СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
RADIAL-FLOW COMPRESSOR STAGE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к компрессоростроению, и может быть использовано в конструкциях ГТД как авиационного, так и наземного применения.
Ступень центробежного компрессора довольно часто используют в современных ГТД; обычно ее устанавливают за последней ступенью осевого компрессора. Сочетание многоступенчатого осевого компрессора с последней центробежной ступенью называют осецентробежным компрессором. В случае такого применения центробежная ступень компрессора выполняется с осевым подводом воздуха, односторонним рабочим колесом и кольцевым выходом воздуха в камеру сгорания.
Эффективность работы ступени зависит от уровня гидравлических потерь в ее проточной части: в каналах рабочего колеса и в каналах неподвижных элементов ступени.
Известна ступень центробежного компрессора, содержащая расположенные по ходу движения рабочего потока рабочее колесо, безлопаточный и лопаточный диффузоры, спрямляющий аппарат (Энциклопедия «Авиация». - М.: Научное изд-во «Большая российская энциклопедия», Центральн. аэрогидродинам. ин-т им. проф. Н.Е.Жуковского, 1994, стр.282). В указанной ступени лопаточный диффузор отделен от спрямляющего аппарата кольцевым радиально-осевым безлопаточным каналом, в котором происходит изменение направления движения рабочего потока с радиального на осевое, т.е. поток поворачивается. Недостатком ступени центробежного компрессора является ее низкий КПД из-за наличия в проточной части ступени существенных потерь.
Известна выбранная в качестве прототипа ступень центробежного компрессора, содержащая рабочее колесо, а также переднюю и заднюю корпусные стенки, формирующие по ходу движения рабочего потока за рабочим колесом проточную часть безлопаточного диффузора, поворотного лопаточного диффузора и спрямляющего аппарата (пат. РФ №2334901, F04D 29/44, оп.27.09.2008).
Каждая лопатка поворотного лопаточного диффузора в ступени компрессора выполнена за одно целое с лопаткой спрямляющего аппарата таким образом, что совокупность средних линий профилей объединенных лопаток расположена в одной плоскости.
Корпусные стенки имеют сложную форму. Обе стенки включают дисковую часть, расположенную под прямым углом к оси компрессора, т.е. в радиальной плоскости, часть в виде полого цилиндра, ориентированную вдоль оси компрессора, и поворотную часть, плавно соединяющую две первые части. Между поворотными частями корпусных стенок расположены лопатки поворотного лопаточного диффузора, между частями в виде полого цилиндра - их продолжение, лопатки спрямляющего аппарата. Линия перехода поворотной части корпусной стенки в цилиндрическую часть представляет собой окружность и является граничной линией, определяющей раздел между поворотным лопаточным диффузором и спрямляющим аппаратом. На границе между поворотным лопаточным диффузором и спрямляющим аппаратом в проточной части прекращается расширение межлопаточных каналов; далее, в спрямляющем аппарате, каналы не имеют расширения.
Недостатком известной ступени центробежного компрессора является наличие гидравлических потерь в проточной части неподвижных элементов ступени и, следовательно, недостаточно высокие значения КПД.
Задачей изобретения является повышение КПД ступени центробежного компрессора за счет уменьшения потерь в проточной части ступени на участке, ограниченном с одной стороны входом поворотного лопаточного диффузора, а с другой - выходом спрямляющего аппарата.
Уменьшение потерь в проточной части ступени на участке, ограниченном с одной стороны входом поворотного лопаточного диффузора, а с другой - выходом спрямляющего аппарата, достигается тем, что в ступени центробежного компрессора, включающей рабочее колесо, а также переднюю и заднюю корпусные стенки, формирующие по ходу движения рабочего потока за рабочим колесом проточную часть безлопаточного диффузора, поворотного лопаточного диффузора и спрямляющего аппарата, в которой каждая лопатка поворотного лопаточного диффузора выполнена за одно целое с лопаткой спрямляющего аппарата таким образом, что совокупность средних линий профилей объединенных лопаток расположена в одной плоскости, согласно изобретению формы корпусных стенок выполнены с ломаной граничной линией, определяющей раздел между поворотным лопаточным диффузором и спрямляющим аппаратом, при этом граничные линии включают в свой состав группу прямых отрезков, каждый из которых, являясь на граничной линии своей корпусной стенки границей между одним из каналов поворотного лопаточного диффузора и продолжающим его каналом спрямляющего аппарата, перпендикулярен плоскости, в которой расположены средние продольные линии указанных каналов.
Выполнение обеих корпусных стенок с ломаной граничной линией, включающей в свой состав прямые отрезки, каждый из которых, являясь границей между соответствующим ему каналом поворотного лопаточного диффузора и продолжающим его каналом спрямляющего аппарата, перпендикулярен плоскости, в которой расположены средние продольные линии указанных каналов, коренным образом изменяет форму объединенного канала в граничной области при переходе от лопаточного диффузора к спрямляющему аппарату, а также характер течения рабочего потока в этой области и за ней.
Для ступени центробежного компрессора, принятой за прототип, характерно наличие отрывных зон в каналах спрямляющего аппарата. Их образование связано с тем, что граница на корпусной стенке между любым каналом поворотного лопаточного диффузора и продолжающим его каналом спрямляющего аппарата является частью окружности, которая представляет собой проходящую по всему контуру корпусной стенки граничную линию между поворотным лопаточным диффузором и спрямляющим аппаратом, и две соседние лопатки в канале поворотного лопаточного диффузора задают рабочему потоку движение относительно этой границы в радиально-окружном направлении с существенно выраженной окружной составляющей скорости, направленной тангенциально к границе. Отрывная зона возникает в канале спрямляющего аппарата у той лопатки, которая находится по ходу движения потока в противоположной направлению тангенциальной составляющей скорости стороне.
В предлагаемой же ступени центробежного компрессора, где граница между каналом поворотного лопаточного диффузора и каналом спрямляющего аппарата выполнена в виде отрезка прямой, перпендикулярного плоскости, в которой расположены средние продольные линии указанных каналов, движение потока в канале поворотного лопаточного диффузора характеризуется отсутствием тангенциальной составляющей скорости, т.е. вектор скорости движения потока воздуха направлен по нормали к границе. Благодаря отсутствию тангенциальной составляющей скорости поток, минуя границу, продолжает свое движение без образования отрывной зоны. Таким образом, исключаются гидравлические потери, связанные с образованием отрывных зон в спрямляющем аппарате.
Сущность предложения поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1. Ступень центробежного компрессора газотурбинного двигателя, продольный разрез;
Фиг.2. Ступень центробежного компрессора без передней корпусной стенки, вид по стрелке А на фиг.1;
Фиг.3. Поворотный лопаточный диффузор и спрямляющий аппарат в сборе, общий вид в аксонометрии по стрелке Б на фиг.1;
Фиг.4. Поворотный лопаточный диффузор и спрямляющий аппарат в сборе, общий вид в аксонометрии по стрелке В на фиг.1.
Ступень центробежного компрессора содержит рабочее колесо 1, переднюю 2 и заднюю 3 корпусные стенки. Корпусные стенки 2 и 3 формируют по ходу движения рабочего потока за рабочим колесом 1 безлопаточный диффузор 4, поворотный лопаточный диффузор 5 и спрямляющий аппарат 6.
Проточная часть ступени ограничена передней корпусной стенкой 2, ступицей рабочего колеса 1 и задней корпусной стенкой 3. В области рабочего колеса 1 проточная часть разделена на каналы лопатками 7, в области поворотного лопаточного диффузора 5 - лопатками 8, а в области спрямляющего аппарата 6 - лопатками 9.
Каждая лопатка 8 поворотного лопаточного диффузора 5 выполнена за одно целое с лопаткой 9 спрямляющего аппарата 6 так, что лопатка 9 является продолжением лопатки 8, при этом совокупность средних линий профилей таких объединенных лопаток расположена в одной плоскости. Объединенные лопатки, состоящие из лопатки 8 и лопатки 9, закреплены в передней 2 и задней 3 корпусных стенках и имеют для уменьшения массы в периферийной части, выступающей за заднюю корпусную стенку 3, выемки 10.
Корпусные стенки 2 и 3 имеют сложную форму, содержащую как минимум три части: дисковую часть, расположенную в радиальной относительно оси компрессора плоскости, ступенчатую часть, включающую плоские прямоугольные участки 11, каждый из которых представляет собой ориентированную параллельно оси компрессора стенку одного из каналов спрямляющего аппарата 6, а также поворотную часть, соединяющую две первые части.
Линия перехода поворотной части корпусной стенки в ступенчатую часть представляет собой ломаную граничную линию и является линией, определяющей раздел между поворотным лопаточным диффузором 5 и спрямляющим аппаратом 6. Эта граничная линия включает в свой состав прямые отрезки 12. Каждый из отрезков 12, лежащий в одном из плоских участков 11, является границей между одним из каналов поворотного лопаточного диффузора 5 и продолжающим его каналом спрямляющего аппарата 6. Отрезок 12 перпендикулярен плоскости 13, в которой расположены средняя продольная линия 14 канала поворотного лопаточного диффузора 5 и средняя продольная линия 15 канала спрямляющего аппарата 6.
Устройство работает следующим образом.
Рабочий поток воздуха, поступающий в ступень центробежного компрессора, в рабочем колесе 1 подвергается сжатию и закручиванию, при этом увеличивается скорость движения потока. В безлопаточном диффузоре 4, установленном за рабочим колесом 1, происходит снижение скорости потока. Далее воздушный поток поступает в поворотный лопаточный диффузор 5. Здесь перемещение потока по расширяющимся каналам, образованным лопатками 8, сопровождается преобразованием его кинетической энергии в потенциальную энергию. Направление движения потока под влиянием корпусных стенок 2 и 3 в поворотном лопаточном диффузоре 5 изменяется от располагаемого в радиальной плоскости до параллельного оси компрессора. На границе между поворотным лопаточным диффузором 5 и спрямляющим аппаратом 6, где прекращается расширение межлопаточных каналов, рабочий поток начинает движение вдоль оси компрессора. В спрямляющем аппарате 6 поток перемещается параллельно оси компрессора между лопатками 9 и выходит в камеру сгорания. Течение потока в каналах спрямляющего аппарата 6 характеризуется равномерной устойчивой структурой, без образования зон отрыва и вихревого движения, что в итоге обеспечивает снижение гидравлических потерь в проточной части ступени центробежного компрессора на участке, ограниченном с одной стороны входом поворотного лопаточного диффузора, а с другой - выходом спрямляющего аппарата, и, следовательно, повышение КПД ступени.