ЗАМЫКАЮЩАЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННАЯ СТУПЕНЬ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к осевым многоступенчатым компрессорам высокого давления для газотурбинных двигателей, а более точно относится к устройству замыкающей высоконагруженной ступени современного осевого многоступенчатого компрессора высокого давления (КВД) для газотурбинных двигателей (ГТД), включая двигатели летательных аппаратов (ЛА).
Осевые КВД для ГТД ЛА широко известны (см., например, Н.И. Старцев. Конструкция и проектирование турбокомпрессора ГТД, Самара, изд. СТАу, 2006 г., стр.24-30).
Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных венцов ротора, лопатки которого закреплены на валу и именуемые рабочими колесами (РК), и неподвижных лопаточных венцов статора, лопатки которого закреплены в наружном корпусе и именуемые направляющими аппаратами (НА). Совокупность венцов, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата именуется ступенью (см., например, Internet, Википедия).
Проблемой компрессоров, в том числе осевого КВД, является обеспечение высокой эффективности и достаточного запаса газодинамической устойчивости. Известны устройства для решения этой проблемы.
Решение данной проблемы раскрыто в патенте Франции №2564533, в котором описан корпус с определенной формой, связанной с определенной конструкцией системы для прохода воздуха, для устранения пульсации в осевом компрессоре. Тем не менее, данная конструкция является довольно сложной, и ее трудно реализовать.
Известен осевой КВД (патент РФ №2395010, опубл.20.07.2010) который содержит, по меньшей мере, одно множество подвижных лопаток и отстоящее от него в осевом направлении относительно центральной продольной оси множество неподвижных лопастей и неподвижный корпус, окружающий множество подвижных лопаток. Изобретение направлено на повышение эффективности и запаса эксплуатационной надежности по отношению к пульсации в осевом компрессоре в целом. Запас эксплуатационной надежности по отношению к пульсации увеличивается посредством добавления устройства для отбора воздуха, расположенного у концов подвижных лопаток, то есть по существу вблизи их передних кромок. Это устройство для отбора воздуха содержит множество отверстий, которые предпочтительно являются цилиндрическими, и образованы как сквозные в неподвижном корпусе, окружающем множество подвижных лопаток РК.
Оба указанные выше патента относятся к управлению течением у периферии РК.
Однако одним из критических элементов в обеспечении высокой эффективности и достаточных запасов газодинамической устойчивости КВД современного перспективного двигателя для летательного аппарата является замыкающая ступень, отличающаяся высокой аэродинамической нагруженностью выходного НА. Известное решение не устраняет наиболее неблагоприятные условия течения в проточной части КВД, которые формируются в привтулочной области НА.
В основу полезной модели положена задача обеспечения высокой эффективности и достаточного запаса газодинамической устойчивости замыкающей ступени осевого КВД.
Технический результат состоит в уменьшении потерь полного давления путем саморегулирования управления течением воздуха в замыкающей ступени в привтулочной области НА.
Поставленная задача решается тем, что в замыкающей высоконагруженной ступени осевого КВД для газотурбинных двигателей, включая двигатели летательных аппаратов, содержащего, по меньшей мере, две ступени, последовательно расположенные по тракту воздушного потока, последняя из которых является высоконагруженной замыкающей ступенью, содержащей консольный или двухопопрный НА с множеством неподвижных лопаток, втулочный корпус НА замыкающей ступени содержит систему сквозных отверстий, которая служит для пассивного, саморегулирующегося управления пограничным слоем в привтулочной области на профилях лопаток НА вдувом/отсосом воздуха и включает отверстия для вдува воздуха, расположенные у переднего, входного по потоку, участка спинки профиля каждой лопатки и, отверстия, расположенные у выходного участка спинки и следе за каждой лопаткой для отсоса пограничного слоя. Сквозные отверстия для вдува и отсоса могут быть выполнены в виде щелей. В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и фигурами, где представлены:
на фиг.1 - схема проточной части замыкающей ступени КВД, содержащей высоконагруженный НА с консольными, закрепленными в периферийном корпусе лопатками;
на фиг.2 - линии равных скоростей воздушного потока в проточной части замыкающей ступени осевого КВД, получены расчетом 3D вязкого течения без использования полезной модели;
НА
на фиг.3 - графики распределения по радиусу коэффициента полного давления σ в направляющем аппарате замыкающей ступени осевого КВД, экспериментально полученные при испытании ступени с использованием и без использования полезной модели;
на фиг.4 - принципиальная схема расположения отверстий, согласно полезной модели, для управления пограничным слоем на привтулочных профилях лопаток НА путем вдува воздуха с повышенным давлением, отбираемого за компрессором, со стороны спинки профиля на переднем его участке каждой лопатки;
на фиг.5 - принципиальная схема расположения отверстий, согласно полезной модели, для управления пограничным слоем на привтулочных профилях всех лопаток НА путем отсоса воздуха на выходном участке со стороны спинки профиля и в следе за профилями с помощью воздуха с пониженным давлением, отбираемым перед НА.
Осевой многоступенчатый КВД, согласно полезной модели, в замыкающей высонагруженной ступени содержит устройства вдува и отсоса воздуха у каждой лопатки в виде системы отверстий, расположенных во втулочном корпусе НА.
На фиг.1 дана схема проточной части 1 замыкающей ступени осевого КВД. Ступень содержит РК 2, консольный НА 3, втулочный корпус 4. Консольный НА, который имеет множество неподвижных лопаток, консольно закрепленных в наружном корпусе с радиальным зазором 5 между лопатками НА 3 и втулочным корпусом 4. Однако возможно, что, в отличие от показанного на фиг.1, НА выполнен двухопорным, без радиального зазора у втулки (не показано). Предлагаемая полезная модель может быть использована и при двухопорной конструкции НА.
Согласно полезной модели, втулочный корпус 4 НА замыкающей ступени КВД содержит систему сквозных отверстий, которая служит для пассивного, саморегулирующегося управления пограничным слоем в привтулочной области на профилях лопаток НА вдувом/отсосом воздуха.
Система отверстий (рис.4, рис.5) включает отверстия 7 во втулочном корпусе 4 НА 3 у переднего (входного) по потоку участка спинки 6 каждой лопатки, отверстия 9 и отверстия 10 у выходного участка и следе за каждой лопаткой.
4
На фиг.4 дана принципиальная схема устройства вдува воздуха на спинку 6 лопатки НА 3: во втулочном корпусе 4 расположены сквозные отверстия 7 диаметром А на небольшом (L) отдалении от входного привтулочного профиля спинки 6 лопатки, служащие для вдува воздуха в пограничный слой на спинке 6 привтулочного профиля лопатки НА 3.
На фиг.4 изображен для примера втулочный корпус 4, содержащий систему из расчетного количества () сквозных цилиндрических отверстий 7 диаметром А. Форма отверстий 7 может быть иной, например, в виде щелей (не показано).
На фиг.5 дана принципиальная схема устройства отсоса воздуха со стороны выходного участка спинки 6 лопатки НА 3: во втулочном корпусе 4 расположены сквозные отверстия 9 и 10, соответственно, со стороны выходного выпуклого участка профиля спинки 6 и следа за лопаткой, служащие для отсоса воздуха из пограничного слоя с выходного участка спинки 6 лопатки и из следа за лопаткой 3.
На фиг.5 показан для примера втулочный корпус 4, который содержит расчетное количество () сквозных цилиндрических отверстий 9 со стороны выходного выпуклого участка профиля спинки лопатки 6 и расчетное количество () сквозных цилиндрических отверстий 7 в следе за лопаткой 3. Число отверстий 7, их диаметр А и шаг определяются расчетным путем и могут быть выполнены иной формы, например, в виде щелей.
Фиг.4 и фиг.5 иллюстрируют принципиальные схемы применительно к типовой замыкающей ступени КВД. Вместо цилиндрических отверстий могут быть использованы щели на втулочном корпусе ступени той же площади и расположения, как и системы отверстий. Выбор того или другого способа обработки втулочного корпуса ступени для организации вдува и отсоса воздуха определяет конструктивная и производственная целесообразность.
Физические основы управления течением заключаются в следующем.
Вдув воздуха с повышенным давлением в пограничный слой на спинке привтулочного профиля лопатки НА (см. фиг.4) приводит к увеличению запаса импульса потока в пограничном слое и сопровождается ликвидацией или уменьшением интенсивности отрыва потока, уменьшением вихревого следа за лопатками и в конечном счете снижением потерь. Кроме того, подача воздуха с повышенным давлением вблизи спинки лопатки приведет к снижению перепада давления между корытцем и спинкой на привтулочных профилях лопаток НА и тем самым к ослаблению перетеканий воздуха в радиальном зазоре. Это мероприятие «газодинамического уплотнения» перетеканий воздуха в радиальном зазоре будет наиболее эффективным в области максимального перепада давления между корытцем и спинкой профиля, т.е. на переднем участке в области «горла» решетки НА, что и предусмотрено в настоящем предложении (фиг.4).
Отсос воздуха на выходном участке спинки профиля и в вихревом следе (фиг.5) приведет к ослаблению отрывной зоны на выходном участке спинки профиля (см. фиг.1) и к уменьшению интенсивности следа повышенных потерь на выходе из ступени, что обеспечивает более благоприятные условия течения, высокую эффективность и достаточный запас газодинамической устойчивости замыкающей ступени осевого КВД по сравнению с типовым выполнением.
Расчетные и экспериментальные исследования типовой высоконагруженной замыкающей ступени КВД, результаты которых приведены на фиг.2 и 3 показывают, что наиболее неблагоприятные условия течения формируются в привтулочной области НА.
НА
НА
НА
отн
пер
пер
Действительно, по протеканию расчетных линий равных скоростей потока на фиг.2 можно видеть, что если в РК формируется сравнительно спокойный характер обтекания лопаток с относительно слабыми зонами отрыва, то в НА наблюдаются области 11 интенсивного отрыва потока со стороны поверхности разрежения (спинки) профилей, особенно в привтулочной области, где пограничный слой отрывается практически с середины поверхности спинки лопаток. Это, а также перетекания воздуха в радиальных зазорах 5 консольных лопаток НА 3, приводят к существенному завалу коэффициента полного давления в ступени σ в привтулочной области НА, наблюдаемому по экспериментально полученному распределению σ по радиусу (сплошная кривая на фиг.3). Использование вдува-отсоса воздуха на втулочном корпусе 4 НА 3 согласно предлагаемой полезной модели, как видно на фиг.3 (пунктирная кривая), приводит к существенному уменьшению потерь полного давления (к увеличению σ) в привтулочной области. На фиг.3 относительный радиус r=r/r определен как отношение текущего радиуса точки измерения r к радиусу периферийного корпуса r, а величина , где  - среднее по шагу лопаток НА 3 полное давление на выходе из НА, а  - максимальное по шагу лопаток НА 3 полное давление за НА.
Полезная модель может быть использована в устройстве замыкающей высоконагруженной ступени современного осевого КВД для газотурбинного двигателя ЛА или другого назначения.