ВЫСОКОНАПОРНЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
HIGH-PRESSURE GAS TURBINE ENGINE COMPRESSOR

Изобретение относится к высоконапорным многоступенчатым компрессорам газотурбинных двигателей, в том числе для авиационного применения.
Известен осевой двухкаскадный компрессор, в котором газодинамическая устойчивость обеспечивается за счет вращения роторов низкого и высокого давлений с разными угловыми скоростями [С.А. Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва, «Машиностроение», 1981, стр. 64, рис. 3.8.б]. Такой компрессор не требует специальных средств механизации, однако недостатком его конструкции является пониженная надежность из-за увеличенного числа опор, подшипников и валов.
.1
2
Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип является высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя (Патент RU №2311565, МПК F04D 29/60, опубл. 27.11.2007), содержащий размещенные в проточной части компрессора ступени с рабочими колесами, содержащими рабочие лопатки, первую высоконапорную ступень, при отношении площади F проточной части компрессора на входе в лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2, число низконапорных ступеней компрессора, следующих за первой высоконапорной ступенью, равно 4-6.
Недостатками прототипа являются то, что компрессор рассчитан на меньшую степень повышения полного давления (π*к=14) в компрессоре, соответственно имеет меньшее количество ступеней, для обеспечения запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора имеются только поворотный входной аппарат и направляющий поворотный аппарат первой ступени.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, низкие запасы газодинамической устойчивости и низкая надежность, недостаточная степень повышения полного давления в компрессоре.
Техническая задача заключается в повышении надежности и кпд компрессора за счет повышения запасов газодинамической устойчивости, а также в снижении расходов на изготовление и ремонт, степени повышения полного давления в компрессоре, при минимальном количестве ступеней поворотных направляющих лопаток.
.1
L1
L2
L3
Техническая задача решается тем, что в высоконапорном компрессоре газотурбинного двигателя, содержащем размещенные в проточной части компрессора ступени с рабочими колесами, содержащими рабочие лопатки, первая ступень высоконапорная, следующие за ней ступени низконапорные, при отношении площади Fпроточной части компрессора на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F2 проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2, число низконапорных ступеней компрессора, следующих за первой высоконапорной ступенью, равно 4-6, согласно изобретения, в проточной части компрессора коэффициент диффузорности D первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, коэффициент диффузорности D второго рабочего колеса не превышает 0,55, коэффициент диффузорности D с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5, общее количество ступеней компрессора равно 8.
L1
L2
L3
В отличии от прототипа, в проточной части компрессора коэффициент диффузорности D первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, D коэффициент диффузорности второго рабочего колеса не превышает 0,55, D коэффициент диффузорности с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5, общее количество ступеней компрессора равно 8, что обеспечивает повышение запасов газодинамической устойчивости, требуемую тягу газотурбинного двигателя в зависимости от режима работы двигателя и кпд компрессора.
Для обеспечения требуемых параметров по повышению полного давления до π*к=16-20 и обеспечении запасов газодинамической устойчивости компрессора необходимо выдержать заявленные коэффициенты диффузорности. Проведен подбор количественных соотношений, экспериментально и практически применены заявляемые коэффициенты диффузорности в восьмиступенчатом компрессоре высокого давления газотурбинного двигателя.
Для обеспечения устойчивой работы компрессора во всем диапазоне эксплуатационных режимов и снижения вибронапряжений лопатки ВНА и НА 1,2 ступеней выполнены поворотными и внедрена система перепуска воздуха из третьей ступени компрессора. Поворот лопаток ВНА и НА 1,2 ступеней осуществляется по заданной программе системой управления механизацией компрессора, и система перепуска воздуха работает по заданной программе системой управления двигателя. Восьмиступенчатый компрессор приводится во вращение турбиной газогенератора.
На Фиг. 1 представлена проточная часть высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя.
На Фиг. 2 представлен фрагмент продольного разреза (повернут на 90°) высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя
На Фиг. 3 представлен поперечный разрез первого рабочего колеса с указанием направлений скоростей (схема) для определения коэффициента диффузорности.
L
Для определения коэффициента диффузорности D:
max
W - максимальная скорость (м/с) на спинке колеса (лопатки),
1
W - среднее значение скорости на входе в рабочее колесо,
2
W - среднее значение скорости на выходе из рабочего колеса.
L1
L2
L3
Схема скоростей (Фиг. 3) применима для определения коэффициентов D, D, D с соответствующими рабочими колесами (лопатками).
1
2
.1
2
Высоконапорный компрессор газотурбинного двигателя содержит поворотный входной направляющий аппарат 1, поворотный направляющий аппарат первой ступени 2, поворотный направляющий аппарат второй ступени 3, первое высоконапорное (высоконагруженное сверхзвуковое) рабочее колесо 4 (моноколесо), второе рабочее колесо 5 (моноколесо), третью ступень компрессора 6, восьмую ступень компрессора 7, участок 8 с 3 по 8 низконапорные ступени компрессора, проточную часть компрессора 9, спинку 10 лопатки колеса 4, рабочую лопатку 11 первого высоконапорного рабочего колеса 4. При этом F - площадь проточной части (проходного сечения) на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса первой ступени, F -площадь проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени. Отношение площади F проточной части компрессора на входе в рабочую лопатку первого высоконапорного рабочего колеса к площади F проточной части на выходе из первой высоконапорной ступени составляет 1,6-2,2.
.1
2
Выполнение отношения F/F<1,6 ведет к снижению степени сжатия в первой высоконапорной ступени, что потребует повышения степени сжатия в последующих за первой ступенях компрессора с соответствующим снижением кпд и запасов газодинамической устойчивости компрессора.
.1
2
При отношении F/F>2,2 увеличиваются гидравлические потери в первой высоконапорной ступени компрессора, что также приводит к снижению кпд компрессора.
L
Коэффициент диффузорности D, определяемый
max
1
2
где W - максимальная скорость на спинке лопатки (рабочего колеса), W - среднее значение скорости на входе в рабочее колесо, W - среднее значение скорости на выходе из рабочего колеса.
L1
L2
L3
В проточной части компрессора коэффициент диффузорности D первого высоконапорного рабочего колеса не превышает 0,6, коэффициент диффузорности D второго рабочего колеса не превышает 0,55, коэффициент диффузорности D с третьей по восьмую рабочих лопаток не превышает 0,5.
L1
L2
L3
При значениях коэффициента диффузорности первого высоконапорного рабочего колеса D>0,6, значениях коэффициента диффузорности D>0,55 второго рабочего колеса, коэффициент диффузорности D>0,5 с третьей по восьмую рабочих лопаток возможен отрыв пограничного слоя, что приводит к снижению запасов ГДУ.
При работе высоконапорного компрессора поток воздуха поступает на вход в поворотный входной направляющий аппарат 1, далее поступает на первое высоконапорное рабочее колесо 4 высоконапорной первой ступени. Кинетическая энергия ускоренного рабочими лопатками потока воздуха превращается в потенциальную энергию сжатия в направляющих лопатках первой ступени. Воздух из высоконапорной сверхзвуковой первой ступени поступает в последующие низконапорные ступени, где происходит его дальнейшее сжатие с высоким кпд цикла сжатия. Последующие за первой ступенью низконапорные ступени компрессора выполняют низконапорными и дозвуковыми. Такое выполнение позволяет существенно уменьшить количество поворотных направляющих аппаратов в компрессоре с соответствующим повышением надежности. При этом значительно снижаются время и затраты на доводку компрессора из-за упрощения согласования низконапорных ступеней с расположенной перед ними высоконапорной сверхзвуковой ступенью. Поскольку на входе в компрессор расположена первая высоконапорная ступень, то она выполнена с большими размерами по сравнению с последующими ступенями и с утолщенными профилями, то есть устойчивой к динамическому воздействию потока воздуха и к повреждению посторонними предметами. Это позволяет минимизировать отрицательное воздействие на коэффициент полезного действия (кпд) компрессора паразитных утечек воздуха через радиальные зазоры между статором и ротором.
Обтекание последующих за первой ступеней высоконапорного компрессора низкоскоростным дозвуковым потоком позволяет снизить гидравлические потери при обтекании этих ступеней с соответствующим повышением кпд компрессора в целом, а также выполнить профили лопаток этих ступеней утолщенными, что повышает надежность компрессора. Концепция применения первой высоконапорной ступени позволяет снизить количество ступеней компрессора и повысить эффективность работы с сохранением степени повышения давления всего компрессора. Коэффициент диффузорности - это один из важных параметров при проектировании лопаточных венцов высоконапорного компрессора. Он является критерием аэродинамической нагрузки при торможении потока в межлопаточном канале, он также зависит от геометрии межлопаточного канала, угла и скорости потока воздуха на входе в лопаточную решетку. Увеличение коэффициента диффузорности рабочих колес, больше заявленных в настоящей формуле значений, приводит к образованию (увеличению) отрывных зон на выпуклой и вогнутой поверхности профиля, в связи с этим снижаются параметры кпд и запасы ГДУ компрессора. В настоящее время при проектировании высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя авиационного применения приходится использовать ступени с высокой аэродинамической нагрузкой, что ведет к росту диффузорности в межлопаточных каналах.
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить запасы газодинамической устойчивости, степень повышения полного давления в компрессоре, и надежность высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя.