Двухступенчатый центробежный компрессор газотурбинного двигателя малой тяги
TWO STAGE CENTRIFUGAL COMPRESSOR OF A GAS TURBINE THRUST ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть применено в качестве компрессора газотурбинных двигателей малой тяги на беспилотных и малых пилотируемых летательных аппаратах, наземных, надводных транспортных средствах и энергоустановках.
Известны газотурбинные двигатели, имеющие одноступенчатый центробежный компрессор, приводимый во вращение одноступенчатой осевой [Schreckling K. Gas Turbines for Model Aircraft. Traplet Publications, 2003, с. 18] или центростремительной [Kamps T. Model Jet Engines. Traplet Publications, 2005, с. 23] турбиной.
Известны также двигатели, в которых центробежные компрессоры с целью повышения производительности имеют колеса с двухсторонним входом, причем обе стороны такого колеса симметричны [Источник Виноградов Б. С.Авиационные центробежные компрессоры: учебное пособие. Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2020, с. 21; Whittle F. Gas turbine aero-thermodynamics: with special reference to aircraft propulsion. Elsevier, 2013, с. 169].
Недостатком упомянутых аналогов при их применении на двигателях малой тяги являются пониженные кпд порядка 65…70% при значениях степени повышения давления 4…5.
Известны схемы газотурбинных двигателей с двумя [Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО «Авиадвигатель». 2006, с. 42; Saravanamuttoo H. I. H., Rogers G. F. C., Cohen H. Gas turbine theory. Pearson education, 2017, с. 14], тремя и более ступенями центробежных компрессоров [Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО «Авиадвигатель». 2006, с. 41], с последовательно расположенными на одном валу колесами.
Основным недостатком указанных аналогов являются неудовлетворительные массогабаритные характеристики применительно к двигателям малой тяги.
Частично устранить указанный недостаток позволяет применение двухступенчатых центробежных компрессоров с последовательно соединенными ступенями, в которых рабочие лопатки первой и второй ступени расположены по обеим сторонам общего несущего диска [Авторское свидетельство СССР №544772, кл. F 04 D 17/12, 1973] или на двух дисках, ориентированных друг к другу «спинка к спинке» с расположенной между ними диафрагмой, снабженной лабиринтным уплотнением [Патент РФ №2110700 C1, кл. F04D 17/12, F02C 1/08, 1989].
Несмотря на уменьшение габаритов и массы существенным недостатком рассмотренных аналогов, при их применении в двигателях малой тяги, являются диаметральные размеры компрессора, затрудняющие расположение таких двигателей в корпусе летательного аппарата и мотогондоле. Таким образом порядка 1/3 диаметральных размеров указанных компрессоров занимает радиальный лопаточный диффузор и воздушные каналы компрессора.
Целью предлагаемых технических решений является уменьшение массы и габаритов двухступенчатого центробежного компрессора, позволяющих его применение в газотурбинных двигателях малой тяги, и повышение кпд по сравнению с одноступенчатыми вариантами.
Указанная цель достигается тем, что первая и вторая ступени расположены на общем несущем диске, причем первая ступень имеет диагональное исполнение, а вторая расположена с противоположной стороны колеса. Данные технические решения позволяют уменьшить диаметральные размеры рабочего колеса компрессора. При этом лопаточные диффузоры обоих ступеней имеют радиально-осевое исполнение с минимальной радиальной частью. Последнее позволяет значительно уменьшить диаметральные размеры предлагаемого компрессора.
Распределение нагрузки компрессора на две ступени вместо одной, при заданной степени повышения давления, позволяет повысить эффективность компрессора за счет более высокого кпд каждой из ступеней.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого двухступенчатого центробежного компрессора, в котором первая и вторая ступени расположены на общем несущем диске, причем первая ступень диагональная, вторая расположена с противоположной стороны колеса, а лопаточные диффузоры обоих ступеней имеют радиально-осевое исполнение.
На фиг. 2 представлена схема лабиринтного уплотнения между воздушными каналами первой и второй ступени рабочего колеса компрессора.
На фиг. 3 представлена схема расположения элементов воздушного канала компрессора в среднем сечении на выходе из лопаточного диффузора.
На фиг. 4 представлено поперечное сечение в области перекрестного коллектора компрессора с взаимно перпендикулярными радиальными и осевыми каналами первой и второй ступени компрессора.
В предлагаемом компрессоре его первая ступень имеет диагональное исполнение и состоит из рабочих лопаток 1, безлопаточного диффузора 3, радиальной 4 и осевой 5 частей лопаточного диффузора, а также радиальной части перекрестного коллектора 6 (фиг. 1). Вторая ступень компрессора расположена с противоположной стороны колеса и состоит из рабочих лопаток 8, безлопаточного диффузора 9, радиальной 10 и осевой 11 частей лопаточного диффузора, а также осевой части перекрестного коллектора 12. Ступени компрессора расположены на общем несущем диске 13, который вращается на валу 14. Первая и вторая ступени компрессора соединены между собой радиально-осевым воздушным каналом в котором расположен обратный направляющий аппарат 7.
Перетекание воздуха между ступенями компрессора 1 и 8 уменьшается следующим образом (фиг. 2): на периферии рабочего колеса 13 расположен выступ, на ответной статорной части которого имеется лабиринтное уплотнение 2, снижающее перетекание воздуха между безлопаточными диффузорами 3 и 9. Предлагаемая конструкция лабиринтного уплотнения позволяет некоторое перемещение рабочего колеса в осевом направлении.
С целью снижения гидравлических потерь взаимно перпендикулярные радиальные 6 и осевые 12 каналы перекрестного коллектора выполняются с закругленными кромками (фиг. 4).
Компрессор работает следующим образом. Из атмосферы воздух поступает в рабочие лопатки первой ступени 1 (фиг. 1), при прохождении которых происходит его сжатие под действием центробежных сил, а также возрастание скорости потока в абсолютном движении. Торможение потока на выходе из рабочего колеса начинается в безлопаточном диффузоре 3, и далее продолжается сначала в радиальной 4, а потом в осевой части лопаточного диффузора 5. Затем торможение потока прекращается, он поворачивается и поступает в радиальные каналы перекрестного коллектора 6. После чего поток движется далее по радиальной части воздушного канала компрессора, проходит обратный направляющий аппарат 7 и, поворачиваясь в осевом направлении, поступает на рабочие лопатки второй ступени компрессора 8. Здесь осуществляется второй цикл сжатия воздуха и его последующее торможение в безлопаточном диффузоре 9, а после в радиальной 10 и осевой 11 частях лопаточного диффузора. После выхода из диффузора воздух проходит осевую часть перекрестного коллектора 12, после чего направляется далее по тракту двигателя.