МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ТУРБОМАШИНЫ
TURBOMACHINE COMPOUND COMPRESSOR

Изобретение относится к области газотурбостроения, в частности к многоступенчатым компрессорам турбомашин, и может быть использовано в конструкциях компрессоров газотурбинных двигателей, центробежных нагнетателей, турбонаддува и других высоконагруженных лопаточных машин. Изобретение служит для решения задачи управления пограничным слоем при обтекании аэродинамических профилей (лопаток) для расширения области устойчивой работы и увеличения нагруженности компрессора.
Одной из основных задач аэродинамического совершенствования лопаточных машин является предотвращение срывного обтекания лопаточных венцов и снижение уровня потерь, обусловленных нерасчетным обтеканием лопаток и аэродинамическими следами за элементами в проточной части компрессора.
Основное назначение газодинамического воздействия на поток состоит в снижении уровня потерь, связанных со срывом потока в лопаточных венцах, и выравнивании поля скоростей и давлений за выходными кромками элементов компрессора. Причина обращения к газодинамическим методам управления обтеканием решеток путем управления пограничным слоем и аэродинамическими следами заключается в том, что при работе лопаточных венцов на предсрывных режимах давление в пограничном слое на поверхности лопаток в ступенях меньше, чем в межлопаточных каналах (ядре потока), поэтому пограничный слой не может преодолеть высокого положительного градиента давления на спинке лопатки при больших углах атаки: происходит срыв потока с поверхности. Срыв может быть предотвращен или локализован, а интенсивность аэродинамических следов за выходными кромками лопаток уменьшена применением энергетических методов воздействия на течение в пристенных слоях.
Известен многоступенчатый компрессор, включающий ротор с рабочими лопатками, направляющий аппарат первой ступени с поворотными лопатками, направляющий аппарат последней ступени с лопатками, и трубопровод, соединяющий эти направляющие аппараты, причем трубопровод содержит клапан для регулирования потока воздуха (Патент DE 1476791 от 19.08.1965, опубл. 06.07.1966, МПК F02C 7/32).
Недостатком данного многоступенчатого компрессора является наличие клапана для регулирования потока воздуха в трубопроводе, что значительно снижает надежность работы компрессора и снижает отказоустойчивость компрессора.
Известен компрессор с лопатками, включающий устройство для управления пограничным слоем, которое содержит внутреннюю полость, соединенную с внешней средой при помощи щели для отсоса пограничного слоя и щели для вдува, выполненные на спинке лопатки, при этом щель для отсоса пограничного слоя на спинке профиля проходит в направлении нормали к поверхности спинки, а щель для вдува воздуха выполнена под острым углом к поверхности спинки лопатки (Патент РФ №2372251 от 22.04.2008, опубл. 10.11.2009, Бюл. №31, МПК B64C 21/02).
Недостатком данного компрессора является значительная величина потребного перепада давлений между местами расположения щелей отсоса и вдува для осуществления устойчивого перетекания с учетом потерь. Кроме того, в данной конструкции вдув потока в пограничный слой производится значительно раньше теоретической точки отрыва, что может привести к ухудшению обтекания на спинке лопатки. Поэтому достижение положительного суммарного эффекта от такого рода управления пограничным слоем может оказаться проблематичным.
Известен компрессор турбомашины, содержащий ротор с лопатками и статор с лопатками, при этом ротор и статор содержат устройства для управления пограничным слоем, включающие щель для отбора воздуха, выполненную на спинке роторных лопаток и на корыте статорных лопаток, и щель для подачи воздуха, выполненную на спинке роторных лопаток и на корыте статорных лопаток, а также трубопровод для передачи отобранного воздуха, соединяющий внутренние полости лопаток ротора и статора, где производится отбор пограничного слоя, с внутренними полостями лопаток, где производится подача воздуха (Патент GB647947 от 13.12.1946, опубл. 28.12.1950, МПК F04D 29/68).
Наиболее близким является многоступенчатый компрессор турбомашины, содержащий, по меньшей мере, один ротор с рабочими лопатками, и статор, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом первой ступени с лопатками и, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом последней ступени с лопатками, устройство для активного управления пограничным слоем, включающее лопатки направляющего аппарата последней ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки направляющего аппарата первой ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха, и трубопровод для передачи отобранного воздуха от лопаток направляющего аппарата последней ступени к лопаткам направляющего аппарата первой ступени (Патент GB2406139 от 19.09.2003, опубл. 23.03.2005, МПК F04D 27/02, F04D 29/68).
Недостатками вышеуказанных компрессоров являются: неравномерность обтекания лопаток направляющего аппарата последней ступени при нестационарном взаимодействии «ротор-статор», приводящая к различному расположению точек отрыва потока и уменьшению эффективности передачи воздуха к лопаткам направляющего аппарата первой ступени вплоть до 0 и, как следствие, резкому падению запасов устойчивой работы многоступенчатого компрессора; увеличение количества трубопроводов, идущих от направляющего аппарата последней ступени к направляющему аппарату первой ступени, что усложняет конструкцию и увеличивает массу многоступенчатого компрессора.
Техническим результатом является увеличение отказоустойчивости и надежности работы компрессора в связи с отсутствием дополнительных элементов (клапанов, дросселей); уменьшение количества трубопроводов для передачи отобранного воздуха и снижение массы направляющих аппаратов, и, как следствие, уменьшение массы компрессора и упрощение его конструкции за счет снижения количества ступеней компрессора благодаря увеличению нагрузки на каждую ступень, а также исключение зависимости работы системы от неравномерности нестационарного обтекания лопаток последней ступени направляющего аппарата.
Технический результат достигается тем, что многоступенчатый компрессор турбомашины содержит, по меньшей мере, один ротор с рабочими лопатками и статор, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом первой ступени с лопатками и, по меньшей мере, с одним направляющим аппаратом последней ступени с лопатками, устройство для активного управления пограничным слоем, включающее лопатки направляющего аппарата последней ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки направляющего аппарата первой ступени, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха, и трубопровод для передачи отобранного воздуха от лопаток направляющего аппарата последней ступени к лопаткам направляющего аппарата первой ступени.
Новым в изобретении является то, что щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени выполнены в спинках лопаток в точке отрыва пограничного слоя, при этом каждое из щелевых отверстий соединено, по меньшей мере, с одной внутренней полостью лопатки, над торцами лопаток направляющего аппарата последней ступени выполнен ресивер для сбора воздуха из внутренних полостей лопаток, а над торцами лопаток направляющего аппарата первой ступени выполнен ресивер для распределения воздуха по внутренним полостям лопаток, между собой ресивер для сбора воздуха и ресивер для распределения воздуха соединены трубопроводом.
Высота каждого щелевого отверстия для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и высота каждого щелевого отверстия для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени определяются как отношение 80-90% от высоты пера соответствующей лопатки к количеству щелевых отверстий на каждом пере лопатки, при этом ширина щелевого отверстия для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и ширина щелевого отверстия для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени должны составлять 2-5% от хорды лопатки.
На фигурах показано:
Фиг.1 - многоступенчатый компрессор турбомашины;
Фиг.2 - перо лопатки направляющего аппарата последней ступени с щелевыми отверстиями для отбора пограничного слоя;
Фиг.3 - перо лопатки направляющего аппарата первой ступени с щелевыми отверстиями для подачи отобранного воздуха;
Фиг.4 - отбор пограничного слоя с поверхности направляющей лопатки направляющего аппарата последней ступени;
Фиг.5 - подача отобранного воздуха через щелевые отверстия в рабочую среду компрессора;
Фиг.6 - сравнение аэродинамических характеристик многоступенчатых компрессоров.
Многоступенчатый компрессор турбомашины состоит, по меньшей мере, из одного ротора 1 с рабочими лопатками 2, статора и устройства для активного управления пограничным слоем.
Статор содержит, по меньшей мере, один направляющий аппарат первой ступени 3 с лопатками 4 и, по меньшей мере, один направляющий аппарат последней ступени 5 с лопатками 6.
Устройство для активного управления пограничным слоем содержит лопатки 6 направляющего аппарата последней ступени 5, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие 7 для отбора пограничного слоя воздуха, лопатки 4 направляющего аппарата первой ступени 3, в пере которых выполнено, по меньшей мере, одно щелевое отверстие 8 для подачи отобранного воздуха, и трубопровод 9 для передачи отобранного воздуха от лопаток 6 направляющего аппарата последней ступени 5 к лопаткам 4 направляющего аппарата первой ступени 3.
Щелевое отверстие 7 для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате 5 последней ступени и щелевое отверстие 8 для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени 3 выполнены в спинках лопаток 6, 4 в точке отрыва пограничного слоя. Каждое из щелевых отверстий 7, 8 соединено, по меньшей мере, с одной внутренней полостью 10 лопаток 6, 4.
Над торцами лопаток 6 направляющего аппарата последней ступени 5 выполнен ресивер 11 для сбора воздуха из внутренней полости 10 лопатки 6. Над торцами лопаток 4 направляющего аппарата первой ступени 3 выполнен ресивер 12 для распределения воздуха во внутреннюю полость 10 лопатки 4. При этом ресивер 11 для сбора воздуха соединен с ресивером 12 для распределения воздуха трубопроводом 9.
Высота каждого щелевого отверстия 7 для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени 5 и высота каждого щелевого отверстия 8 для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени 3 определяется как отношение 80-90% от высоты пера соответствующей лопатки 6, 4 к количеству щелевых отверстий 7, 8 на каждом пере лопатки 6, 4.
Ширина щелевого отверстия 7 для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени 5 и ширина щелевого отверстия 8 для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени 3 должны составлять 2-5% от хорды соответствующей лопатки 6, 4.
Многоступенчатый компрессор турбомашины работает следующим образом.
Воздух, проходя, по меньшей мере, через одну ступень ротора 1 с рабочими лопатками 2, попадает на направляющий аппарат первой ступени 3, и, проходя, по меньшей мере, еще через одну ступень ротора 1 с рабочими лопатками 3, в итоге попадает на направляющий аппарат последней ступени 5. Через щелевые отверстия 7 на спинке лопаток 6 последней ступени 5 отбирается пограничный слой воздуха, который может обусловить отрыв воздуха от поверхности пера лопатки 6, вызывая, тем самым, запирание каналов и, в конечном итоге, помпаж компрессора. Затем поток воздуха из щелевых отверстий 7 попадает во внутренние полости 10 лопаток 6 направляющего аппарата последней ступени 5, а из них попадает в ресивер 11 для сбора воздуха через торец лопатки 6. Поток воздуха, собранный в ресивере 11, по трубопроводу 9 передается в ресивер 12 для распределения воздуха к направляющему аппарату первой ступени 3, после чего поток воздуха из ресивера 12 распределяется и попадает во внутренние полости 10 лопаток 4 направляющего аппарата первой ступени 3 и через щелевые отверстия 8 сдувает пограничный слой воздуха с поверхности лопаток 4 и попадает в рабочую среду компрессора. Далее цикл повторяется сначала.
Благодаря тому, что устройство для активного управления пограничным слоем не содержит дополнительных элементов, таких как дроссели или клапаны, увеличивается отказоустойчивость и надежность работы компрессора.
Благодаря тому, что многоступенчатый компрессор содержит над торцами лопаток направляющего аппарата последней ступени ресивер для сбора воздуха из внутренних полостей лопаток, а над торцами лопаток направляющего аппарата первой ступени ресивер для распределения воздуха по внутренним полостям лопаток, достигается уменьшение количества трубопроводов для передачи отобранного воздуха.
Благодаря тому, что лопатки содержат внутренние полости и щелевые отверстия, достигается снижение массы направляющих аппаратов и, как следствие, уменьшение массы компрессора, и упрощение его конструкции за счет снижения количества ступеней компрессора благодаря увеличению нагрузки на каждую ступень.
Благодаря тому, что щелевое отверстие для отбора пограничного слоя воздуха в направляющем аппарате последней ступени и щелевое отверстие для подачи отобранного воздуха в направляющем аппарате первой ступени выполнены на спинках направляющих лопаток в точке отрыва пограничного слоя и соединены с помощью ресиверов и трубопроводов, исключается зависимость работы системы от неравномерности нестационарного обтекания лопаток последней ступени направляющего аппарата.
Пример.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>H</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>></mo><mn>0,4</mn></mrow>
На основе высоконагруженного трехступенчатого компрессора (ВТК) с
разработан трехступенчатый компрессор (НВТК) согласно предложенному изобретению с устройством для активного управления пограничным слоем. При этом данный компрессор содержит один ротор с рабочими лопатками, один направляющий аппарат первой ступени с лопатками, один направляющий аппарат последней ступени с лопатками.
Проведен сравнительный анализ аэродинамических характеристик высоконагруженного трехступенчатого компрессора (ВТК) и компрессора согласно предложенному изобретению (НВТК) с устройством для активного управления пограничным слоем.
Анализ показал улучшение течения в межлопаточном канале благодаря отбору пограничного слоя и смещению срыва в район входной кромки лопатки (таблица 1).
Таблица 1
Интегральные характеристики компрессоров при номинальном режиме работы компрессора (n=1)
Модификация компрессора
Адиабатический КПД компрессора η<sub>ад</sub>, %
Запасы устойчивой работы компрессора dK<sub>y</sub>, %
1. Высоконагруженного трехступенчатого компрессора (ВТК)
82,93
8,86
2. Компрессор согласно предложенному изобретению (НВТК)
83,23
12,11
Сравнение аэродинамических характеристик (ЛРР - линия рабочих режимов, ГУР - граница устойчивой работы) двух компрессоров показало, что многоступенчатый компрессор, предложенный согласно изобретению (НВКТ), имеет большие запасы устойчивой работы, чем высоконагруженный трехступенчатый компрессор (ВТК), и тем самым отодвигая границу помпажа от линии рабочих режимов (Фиг.6).