ЛОПАТКА НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована в осевых компрессорах газотурбинных двигателей.
Известна статорная лопатка, перо которой для повышения изгибной жесткости выполняется изогнутым по форме, аналогичной форме колебаний, преобладающих при работе осевого компрессора (патент США №3745629). Такое выполнение повышает собственные частоты колебания лопаток, снижает переменные напряжения при работе и приводит к значительному увеличению срока службы лопатки.
Однако такое выполнение лопатки практически не влияет на снижение аэродинамических потерь в направляющем аппарате осевого компрессора и не позволяет повысить его кпд.
Известна лопатка направляющего аппарата осевого компрессора, содержащая перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выходной кромкой пера, выполненных в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты (патент РФ №2341660). Известная лопатка выполнена с двойным изгибом тангенциальной составляющей в средней части пера лопатки, что позволяет уменьшить сопротивление лопатки продольному изгибу и ограничить износ внешнего обода лопатки.
При этом известная лопатка выполнена со стандартным профилем поперечного сечения пера, поэтому применение этой лопатки в осевых компрессорах со значительной радиальной неравномерностью газового потока приведет к образованию отрывного течения в пристеночных областях средней части боковой поверхности пера лопатки, снижению кпд компрессора и уменьшения запасов устойчивости.
Наиболее близким аналогом полезной модели является лопатка направляющего аппарата осевого компрессора, содержащая перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выполненной в виде цилиндрической поверхности по высоте лопатки, выходной кромкой пера, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости, а перо лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля к расчетным профилям так, что хорда поперечного сечения пера, соединяющая оси поверхностей входной и выходной кромок, увеличивается по высоте пера от сечения, расположенного в середине высоты пера, к торцевым поверхностям пера, (патент РФ №2219377).
В этой лопатке за счет изгиба стороны разряжения направляющих лопаток вдоль хвостовых кромок при значениях угла B=100-130° можно в какой-то степени уменьшить или исключить нежелательный срыв потока у торцевых стенок или обода диска. Соответственно вследствие этого может быть получено дополнительное повышение кпд компрессора и запасов газодинамической устойчивости.
Однако, при значительных углах поворота газового потока (до 50°) в высоконагруженных ступенях осевого компрессора срыв потока в районе торцевых поверхностей лопатки исключить не удается, т.к. при значительном изменении длины хорды (до 30%) в известной лопатке форма профиля поперечного сечения пера лопатки практически не является оптимальной с точки зрения обеспечения безотрывного течения потока газа.
Техническим результатом полезной модели является снижение потерь полного давления в направляющем аппарате с углом поворота потока газа ~50° путем уменьшения размеров отрывных зон на втулке и периферии, что позволяет повысить кпд компрессора в рабочей точке и увеличить запас газодинамической устойчивости.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в лопатке направляющего аппарата осевого компрессора, содержащей перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выполненной в виде цилиндрической поверхности по высоте лопатки, выходной кромкой пера, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости, а перо лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля к расчетным профилям так, что хорда поперечного сечения пера, соединяющая оси поверхностей входной и выходной кромок, увеличивается по высоте пера от сечения, расположенного в середине высоты пера, к торцевым поверхностям пера, Согласно полезной модели базовый профиль пера расположен в середине высоты пера, а окружная координата средней линии поперечного сечения пера расчетных профилей определяется следующим соотношением:
o
o
2
1
1
o
2
o
o
Y(x, z)=[X-X][f(x)-f(x, z)], где
o
o
Y(x, z) - окружная координата точки средней линии поперечного сечения расчетных профилей;
1
X - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на входе лопатки;
2
X - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на выходе лопатки;
1
o
f(x) - относительная окружная координата средней линии базового профиля пера;
2
o
o
f(x, z) - относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера;
o
x - относительная осевая координата средней линии базового профиля, определяемая соотношением
o
1
2
1
x=(x-X)/(X-X),где
x - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по длине лопатки;
o
o
1
2
1
z - относительная координата по высоте лопатки, определяемая соотношением z=2(z-Z)/(Z-Z), где
z - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по высоте лопатки;
1
Z - координата втулочной торцевой поверхности пера лопатки;
2
Z - координата периферийной торцевой поверхности пера лопатки,
при этом относительная окружная координата средней линии базового профиля пера определяется как
при заданных значениях угла касательной к средней линии на входной кромке в пределах 12°, а на выходной кромке в пределах 34°, а относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера определяется как
, где
o
C - константа первого множителя выбирается в пределах 0,15÷1,5;
1
C - константа первого слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;
2
C - константа второго слагаемого выбирается в пределах 0,50÷1,0;
3
C - константа третьего слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;
m - показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 1,0÷2,5;
n - поправочный показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 2,5÷4,0.
Технический результат полезной модели достигается за счет того, что базовый профиль поперечного сечения пера лопатки, форма которого определяется заданными значениями угла касательной к средней линии на входной и выходной кромках пера и обеспечивает безотрывное течение потока газа в этом сечении, расположен в середине высоты пера и соответствует минимальному значению длины хорды поперечного сечения пера, соединяющей оси поверхностей входной и выходной кромок. Форма расчетного профиля в любом другом поперечном сечении пера лопатки определяется согласно полезной модели и также является оптимальной по аэродинамическим характеристикам, что обеспечивает безотрывное течение потока газа по всей высоте лопатки и позволяет повысить кпд компрессора в рабочей точке и увеличить запас газодинамической устойчивости.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлен вид пера лопатки со стороны боковой аэродинамической поверхности давления;
на фиг. 2 представлен вид пера лопатки со стороны торцевой поверхности;
на фиг. 3 представлены поперечные сечения пера лопатки с базовым профилем, расположенным в середине высоты пера, и расчетным профилем, расположенном в периферийном сечении пера;
на фиг. 4 представлено изображение линий постоянного уровня числа Маха на стороне разрежения для профиля известной лопатки;
на фиг. 5 представлена изображение линий постоянного уровня числа Маха на стороне разрежения для расчетного профиля описываемой лопатки;
на фиг. 6 представлено изображение линий постоянного уровня числа Маха в плоской решетке на поверхности вращения для профиля известной лопатки;
на фиг. 7 представлено изображение линий постоянного уровня числа Маха в плоской решетке на поверхности вращения для расчетного профиля описываемой лопатки;
o
o
o
на фиг. 8 показан график распределения по оси компрессора конструктивного угла средней линии базового профиля (z=1) и двух расчетных профилей на торцевых поверхностях пера (на втулочном z=0 и периферийном z=2 радиусах);
на фиг. 9 показан график координат средних линий базового профиля и периферийных расчетных профилей.
Лопатка направляющего аппарата осевого компрессора содержит перо 1 с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии 2 поперечного сечения пера. Поверхность пера 1 образована входной кромкой 3, выполненной в виде цилиндрической поверхности 4 по высоте лопатки, выходной кромкой 5, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей 6, боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения 7 и давления 8, сопряженными с поверхностями кромок 3 и 5, и торцевыми поверхностями: втулочной 9 и периферийной 10.
Оси тороидальных поверхностей 6 выходной кромки 5 сопряжены между собой осевой линией 11, изогнутой в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости лопатки. Перо 1 лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля 12, расположенного в середине высоты пера 1 к расчетным профилям 13 так, что хорда 14 поперечного сечения пера 1, соединяющая ось 15 цилиндрической поверхности 4 входной кромки 3 и осевую линию 11 выходной кромки 5, увеличивается по высоте пера 1 от базового профиля 12 к торцевым поверхностям 9 и 10.
Каждое поперечное сечение пера 1 лопатки вдоль линии потока газа представляет собой профиль с определенной средней линией 2 и симметричным расположением боковых образующих по нормали к ней. Окружная координата средней линии поперечного сечения пера расчетных профилей определяется следующим соотношением:
o
o
2
1
1
o
2
o
o
Y(z, z)=[X-X][f(x)-f(x, z)], где
o
o
Y(x, z) - окружная координата точки средней линии поперечного сечения расчетных профилей;
1
X - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на входе лопатки;
2
X - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на выходе лопатки;
1
o
f(x) - относительная окружная координата средней линии базового профиля пера;
2
o
o
f(x, z) - относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера;
o
x - относительная осевая координата средней линии базового профиля, определяемая соотношением
o
1
2
1
x=(x-X)/(X-X),где
x - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по длине лопатки;
o
o
1
2
1
z - относительная координата по высоте лопатки, определяемая соотношением z=2(z-Z])/(Z-Z), где
z - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по высоте лопатки;
1
Z - координата втулочной торцевой поверхности пера лопатки;
2
Z - координата периферийной торцевой поверхности пера лопатки,
при этом относительная окружная координата средней линии базового профиля пера определяется как
при заданных значениях угла касательной к средней линии на входной кромке в пределах 12°, а на выходной кромке в пределах 34°, а относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера определяется как
, где
o
C - константа первого множителя выбирается в пределах 0,15÷1,5;
1
C - константа первого слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;
2
C - константа второго слагаемого выбирается в пределах 0,50÷1,0;
3
C - константа третьего слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;
m - показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 1,0÷2,5;
n - поправочный показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 2,5÷4,0.
При проектировании известных лопаток направляющего аппарата компрессора используют, как правило, стандартные формы профиля, полученные на основе результатов продувок плоских решеток в аэродинамической трубе. После этого, в соответствии с направлением вектора скорости набегающего потока, эти профили нанизываются на радиально расположенную ось, и таким образом формируют пространственную форму лопатки.
В современных компрессорах, особенно в последних ступенях, где поток газа обладает значительной радиальной неравномерностью, использование стандартных профилей, полученных из продувок плоских решеток в условиях равномерного набегающего потока, приводит как правило к отрыву потока в районе втулки и периферии направляющего аппарата, что является одной из основных причин снижения кпд компрессора и уменьшения запасов устойчивости.
Лопатка направляющего аппарата согласно полезной модели проектируется путем расчета средних линий 2 профиля пера 1 в любом его поперечном сечении так, что профиль в каждом сечении имеет форму, оптимальную по аэродинамическим характеристикам.
1
2
1
o
2
o
o
o
o
При проектировании лопатки на основе исходных данных и заданных значениях углов α и α определяется относительная координата f(x) средней линии базового профиля 12, расположенного в середине высоты пера 1. Исходя из полученных параметров средней линии 2 базового профиля 12 подбирается форма боковых образующих базового профиля 12. После определения формы базового профиля 12 на основе приведенных выше соотношений проводится расчет относительной координаты f(x, x), а затем окружной координаты Y(x, z) средней линии 2 расчетного профиля 13 для любого поперечного сечения пера лопатки.
2
o
1
2
1
2
3
o
Производная d(f)/dx на входе и выходе профилей равна нулю по всей высоте лопатки, поэтому изменение профиля лопатки происходит при сохранении постоянными значений входных и выходных углов α и α. Коэффициенты c, C, C, определяют форму задней кромки вдоль высоты при заданной константой C средней кривизне линии.
Лопатка направляющего аппарата, согласно полезной модели имеет такую пространственную форму, что длина хорды расчетных профилей плоских решеток вблизи втулки или периферии больше хорды базового профиля. Поскольку в проекции на меридиональную плоскость передняя и задняя кромки - прямые линии, то такое увеличение хорды профилей по втулке и периферии приводит к увеличению густоты плоской решетки и уменьшает склонность потока к отрыву в этих областях.
Кроме этого, вблизи торцевых поверхностей профиль лопатки имеет форму средней линии, которая препятствует преждевременному отрыву потока благодаря меньшей кривизне в области между входной и выходной кромками.
Направленная в радиальном направлении от втулки к периферии ось лопатки изогнута таким образом, что в месте пересечения стороны разрежения (спинки) лопатки с торцевыми поверхностями образуется тупой угол. Это облегчает перетекание пограничного слоя в поперечном направлении на торцевых поверхностях со стороны давления на сторону разрежения и также способствует уменьшению размеров отрывной зоны.
Важной особенностью лопатки направляющего аппарата является возможность изменять или сохранять постоянными углы средней линии профиля в окрестности передней и задней кромок. На этапе проектирования компрессора эти углы, как правило, определяются с помощью одномерных и осесимметричных методов расчета. Предложенная в полезной модели формула для формы профиля позволяет оперативно корректировать эти углы для улучшения характеристик компрессора с использованием трехмерных методов расчета.
На фиг. 4, 5, 6 и 7 представлены изолинии чисел Маха, указывающие на преимущество организации течения в направляющем аппарате с лопаткой, выполненной согласно полезной модели, по сравнению с известной лопаткой.
Из приведенных данных видно, что у направляющего аппарата с известными профилями наблюдается развитый отрыв на периферии, а у аппарата с лопаткой согласно полезной модели - отрывная зона незначительна. Такую картину течения можно наблюдать и в плоской решетке на поверхности вращения вблизи периферии (фиг. 6 и 7). У известного направляющего аппарата наблюдается отрыв потока с передней кромки, а с описанной лопаткой - отрыв незначительный.
Использование лопатки в спрямляющем аппарате компрессора позволяет повернуть поток газа на угол ~50° с минимальными потерями из-за уменьшения размеров отрывных зон на втулке и периферии, что позволяет повысить кпд компрессора на рабочих режимах. По этой же причине при высоких величинах приведенных оборотов, когда устойчивость определяется, как правило, возникновением отрывных зон в выходном направляющем аппарате, использование такой лопатки позволяет увеличить запасы газодинамической устойчивости.