и выходной кромками, выполненными в виде сопряженных между собой по высоте лопатки тороидальных поверхностей и телесной формой, образованной поверхностями давления и разряжения, сопряженными с тороидальными поверхностями входной и выходной кромок, и полученной путем нанизывания на ось лопатки аэродинамических профилей поперечных сечений пера, причем образующие поверхностей давления и разряжения расположены симметрично относительно средних линий аэродинамических профилей, проекция оси лопатки на меридиональную плоскость выполнена наклонной в сторону входной кромки, а средние линии аэродинамических профилей выполнены с переменным значением конструктивного угла средней линии от входной кромки к выходной кромке (патент РФ №87761).
При проектировании известной лопатки к конструктивным углам средней линии алгебраически прибавляются корректирующие углы и из исходного профиля получается модифицированный профиль. Корректирующие углы известной лопатки подбираются таким образом, чтобы на режиме работы со сверхзвуковой скоростью набегающего потока газа вблизи передней кромки скачок уплотнения располагался внутри межлопаточного канала, и это, как отмечено в патенте, приводит к расширению диапазона устойчивой работы колеса высокооборотного осевого вентилятора или компрессора. В итоге, профиль известной лопатки изменяется с помощью корректирующих углов так, что в сечениях пера лопатки, расположенных в радиальном направлении от втулки к периферии, для которых набегающий на переднюю кромку поток имеет сверхзвуковую скорость, профиль становится менее изогнутым в области от передней кромки до, примерно, середины длины профиля (расстояние отсчитывается вдоль средней линии профиля).
С помощью корректирующих углов профиль известной лопатки изменяется таким образом, чтобы исключить возникновение выбитой ударной волны вблизи передней кромки на режимах работы со сверхзвуковой скоростью на входе. Скачок уплотнения располагается внутри межлопаточного канала. Ротор известной модели работает эффективно при высокой частоте вращения и сверхзвуковой скорости набегающего на переднюю кромку потока.
Но, как отмечалось выше, профиль становится менее изогнутым в области передней кромки. Такое изменение приводит к тому, что на пониженных частотах вращения углы атаки превышают оптимальные значения, что, в свою очередь, приводит к преждевременному отрыву потока (в первую очередь на периферии), повышенным потерям и уменьшению запасов устойчивой работы, т.е. к снижению эффективности работы рабочего колеса на режимах с пониженной частотой вращения.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности работы рабочего колеса на режимах с пониженной частотой вращения при обеспечении устойчивой работы компрессора.
Указанный технический результат достигается тем, что в лопатке рабочего колеса высокооборотного осевого компрессора, содержащей перо с входной и выходной кромками, выполненными в виде сопряженных между собой по высоте лопатки тороидальных поверхностей и телесной формой, образованной поверхностями давления и разряжения, сопряженными с тороидальными поверхностями входной и выходной кромок, и полученной путем нанизывания на ось лопатки аэродинамических профилей поперечных сечений пера, причем образующие поверхностей давления и разряжения расположены симметрично относительно средних линий аэродинамических профилей, проекция оси лопатки на меридиональную плоскость выполнена наклонной в сторону входной кромки, а средние линии аэродинамических профилей выполнены с переменным значением конструктивного угла средней линии от входной кромки к выходной кромке, согласно полезной модели значения конструктивных углов средней линии каждого аэродинамического профиля определяется следующим соотношением:
, где
o
o
β′(s,z) - текущее значение конструктивного угла средней линии;
- значение конструктивного угла средней линии в точке ее пересечения с осью лопатки;
- значение относительного конструктивного угла средней линии;
o
o
max
s - относительная координата по длине средней линии, которая изменяется в диапазоне 0÷2 и определяется соотношением s=2s/s, где
s - текущая координата по длине средней линии;
max
s - максимальное значение длины средней линии;
o
max
z - относительная координата по высоте лопатки, которая определяется соотношением z/z, где
z - текущая координата по высоте лопатки;
max
z - максимальное значение координаты по высоте лопатки,
при этом значение относительного конструктивного угла средней линии определяется как:
, где
1
C - значение переменной члена первой степени, которая выбирается в диапазоне -0,09÷0,09;
2
C - значение переменной члена второй степени, которая выбирается в диапазоне -0,03÷0,06
3
C - значение переменной члена степени m, которая изменяется в диапазоне -0,25 4- 0,00.
m - показатель степени, выбираемый из ряда 3, 5, 7…
Этим соотношением описывается профиль поперечного сечения лопатки, в котором образующие поверхностей давления и разряжения выполнены изогнутыми в частях, прилегающих к передней и задней кромкам пера лопатки, а в средней части образующие выполнены с незначительным значением кривизны. Такой профиль сочетает достоинства оптимальных профилей для высоких и низких частот вращения.
В расчетной точке на высоких частотах вращения рабочего колеса с высокой величиной числа Маха набегающего потока, такой профиль исключает сильный разгон потока благодаря примерно постоянной величине угла касательной к средней части профиля. На пониженных оборотах и при низкой величине числа Маха набегающего потока, благодаря изгибу передней части профиля исключаются повышенные углы атаки, а одновременный изгиб передней и задней кромки позволяет поворачивать поток, т.е. подводить работу к газу. При этом выполнение средней части образующих боковых поверхностей лопатки с незначительным значением кривизны позволяет предотвратить отрыв пограничного слоя потока в периферийной области лопатки. Тем самым повышается эффективность работы рабочего колеса на режимах с пониженной частотой вращения при сохранении эффективной работы рабочего колеса на режимах с высокой частотой вращения с числом Маха набегающего потоке (в относительном движении) больше величины ~1.4, что обеспечивает устойчивую работу рабочего колеса в требуемом диапазоне частот.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлен общий вид лопатки со стороны торцевой поверхности лопатки;
на фиг. 2 представлен вид скелетной поверхности с осью лопатки;
на фиг. 3 представлен аэродинамический профиль поперечного сечения пера лопатки согласно полезной модели в сравнении с профилем известной лопатки;
на фиг. 4 представлен график распределения относительного конструктивного угла средней линии аэродинамического профиля описываемой лопатки в сравнении с известной лопаткой;
на фиг. 5 представлены диаграммы (в относительном масштабе) линий постоянного уровня числа Маха на периферийном участке межлопаточного пространства рабочего колеса на поверхности вращения при работе на частоте вращения 70% от максимального для известной лопатки а) и для описываемой лопатки б);
на фиг. 6 представлены диаграммы линий постоянного уровня числа Маха на среднем по высоте пера участке межлопаточного пространства рабочего колеса на поверхности вращения при работе на частоте вращения 70% от максимального для известной лопатки а) и для описываемой лопатки б);
на фиг. 7 представлены диаграммы (в относительном масштабе) линий постоянного уровня числа Маха на периферийном участке межлопаточного пространства рабочего колеса на поверхности вращения при работе на максимальной частоте вращения для известной лопатки а) и для описываемой лопатки б).
Лопатка рабочего колеса высокооборотного осевого компрессора, содержит перо 1 с входной кромкой 2 и выходной кромкой 3, выполненными в виде сопряженных между собой по высоте лопатки тороидальных поверхностей 4 и телесной формой 5, образованной поверхностью давления 6 и поверхностью разряжения 7, сопряженными с тороидальными поверхностями 4 входной кромки 2 и выходной кромки 3. Телесная форма 5 пера 1 в поперечном сечении представляет собой аэродинамический профиль 8, ограниченный образующей 9 поверхности давления 6 и образующей 10 поверхности разряжения 7, расположенных симметрично относительно средней линии 11 аэродинамического профиля 8.
Ось лопатки 12, представляющая собой изогнутую линию, являющуюся геометрическим местом точек середины средних линий 11 аэродинамических профилей 8 поперечных сечений пера 1 лопатки, выполнена таким образом, что ее проекция на меридиональную плоскость рабочего колеса наклонена на угол γ=5°-10° в сторону входной кромки 2 лопатки.
Средняя линия 11 аэродинамического профиля 8 в каждом поперечном сечении пера 1 лопатки выполнена с переменным значением конструктивного угла β′ средней линии 11 от входной кромки 2 к выходной кромке 3, причем значения конструктивных углов средней линии 11 каждого аэродинамического профиля 8 определяется следующим соотношением:
, где
o
o
β′(s,z) - текущее значение конструктивного угла средней линии;
- значение конструктивного угла средней линии в точке ее пересечения с осью лопатки;
- значение относительного конструктивного угла средней линии;
o
s - относительная координата по длине средней линии, которая изменяется в диапазоне 0÷2 и определяется соотношением
o
max
s=2s/s, где
s - текущая координата по длине средней линии;
max
s - максимальное значение длины средней линии;
o
max
z - относительная координата по высоте лопатки, которая определяется соотношением z/z, где
z - текущая координата по высоте лопатки;
max
z - максимальное значение координаты по высоте лопатки,
при этом значение относительного конструктивного угла средней линии определяется как:
, где
1
C - значение переменной члена первой степени, которая
выбирается в диапазоне -0,09÷0,09;
2
C - значение переменной члена второй степени, которая
выбирается в диапазоне -0,03÷0,06
3
C - значение переменной члена степени m, которая изменяется в диапазоне -0,25÷0,00.
m - показатель степени, выбираемый из ряда 3, 5, 7…
Конструктивный угол β′ средней линии 11 определяется как угол между касательной к средней линии и проекцией оси X на поверхность поперечного сечения пера 1 лопатки.
На стадии профилирования лопатки рабочего колеса компрессора определяется геометрия лопатки, которая должна обеспечивать на выходе из лопатки требуемое распределение по высоте лопатки значений степени повышения полного давления, расхода воздуха и эффективности происходящих в межлопаточных каналах процессов. В начале профилирования лопатки определяют пространственную форму ее скелетной средней поверхности 13 нулевой толщины, построенной по высоте пера 1 линиями пересечения 14 скелетной средней поверхности 13 с осесимметричными поверхностями вращения 15, ось вращения которых совпадает с осью вращения рабочего колеса 16.
Форма линий пересечения 14 определяется значениями конструктивных углов β′, рассчитанных в соответствии с указанным выше соотношением. Затем линии пересечения 14 принимаются за средние линии 11 аэродинамических профилей 8 и на ось лопатки 12 по ее высоте нанизываются телесные аэродинамические профили 8 заданной формы и требуемой толщины, в результате чего и образуется телесная форма 5 лопатки.
Графики распределения относительного конструктивного угла средней линии (фиг. 4) наглядно показывают, что средняя линия 11 аэродинамического профиля 8 описываемой лопатки имеет изогнутые участки, прилегающие к входной кромке 2 и выходной кромке 3, и участок в средней части, незначительно отличающийся от прямолинейного или слегка вогнутый в периферийной области лопатки. Такой профиль сочетает достоинства оптимальных профилей для высоких и низких частот вращения. В расчетной точке, для сечений пера лопатки с высокой величиной числа Маха набегающего потока, такой профиль исключает сильный разгон потока благодаря примерно постоянной величине угла касательной к средней части профиля. На пониженных частотах вращения, при малой величине числа Маха набегающего потока, благодаря изгибу передней части профиля исключаются повышенные углы атаки, а одновременный изгиб передней и задней кромки позволяет поворачивать поток, т.е. подводить работу к газу.
Для иллюстрации вышесказанного на фиг. 5-7 приведены диаграммы обтекания лопатки (при работе в точке на линии рабочих режимов), составленной для профилей известной и описываемой лопаток. Поле течения получено с помощью программы решения уравнений Навье-Стокса трехмерного турбулентного течения сжимаемого газа, с одинаковыми граничными условиями для обоих вариантов. Известное рабочее колесо и рабочее колесо с лопатками согласно полезной модели принадлежат к первой ступени компрессора, у которого отсутствует входной направляющий аппарат.
На этих фигурах приведены картины линий постоянного уровня числа Маха в относительном движении в плоских решетках на поверхности вращения для различных сечений по высоте лопатки: вблизи периферии и на среднем радиусе при величине приведенной частоты вращения рабочего колеса 70% и вблизи периферии при частоте вращения рабочего колеса 100%.
При частоте вращения ротора 70% в сечении вблизи периферии лопатки образованного известным профилем, образуется мощная отрывная зона, начинающаяся от передней кромки фиг. 5 (диаграмма а). В канале, образованным описываемым профилем, течение на передней кромке безотрывное (диаграмма б).
При этой же частоте вращения рабочего колеса в среднем по высоте сечении лопатки, для которой картина течения изображена на фиг. 6, внутри канала, образованного профилем известной лопатки, образуется незначительная по размерам отрывная зона (диаграмма а), начинающаяся от передней кромки из-за наличия повышенных углов натекания, которая постепенно увеличивается и превращается в мощную отрывную зону по мере продвижения от среднего сечения по высоте лопатки к периферийным сечениям лопатки фиг. 5 (диаграмма а).
Из-за образования в исходном профиле отрывного течения на линии рабочих режимов в области от середины пера лопатки до периферийного сечения, эффективность работы на этом режиме резко падает, что сказывается в уменьшении величины КПД, степени повышения полного давления и, как следствие, в недостаточной величине запасов устойчивой работы. В то же время, в аэродинамическом профиле описываемой лопатки течение в этих же областях безотрывное фиг. 6 (диаграмма б), а значения КПД и запаса устойчивой работы рабочего колеса с описываемым профилем выше, чем у известного.
Иная картина течения наблюдается на приведенной частоте вращения ротора 100% фиг. 7 (диаграммы а и б), на которой представлены линии постоянного уровня числа Маха в плоских решетках на поверхности вращения вблизи периферии. Протекание линий постоянных чисел Маха в известном и описываемом варианте примерно одинаковое, также как и в остальных сечениях по высоте лопатки. Отметим, что рабочие колеса с известным профилем и профилем описываемой лопатки имеют на этом режиме работы одинаковые величины расхода, степени сжатия, КПД и одинаковые запасы устойчивой работы.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что при высоких частотах вращения рабочего колеса известная лопатка и описываемая лопатка работают с одинаковой эффективностью, а на пониженных частотах вращения рабочего колеса описываемая лопатка, в меньшей степени, по сравнению с исходным, подвержена отрыву пограничного слоя в области от середины пера лопатки до периферии.
Тем самым повышается эффективность работы рабочего колеса на режимах с пониженными частотами вращения при сохранении эффективной работы рабочего колеса на режимах с высокой частотой вращения с числом Маха набегающего потока (в относительном движении) больше величины ~1.4, что обеспечивает устойчивую работу рабочего колеса в требуемом диапазоне частот.