Турбокомпрессор с надроторным устройством
TURBO COMPRESSOR WITH ABOVE-ROTOR DEVICE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в осевых турбокомпрессорах для газотурбинных двигателей и установок.
Для повышения эффективности осевых турбокомпрессоров используют надроторные устройства различных типов. Наиболее распространенными являются надроторные устройства с входными и выходными отверстиями щелевого типа. Конструктивно щелевое надроторные устройства представляет собой надроторную проставку, в которой равномерно по окружности выполнены щели в несколько рядов числом не менее двух. Надроторные устройства для турбокомпрессоров разных модификаций могут иметь различную конфигурацию щелей, а также отличаться по количеству рядов щелевидных прорезей и их количеству в каждом ряду.
При этом для каждого режима работы турбокомпрессора повышение эффективности его работы при сохранении достаточных запасов газодинамической устойчивости достигается за счет применения выходных отверстий в виде щелевидных прорезей различной конфигурации. Надроторные устройства, имеющие постоянные геометрические параметры щелей, улучшая эффективные показатели турбокомпрессора на одних режимах его работы, как правило ухудшают эти показатели на других частичных режимах. Поэтому в известных турбокомпрессорах надроторные устройства выполняют с запорными элементами для перекрытия входных и выходных отверстий в процессе работы.
Известен турбокомпрессор с надроторным устройством, содержащий корпус с надроторной проставкой и проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте внутри надроторной проставки с образованием межлопаточных проточных каналов, каналы обратного тока с запорными элементами, выполненные в надроторной проставке и сообщенные с межлопаточными проточными каналами входными отверстиями, а с проточным трактом - выходными отверстиями, и систему управления, связанную с датчиками рабочих параметров и приводами рабочих органов, причем входные отверстия каналов обратного тока выполнены в виде ряда отверстий в надроторной проставке корпуса, расположенных в зоне межлопаточных проточных каналов ниже по потоку плоскости выходных кромок лопаток рабочего колеса, выходные отверстия каналов обратного тока имеют запорные элементы с приводом, подключенным к системе управления, и выполнены в виде отверстий в надроторной проставке, расположенных выше по потоку плоскости входных кромок лопаток рабочего колеса (ЕР 1832717, 2006).
В известном турбокомпрессоре перепуск рабочего тела из области высокого давления осуществляется через отдельные каналы обратного тока, т.к. кольцевая полость в надроторном устройстве отсутствует. При таком выполнении надроторного устройства невозможно обеспечить равномерную подачу потока воздуха к входным кромкам рабочих лопаток по всему периметру рабочего колеса, что на определенных режимах может существенно снизить показатели эффективности работы турбокомпрессора.
Кроме того, в известном турбокомпрессоре запорные элементы в каналах обратного тока выполнены нормально закрытыми, а их открытие осуществляется при достижении запаса гидродинамической устойчивости граничного значения, т.е. устройство предназначено для предотвращения аварийного режима работы.
Известен турбокомпрессор с надроторным устройством, содержащий корпус с надроторной проставкой и проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте внутри надроторной проставки с образованием межлопаточных проточных каналов, систему подвода рабочей среды под давлением с кольцевой полостью, сообщенной с проточным трактом выходными отверстиями, и систему управления, связанную с датчиками рабочих параметров и приводами рабочих органов, выходные отверстия кольцевой полости имеют запорные элементы с приводом, подключенным к системе управления, и выполнены в виде, по меньшей мере, двух рядов щелевидных прорезей в надроторной проставке, расположенных в зоне проточного тракта выше по потоку плоскости входных кромок лопаток рабочего колеса (US 6125626, 2000).
В известном турбокомпрессоре подача рабочей среды под давлением на переднюю кромку лопаток рабочего колеса осуществляется для исключения или уменьшения вибрации рабочего колеса в процессе работы турбокомпрессора вне зависимости от режима его работы. Поэтому регулирование подачи этой среды в зависимости от режима работы не производится, что снижает показатели эффективности работы турбокомпрессора.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является турбокомпрессор с надроторным устройством, содержащий корпус с надроторной проставкой и проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте внутри надроторной проставки с образованием межлопаточных проточных каналов, кольцевую обечайку надроторного устройства, охватывающую надроторную проставку с образованием полости, сообщенной с межлопаточными проточными каналами входными отверстиями, а с проточным трактом - выходными отверстиями, и систему управления, связанную с датчиками рабочих параметров и приводами рабочих органов, причем входные отверстия полости выполнены в виде ряда прорезей в надроторной проставке корпуса, расположенных в зоне межлопаточных проточных каналов выше по потоку плоскости выходных кромок лопаток рабочего колеса, выходные отверстия полости имеют запорные элементы с приводом, подключенным к системе управления, и выполнены в виде щелевидных прорезей в надроторной проставке, расположенных в зоне проточного тракта выше по потоку плоскости входных кромок лопаток рабочего колеса, а стенки щелевидных прорезей выходных отверстий выполнены наклонными относительно радиуса надроторной проставки в направлении по потоку в проточном тракте (US 5431533, 1995).
В известном турбокомпрессоре запорные элементы выполнены в виде кольцевых шиберов с приводом, расположенных в кольцевых канавках, ориентированных перпендикулярно к оси выходных отверстий, причем привод связан с датчиками рабочих параметров двигателя и самолета. Такое выполнение позволяет обеспечить включение рециркуляции воздуха при достижении запаса гидродинамической устойчивости граничного значения, т.е. устройство предназначено для предотвращения аварийного режима работы турбокомпрессора.
При этом известный турбокомпрессор выполнен с множеством перепускных каналов в надроторном устройстве, расположенных по диаметру надроторной проставки в один ряд и несообщенных между собой, поэтому существенно ограничены возможности выравнивания пульсаций давления и скорости потока путем отбора вращающихся вихрей, образованных вторичным течением в радиальном зазоре между торцами лопаток и трактовой стенкой. Это приводит к интенсификации нестационарных эффектов, связанных с перетеканием потока в радиальном зазоре между торцевой поверхностью лопатки и трактовой стенкой корпуса, увеличивает пульсации давления в потоке и тем самым снижает эффективные показатели турбокомпрессора при работе на долевых режимах.
Однорядное расположение выходных отверстий не позволяет регулировать значение угла атаки потока воздуха на входе в рабочее колесо в зависимости от режима работы турбокомпрессора, что также негативно отражается на его эффективных показателях при работе на долевых режимах.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в том, чтобы обеспечить на каждом долевом режиме работы турбокомпрессора перепуск воздуха через выходные отверстия в оптимальном количестве и через определенные ряды щелевидных прорезей.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы турбокомпрессора на долевых режимах при гарантированном обеспечении оптимальной величины запаса гидродинамической устойчивости путем оптимизации угла атаки потока воздуха на входе рабочего колеса.
Технический результат достигается за счет того, что турбокомпрессор с надроторным устройством содержит корпус с надроторной проставкой и проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте внутри надроторной проставки с образованием межлопаточных проточных каналов, кольцевую обечайку надроторного устройства, охватывающую надроторную проставку с образованием кольцевой полости, сообщенной с межлопаточными проточными каналами входными отверстиями, а с проточным трактом - выходными отверстиями, и систему управления, связанную с датчиками рабочих параметров и приводами рабочих органов, причем входные отверстия кольцевой полости выполнены в виде ряда прорезей в надроторной проставке корпуса, расположенных в зоне межлопаточных проточных каналов выше по потоку плоскости выходных кромок лопаток рабочего колеса, выходные отверстия кольцевой полости имеют запорные элементы с приводом, подключенным к системе управления, и выполнены в виде, по меньшей мере, двух рядов щелевидных прорезей в надроторной проставке, расположенных в зоне проточного тракта выше по потоку плоскости входных кромок лопаток рабочего колеса, а стенки щелевидных прорезей выходных отверстий выполнены наклонными относительно радиуса надроторной проставки в направлении по потоку в проточном тракте, причем каждый запорный элемент выполнен в виде дугообразного сегмента с уплотнителями на внутренней поверхности и тягой, связанной с приводом, и расположен в кольцевой полости надроторного устройства с возможностью перекрытия уплотнителями щелевидных прорезей выходных отверстий, а привод запорных элементов выполнен в виде поворотного водила, установленного на внешней поверхности кольцевой обечайки надроторного устройства с возможностью ограниченного вращательного перемещения, причем водило снабжено профилированными пазами по числу запорных элементов и ползунами, расположенными в профилированных пазах и жестко связанными с тягами запорных элементов.
Существенность отличительных признаков турбокомпрессора с надроторным устройством подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение эффективности работы турбокомпрессора на долевых режимах при гарантированном обеспечении оптимальной величины запаса гидродинамической устойчивости путем оптимизации угла атаки потока воздуха на входе рабочего колеса.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием конструкции турбокомпрессора с надроторным устройством и его работы со ссылками на фигуры 1-6, где:
на фиг. 1 изображена схема турбокомпрессора с надроторным устройством;
на фиг. 2 показан общий вид надроторного устройства с запорными элементами;
на фиг. 3 показана кольцевая полость надроторного устройства с запорными элементами;
на фиг. 4 показано надроторное устройство в сечении А-А на фиг. 1;
на фиг. 5 изображена блок-схема системы управления надроторным устройством;
на фиг. 6 показана диаграмма открытия-закрытия запорных элементов на различных режимах работы турбокомпрессора.
Турбокомпрессор с надроторным устройством содержит корпус 1 с надроторной проставкой 2 и проточным трактом 3, рабочее колесо 4 с лопатками 5, установленное в проточном тракте 3 внутри надроторной проставки 2 с образованием межлопаточных проточных каналов 6, кольцевую обечайку 7 надроторного устройства, охватывающую надроторную проставку 2 с образованием кольцевой полости 8, сообщенной с межлопаточными проточными каналами 6 входными отверстиями 9, а с проточным трактом 3 - выходными отверстиями 10 (фиг. 1).
Входные отверстия 9 выполнены в виде ряда прорезей в надроторной проставке 2 корпуса 1, расположенных в зоне межлопаточных проточных каналов 6 выше по потоку плоскости выходных кромок 11 лопаток 5 рабочего колеса 4. Выходные отверстия 10 выполнены (для данного конкретного примера реализации) в виде трех рядов 12, 13 и 14 щелевидных прорезей в надроторной проставке 2, расположенных в зоне проточного тракта 3 выше по потоку плоскости входных кромок 15 лопаток 5 рабочего колеса 4, а стенки щелевидных прорезей выходных отверстий 10 выполнены наклонными относительно радиуса надроторной проставки 2 в направлении по потоку в проточном тракте 3 (фиг. 1-3).
Выходные отверстия 10 кольцевой полости 8 имеют запорные элементы 16 и 17 с приводом, подключенным к системе управления 18, связанной с датчиками рабочих параметров 19 и блоком привода рабочих органов 20 (фиг. 5).
Каждый запорный элемент 16 выполнен в виде дугообразного сегмента 21 с уплотнителями 22, расположенными на его внутренней поверхности, и тягой 23, связанной с приводом, и расположен в кольцевой полости 8 надроторного устройства с возможностью перекрытия уплотнителями 22 щелевидных прорезей выходных отверстий 10 одного из рядов 12, 13 или 14 (фиг. 4).
Привод запорных элементов 16 и 17 выполнен в виде поворотного водила 24, установленного на внешней поверхности кольцевой обечайки 7 надроторного устройства с возможностью ограниченного вращательного перемещения, причем водило 24 снабжено профилированными пазами 25 по числу запорных элементов 16 и 17, а также ползунами 26, расположенными в профилированных пазах 25 и жестко связанными с тягами 23 запорных элементов 16 и 17 (фиг. 1, 3 и 4).
При работе турбокомпрессора на частичных режимах с невысоким давлением потока в межлопаточных проточных каналах 6, когда его приведенные обороты имеют значение менее 0,8, все три ряда 12, 13 и 14 щелевидных прорезей выходных отверстий 10 открыты, обеспечивая максимальное уменьшение углов атаки потока на входе в рабочее колесо, тем самым повышая эффективные показатели турбокомпрессора и сохраняя величину запаса гидродинамической устойчивости в оптимальных значениях (фиг. 6).
При повышении скорости вращения турбокомпрессора в диапазоне значений приведенных оборотов от 0,8 до 0,9 давление в потоке увеличивается и соответственно возрастают перетечки воздуха из межлопаточных проточных каналов 6 в проточный тракт 3, вследствие чего уменьшается значение запаса гидродинамической устойчивости и снижается КПД компрессора. Для сохранения оптимальных углов атаки потока на входе в рабочее колесо необходимо эти перетечки уменьшить, поэтому первый ряд 12 щелевидных прорезей выходных отверстий 10 необходимо перекрыть.
При поступлении сигнала от датчиков рабочих параметров 19 о повышении величины приведенных оборотов турбокомпрессора система управления 18 направляет соответствующий сигнал на блок привода рабочих органов 20 (фиг. 5). При поступлении сигнала поворотное водило 24 осуществляет ограниченное вращательное перемещение относительно оси турбокомпрессора и через ползуны 26, расположенные в профилированных пазах 25, и тяги 23 перемещает запорные элементы 16 до перекрытия уплотнителями 22 первого ряда 12 щелевидных прорезей выходных отверстий 10.
При этом запорные элементы 17 второго ряда 13 щелевидных прорезей выходных отверстий 10 остаются неподвижными и не перекрывают щелевидные прорези второго ряда 13. Перепуск воздуха из межлопаточных проточных каналов 6 в проточный тракт 3 осуществляется через второй ряд 13 и третий ряд 14 щелевидных прорезей выходных отверстий 10. За счет снижения перетечек на этом режиме работы повышается КПД компрессора при сохранении величины запаса гидродинамической устойчивости на оптимальном уровне.
С увеличением скорости вращения турбокомпрессора в диапазоне приведенных оборотов от 0,9 до 1,0 поворотное водило 24 осуществляет дополнительное ограниченное вращательное перемещение в том же направлении и перемещает запорные элементы 17 до перекрытия уплотнителями 22 второго ряда 13 щелевидных прорезей выходных отверстий 10.
При этом запорные элементы 16 первого ряда 12 щелевидных прорезей выходных отверстий 10 остаются неподвижными, перекрывая щелевидные прорези первого ряда 12, а перепуск воздуха из межлопаточных проточных каналов 6 в проточный тракт 3 осуществляется на этом расчетном режиме только через третий ряд 14 щелевидных прорезей выходных отверстий 10, который в данном конкретном примере осуществления изобретения выполнен без запорных элементов.
При необходимости работы турбокомпрессора на форсированных режимах в диапазоне приведенных оборотов более 1,0 в связи с повышенным относительно расчетного давлением потока, для сохранения оптимальных углов атаки потока и гарантированного запаса гидродинамической устойчивости, третий ряд 14 щелевидных прорезей также выполняется с запорными элементами (на чертеже не показаны), которые обеспечивают при работе на форсированном режиме полное перекрытие всех трех рядов 12, 13 и 14 щелевидных прорезей выходных отверстий 10, исключая таким образом перетечки воздуха перед лопатками рабочего колеса.
Таким образом, каждому режиму работы турбокомпрессора соответствует определенная комбинация закрытых и открытых рядов щелевидных прорезей, обеспечивающая повышение эффективности работы турбокомпрессора на долевых режимах при гарантированном обеспечении оптимальной величины запаса гидродинамической устойчивости путем оптимизации угла атаки потока воздуха на входе рабочего колеса.