ОСЕВОЙ НАСОС ИЛИ КОМПРЕССОР (ВАРИАНТЫ)
AXIAL PUMP OR COMPRESSOR (VERSIONS)

Изобретение относится к осевым насосам, в частности к компрессорам, и, как следствие - к турбореактивным двигателям /далее ТРД/ и газотурбинным двигателям.
Известны осевые насосы /компрессоры/, в частности - как элементы ТРД и ГТД.
Наиболее близким к изобретению является осевой компрессор, состоящий из ротора с лопатками и статора с направляющим аппаратом (RU 2066402 С1, 10.09,1996).
Лопатки известного компрессора испытывают значительные аэродинамические усилия, действующие на все сечения лопатки и, особенно, на ее корневую часть.
Задачей изобретения является повышение надежности насоса или компрессора за счет разгрузки их лопаток по всей длине или на части длины от изгибающего момента сил, действующих на лопатки, используется центробежная сила, возникающая при вращении лопатки.
Технический результат по первому варианту достигается за счет того, что в осевом насосе или компрессоре, состоящем из ротора с лопатками и статора с направляющим аппаратом, согласно изобретению в продольной плоскости насоса его лопатки наклонены навстречу потоку и/или ось лопатки образует геометрическое место точек, в каждой из которых момент радиально-продольной составляющей аэродинамической силы равен по величине и противоположен по направлению моменту от центробежной силы.
При этом втулка венца ротора может иметь вид конуса.
Технический результат по второму варианту достигается за счет того, что в осевом насосе или компрессоре, состоящем из ротора с лопатками и статора с направляющим аппаратом, согласно изобретению в поперечной плоскости насоса ось лопатки проходит впереди оси вращения в направлении вращения ротора и/или ось лопатки образует геометрическое место точек, в каждой из которых момент радиально-поперечной составляющей аэродинамической силы равен по величине и противоположен по направлению моменту от центробежной силы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично показан осевой компрессор в составе ТРД;
на фиг.2 - поперечное сечение упрощенной прямолинейной лопатки компрессора, ось которой проходит впереди относительно направления вращения оси ротора;
на фиг.3 - схема действия сил на отрезок лопатки насоса или компрессора в проекции на плоскость X-Z, где Z - ось вращения ротора.
Осевой насос или компрессор состоит из статора 1 с направляющим аппаратом (не показан), ротора 2 с лопатками 5, втулкой 4 венца ротора 2, имеющей вид конуса, и валом 3. В составе ТРД имеются также коническая втулка 6 турбины и лопатки 7 турбины саблевидной формы. В продольной плоскости компрессора (насоса) его лопатки 5 наклонены навстречу потоку (см. фиг.2). В одном варианте ось лопатки 5 образует геометрическое место точек, в каждой из которых момент радиально-продольной составляющей аэродинамической силы равен по величине и противоположен по направлению моменту от центробежной силы. Во втором варианте в поперечной плоскости насоса ось лопатки 5 проходит впереди оси вращения в направлении вращения ротора и/или ось лопатки 5 образует геометрическое место точек, в каждой из которых момент радиально-поперечной составляющей аэродинамической силы равен по величине и противоположен по направлению моменту от центробежной силы.
Действующую на лопатку 5 аэродинамическую силу можно разложить на 3 составляющие: продольную /вдоль оси ротора 2/, касательную /тангенциальную/ и радиальную силы. Причем радиальную силу можно условно разложить на две части /см. ниже/.
Для компенсации действующей на лопатки 5 продольной силы они наклонены в продольном направлений так, что изгибающий момент в сечении и в частности в корне лопатки 5, возникающий от центробежной силы, полностью или частично компенсировал изгибающий момент, возникающий от продольной аэродинамической силы. Вследствие продольного наклона лопатки 5 возникает радиальная составляющая аэродинамической силы, которую назовем радиально-продольной силой. Вместе с продольной они образуют силу, которую назовем радиально-продольной и которая численно равна изначальной продольной силе. То есть достаточно точный расчет наклона лопатки 5 можно производить относительно изначальной продольной силы без учета появления радиально-продольной. Лопатки 5 насоса /компрессора/ в продольном направлении будут наклонены навстречу потоку, а лопатки 7 турбины - по потоку, и образовывать не диск вращения, а конус вращения.
При этом в продольном сечении лопатки 5, 7 компрессора или турбины по всей длине или частично могут иметь саблевидную или обратно-саблевидную форму.
При работе таких лопаток может возникать небольшая неравномерность давления по сечению - на периферии оно будет больше. Этим явлением можно пренебречь, а можно и сознательно использовать, например, забирая из этой зоны воздух на охлаждение лопаток 7 турбины.
Поскольку на втулку 4 венца при этом будут действовать кольцевые крутильные силы, втулку 4 венца целесообразно выполнить не в виде диска, как обычно принято у осевых насосов, а в виде конуса с конусностью, обратной по направлению к конусности лопаток 5. Конусность втулки 4 должна выбираться с учетом ее массы такой, чтобы продольное перемещение края втулки 4 с учетом аэродинамических и центробежных сил было близко к нулю.
Для компенсаций действующей на лопатки 5 касательной аэродинамической силы они наклонены в поперечном направлении /в поперечном сечении, так, чтобы изгибающий момент в сечении и в частности в корне лопатки 5, возникающий от центробежной силы, полностью или частично компенсировал бы момент, возникающий от касательной аэродинамической силы.
Так же, как и в случае с продольной аэродинамической силой, при наклоне лопатки 5 в поперечном направлении на ней появляется радиальная составляющая поперечной силы /радиально-поперечная/, которую при расчетах с достаточной точностью можно не учитывать, а оперировать изначальной тангенциальной силой.
С учетом изгиба лопастей 5 в продольном и поперечной сечении получается, что лопасти изогнуты в пространстве так, чтобы в каждом сечении момент аэродинамических сил консольной части лопатки 5 полностью или частично компенсировался бы моментом центробежных сил этой части лопатки 5, и лопатка 5 работала на чистое растяжение.
Изобретение может использоваться на всей лопатке 5 или на ее части, т.е. компенсация момента аэродинамических сил центробежными силами может осуществляться во всех сечениях лопатки по ее длине, или на части ее длины /например, на 50% длины от комля/, или только в корневом сечении, как наиболее нагруженном.
При упрощенном расчете только по корневому сечению, когда ось лопатки 5 принимается прямолинейной, ось лопатки 5 компрессора в поперечном сечении будет проходить впереди /по направлению вращения/ оси вращения ротора 2, а ось лопатки 7 турбины будет проходить позади оси ротора 2.
Расчет поперечных сил лопатки 5 проще, чем продольных, т.к. можно не рассчитывать поперечную аэродинамическую силу лопатки, а оперировать крутящим моментом, приходящимся на одну лопатку 5, который равен по величине частному от мощности и угловой скорости. А частное от крутящего момента и плеча может дать искомую аэродинамическую силу /без учета распределения ее по длине лопатки/.
Расчет лопатки 5 целесообразно вести методом последовательных приближений, т.к., во-первых, аналитический расчет слишком громоздок, а, во-вторых, уменьшение усилий в сечении лопатки может повлечь ее облегчение и, следовательно - новый расчет.
a.(x)
ц.(х)
На фиг.3 показан отрезок dr - малый отрезок лопатки 5 в направлении, перпендикулярном радиусу, который при интегрировании по dx вырождается в плоскость или цилиндр. Ось лопатки 5 образует геометрическое место точек (т.е. пересечение оси лопатки 5 с бесконечно малым сечением dr), в каждой из которых момент радиально-продольной составляющей аэродинамической силы F равен по величине и противоположен по направлению моменту от центробежной силы F:
где α - угол между осью Х и проекцией оси лопатки на продольную плоскость компрессора.
При этом изгибающий момент в сечении будет равен нулю, а результирующая сила будет касательна к оси лопатки 5.
То же выражение в скалярном виде будет выглядеть так:
где х- переменная величина;
α - неизвестная величина.
п.
Это выражение является функцией, а каждая функция имеет график. График указанной функции и есть проекция оси лопатки 5 на плоскость Х-Z, т.е. на продольную плоскость. Сила F от периферийной части лопатки при стремлении dr к бесконечно малой величине будет являться касательной к оси лопатки 5, а касательная сила не создает момента относительно точки 0.
Точно такие же рассуждения применимы и к проекции на поперечную плоскость, т.е. на плоскость X-Y, в результате чего будет построена вторая проекция лопатки 5, и пространственное положение лопатки 5 будет определено.
Работает компрессор в составе ТРД так: воздух сжимается в компрессоре 5, нагревается путем сжигания топлива и совершает работу в турбине.
Пример упрощенного /только по корневому сечению/ расчета плеча наклона лопаток 5 в поперечном направлении.
Предположим лопатка 5 компрессора весит 0,1 кГ, расположена в пределах радиусов 0,2-0,3 М с эквивалентным центром масс на радиусе R=0,267 м. Частота вращения ω=1000 р/с. Мощность одной лопатки N=30 кВт. Вычисляем момент:
Вычисляем центробежную силу:
ц.
2
6
F=m·ω·R=0,1·10·0,267=26700 Н.
Плечо эксцентриситета осей лопатки 5 и ротора
Применение изобретения позволит повысить надежность компрессора или насоса за счет компенсации изгибающего момента.