надроторное устройство компрессора и осевой компрессор

Формула изобретения

1. Надроторное устройство компрессора, содержащее ребра, расположенные в дополнительной кольцеобразной полости в корпусе компрессора, расположенной над лопаткой рабочего колеса ступени компрессора и сообщающейся с проточной частью компрессора под углом к продольной оси компрессора, отличающееся тем, что ребра расположены под одним углом к поверхности, обращенной в сторону проточной части, в дополнительной кольцеобразной полости компрессора, соединены с ней в единое целое и имеют клинообразное заострение на конце, направленное в сторону торца лопатки рабочего колеса ступени компрессора, причем конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра корпуса компрессора, при этом осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора составляет 0,5-0,8 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса на эту ось, радиальный размер дополнительной кольцеобразной полости составляет 0,1-0,2 высоты лопатки рабочего колеса, при этом радиальная поверхность этой дополнительной кольцеобразной полости, расположенная первой по потоку в компрессоре, удалена от передней кромки лопатки рабочего колеса на расстояние менее 0,1 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса, а количество ребер выбирают от 4 до 8.

2. Надроторное устройство по п.1, отличающееся тем, что ребра расположены перпендикулярно поверхности дополнительной кольцеобразной полости в корпусе компрессора, обращенной в сторону проточной части компрессора.

3. Надроторное устройство по п.1, отличающееся тем, что ребра до клинообразного заострения имеют в сечении по продольной оси компрессора прямоугольный профиль.

4. Надроторное устройство по п.1, отличающееся тем, что радиальные поверхности дополнительной кольцеобразной полости повторяют радиальные поверхности соседних с ними ребер.

5. Надроторное устройство по п.1, отличающееся тем, что ребра выполнены так, что высота клинообразного заострения составляет 0,1-0,3 высоты ребра.

6. Надроторное устройство по п.1 отличающееся тем, что расстояние между концами острия клинообразных заострений ребер выбрано в соответствии с соотношением

C/(N+1),

где С - максимальная осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора;

N - число ребер.

7. Надроторное устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина ребра вдоль продольной оси компрессора составляет от 0,3 до 0,5 расстояния между концами острия клинообразных заострений соседних ребер.

8. Осевой компрессор для газотурбинных двигателей и установок, содержащий корпус с размещенной в нем, по меньшей мере, одной ступенью компрессора, содержащей рабочее колесо с лопатками, и расположенное над лопатками рабочего колеса надроторное устройство, содержащее кольцевые полости в корпусе компрессора, сообщающейся с проточной частью компрессора, и под углом к продольной оси компрессора, отличающийся тем, что имеет, по меньшей мере, одно надроторное устройство, содержащее ребра, которые расположены перпендикулярно поверхности, обращенной в сторону проточной части, в дополнительной кольцеобразной полости компрессора, соединены с ней в единое целое и имеют клинообразное заострение на конце, направленное в сторону торца лопатки рабочего колеса ступени компрессора, причем конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра корпуса компрессора, при этом осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора составляет 0,5-0,8 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса на эту ось, радиальный размер дополнительной кольцеобразной полости составляет 0,1-0,2 высоты лопатки рабочего колеса, при этом радиальная поверхность этой дополнительной кольцеобразной полости, расположенная первой по потоку в компрессоре, удалена от передней кромки лопатки рабочего колеса на расстояние менее 0,1 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса, а количество ребер выбирают от 4 до 8.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к осевым компрессорам для газотурбинных двигателей и установок.

Изобретение может быть применено в различных отраслях промышленности, в частности для компрессоров авиационных, транспортных (для железнодорожного и иного движущегося транспорта), а также для компрессоров стационарных, например газотурбинных установок.

Изобретение может быть использовано, в том числе, в осевых компрессорах для авиационных двигателей, для наземных транспортных средств и в стационарных газотурбинных установках.

Известно устройство для защиты осевого вентилятора от срыва потока, содержащее выполненную в корпусе над рабочим колесом противосрывную полость и расположенные в ней со стороны проточной части вентилятора направляющие пластины. Противосрывная полость выполнена в виде отдельных камер, равномерно расположенных по окружности корпуса и закрепленных на последнем (авт. св. СССР №11229420, F 04 D 27/02, опубл.1984 г.).

Известны надроторные устройства (НРУ) с рециркулирующим потоком текучей среды в ступенях осевых турбомашин, преимущественно для энергоустановок и газоперекачивающих станций.

Известен турбокомпрессор, в корпусе которого над торцами лопаток рабочих колес выполнено НРУ, состоящее из кольцевой полости и кольцевой решетки, образованной прямолинейными ребрами и щелями между ними, через решетку полость сообщается с проточной частью компрессора, (патент РФ №2162164, F 04 D 27/01, опубл.1999 г.). Кольцевая полость может быть выполнена переменной по высоте и снабжена дополнительными пластинами, установленными за решеткой.

Известен турбокомпрессор, в корпусе которого над торцами лопаток рабочих колес выполнено НРУ, состоящее из кольцевой полости и кольцевой решетки, образованное криволинейными ребрами и щелями между ними, через решетку полость сообщается с проточной частью компрессора. Ребра могут быть выполнены в виде аэродинамических профилей (патент РФ №2162165, F 04 D 27/02, опубл.2001 г.).

Известен турбокомпрессор, в котором над рабочими кромками лопаток рабочего колеса выполнено НРУ, содержащее ребра, расположенные в дополнительной замкнутой кольцевой полости в корпусе компрессора, сообщающейся с проточной частью компрессора, над лопатками рабочего колеса и под углом к продольной оси компрессора. При образовании перепада давления между участками над входными кромками лопаток рабочего колеса и перед ними поток из области над колесом через прорези между ребрами устремляется в кольцевую полость, а оттуда в проточную часть компрессора уже перед колесом (патент РФ №2034175, F 04 D 27/02, опубл.1995 г.).

Задачей изобретения является создание надроторного устройства (НРУ) для компрессоров, преимущественно нового поколения, через которые проходит поток газов, в том числе воздуха (далее - поток), позволяющего расширить диапазон бессрывной работы компрессора.

Техническим результатом является расширение диапазона бессрывных режимов работы компрессора.

Проблема обеспечения запасов газодинамической устойчивости компрессоров связана, в частности, с развитием компрессоростроения, идущим к минимизации числа ступеней, например, в осевых компрессорах, что, в свою очередь, ведет к повышению аэродинамической нагруженности лопаток рабочих колес ступеней компрессоров, конструктивным и технологическим изменениям компрессоров и возникновению новых требований для расширения диапазона бессрывной работы. Одним из эффективных средств расширения диапазона бессрывных режимов является применение надроторных устройств (НРУ).

Указанная задача решается тем, что НРУ компрессора, содержащее ребра, расположенные в дополнительной кольцеобразной полости в корпусе компрессора, расположенной над лопаткой рабочего колеса ступени компрессора и сообщающейся с проточной частью компрессора, под углом к продольной оси компрессора имеет ребра, которые расположены под одним углом к поверхности, обращенной в сторону проточной части, в дополнительной кольцеобразной полости компрессора, соединены с ней в единое целое и имеют клинообразное заострение на конце, направленное в сторону торца лопатки рабочего колеса ступени компрессора, причем конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра корпуса компрессора, при этом осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора составляет 0,5-0,8 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса на эту ось, радиальный размер дополнительной кольцеобразной полости составляет 0,1-0,2 высоты лопатки рабочего колеса, при этом радиальная поверхность этой дополнительной кольцеобразной полости, расположенная первой по потоку в компрессоре, удалена от передней кромки лопатки рабочего колеса на расстояние менее 0,1 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса, а количество ребер выбирают от 4 до 8.

Целесообразно, чтобы ребра были бы расположены перпендикулярно к поверхности дополнительной кольцеобразной полости в корпусе компрессора, обращенной в сторону проточной части компрессора.

Ребра до клинообразного заострения могут иметь в сечении по продольной оси компрессора прямоугольный профиль.

Целесообразно, чтобы радиальные поверхности дополнительной кольцеобразной полости повторяли бы радиальные поверхности соседних с ними ребер.

Целесообразно также, чтобы ребра были бы выполнены так, что высота клинообразного заострения составляла бы 0,1-0,3 высоты ребра.

Целесообразно, чтобы расстояние между концами острия клинообразных заострений ребер было бы выбрано в соответствии с соотношением C/(N+1), где:

С - максимальная осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора,

N - число ребер.

Целесообразно также, чтобы толщина ребра вдоль продольной оси компрессора составляла бы от 0,3 до 0,5 расстояния между концами острия клинообразных заострений соседних ребер.

Указанная задача решается также тем, что осевой компрессор для газотурбинных двигателей и установок, содержащий корпус с размещенной в нем, по меньшей мере, одной ступенью компрессора, содержащей рабочее колесо с лопатками и, расположенное над лопатками рабочего колеса, надроторное устройство, содержащее кольцевые полости в корпусе компрессора, сообщающейся с проточной частью компрессора, и под углом к продольной оси компрессора, имеет, по меньшей мере, одно надроторное устройство, содержащее ребра, которые расположены перпендикулярно к поверхности, обращенной в строну проточной части, в дополнительной кольцеобразной полости компрессора, соединены с ней в единое целое и имеют клинообразное заострение на конце, направленное в сторону торца лопатки рабочего колеса ступени компрессора, причем конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра корпуса компрессора, при этом осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора составляет 0,5-0,8 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса на эту ось, радиальный размер дополнительной кольцеобразной полости составляет 0,1-0,2 высоты лопатки рабочего колеса, при этом радиальная поверхность этой дополнительной кольцеобразной полости, расположенная первой по потоку в компрессоре, удалена от передней кромки лопатки рабочего колеса на расстояние менее 0,1 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса, а количество ребер выбирают от 4 до 8.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами, на которых:

на фиг.1 изображена схема надроторного устройство компрессора согласно изобретению в продольном разрезе.

на фиг.2 - схема осевого компрессора с надроторными устройствами согласно изобретению в продольном разрезе.

на фиг.3 - графики зависимости степени повышения полного давления в ступени компрессора от приведенного расхода воздуха, иллюстрирующие расширение диапазона бессрывных режимов работы компрессора с надроторным устройством согласно изобретению.

Надроторное устройство компрессора (фиг.1) содержит ребра 1, расположенные в дополнительной кольцеобразной полости 2 в корпусе 3 компрессора, расположенной над лопаткой 4 рабочего колеса ступени компрессора и сообщающейся с проточной частью компрессора, на вход которой поступает поток V. Ребра 1 расположены под углом к продольной оси компрессора (на фиг.1-3 не показана). Целесообразно, чтобы ребра 1 были расположены перпендикулярно поверхности 5, обращенной в сторону проточной части, дополнительной кольцеобразной полости 2 компрессора. Все ребра 1 надроторного устройства согласно изобретению расположены в дополнительной кольцеобразной полости 2 под одним углом к поверхности 5, при этом они соединены с этой поверхностью так, что образуют с ней единое целое. Ребра 1 имеют клинообразное заострение 6, направленное в сторону торца лопатки 4 рабочего колеса, причем конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра (внутренней поверхности) корпуса компрессора. Целесообразно, чтобы высота h этого клинообразного заострения 6 составляла от 0,1 до 0,3 высоты h1 ребра 1. Кроме того, целесообразно, чтобы расстояние Т между концами острия клинообразных заострений 6 ребер 1 было выбрано в соответствии с соотношением С/(N+1), где:

С - максимальная осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора,

N - число ребер.

Толщина ребра 1 вдоль продольной оси компрессора может доставлять от 0,3 до 0,5 расстояния между концами острия клинообразных заострений соседних ребер. Ребра 1 до клинообразного заострения имеют в меридиональном сечении по продольной оси компрессора прямоугольный профиль. Все ребра идентичны. Однако возможно и другое их выполнение, например, профиля переменного сечения.

Количество ребер 1 согласно изобретению выбирают от 4 до 8.

Дополнительная кольцеобразная полость 2 сообщается с проточной частью компрессора согласно изобретению через кольцевые проточки 7, которые расположены между ребрами 1. Максимальная осевая протяженность этих кольцевых проточек вдоль продольной оси компрессора, которая в то же время совладеет с максимальной осевой протяженностью дополнительной кольцеобразной полости 2, составляет от 0,5 до 0,8 величины А проекции хорды лопатки 4 рабочего колеса на эту ось, а ее радиальный размер составляет от 0,1 до 0,2 высоты Н лопатки 4 рабочего колеса.

Радиальные поверхности первой и последней, относительно патока V, проточек, которые в то же время являются радиальными поверхностями дополнительной кольцеобразной полости 2, повторяют соответствующие радиальные поверхности соседних с ними ребер 1.

Выбор параметров в указанных пределах согласно изобретению производится для компрессоров с учетом их технологических и конструктивных особенностей.

Современные осевые компрессоры для газотурбинных двигателей и установок обычно имеют число ступеней компрессора больше одной.

На фиг.2 показан разрез осевого компрессора, который содержит две ступени и соответственно два рабочих колеса с лопатками 4, над каждым из которых расположено надроторное устройство. По меньшей мере одно надроторное устройство 8 выполнено согласно изобретению как описано выше. Однако компрессор может содержать и другое надроторное устройство 9, содержащее ребра, расположенные в дополнительной замкнутой кольцеобразной полости в корпусе компрессора, сообщающейся с проточной частью компрессора, например в ее поперечном сечении под углом к продольной оси компрессора, отличным от 90°, как это изложено, например, в патенте РФ №2034175, F 04 D 27/02, опубл. 1995 г., принятым за прототип.

Выбор надроторных устройств для осевых компрессоров производится с учетом их технологических и конструктивных особенностей.

Работа надроторного устройства заключается в следующем.

В кольцевых проточках 7 над вращающимися лопатками 4 возникает кольцевое движение воздуха в направлении вращения рабочего колеса. На это движение вдоль кольцевых проточек 7 практически всегда накладывается вихревое движение.

Направление вращения вихря внутри кольцевых проточек 7 (при взгляде по вращению рабочего колеса):

- вперед (против направления потока V в проточной части компрессора) и вверх (по радиусу) при положительном перепаде давлений между поверхностью сжатия и поверхностью разрежения профиля рабочего колеса;

- назад (по направлению потока V) и вверх при отрицательном перепаде давлений между поверхностью сжатия и поверхностью разрежения профиля рабочего колеса.

Кольцевое движение воздуха и вихрь в кольцевых проточках 7 при положительном перепаде давления между поверхностью сжатия и поверхностью разряжения профиля рабочего колеса препятствует перетеканию потока на его торце лопатки 4, что приводит к улучшению работы периферийных сечений лопатки рабочего колеса. И скорость движения газа по кольцу в кольцевых проточках 7 и скорость вихревого движения определяются углами атаки на профиле лопатки 4 рабочего колеса вблизи периферии. При увеличении угла атаки увеличивается перепад давлений на профиле и соответственно вызывает большую скорость движения газа в кольцевых проточках 7 и большую скорость вращения вихря. Увеличение кольцевой скорости движения и вращения воздуха в кольцевых проточках 7 в этом случае вызывает большее препятствие перетеканию потока на торце лопатки. Происходит авторегулирование течения вблизи периферийных сечений лопатки 4 рабочего колеса.

Улучшение работы периферийных сечений лопатки 4 рабочего колеса обеспечивается также за счет размывания в окружном направлении зарождающихся очагов срыва и ослабления ударного поворота на передней кромке лопатки рабочего колеса.

Таким образом, при наличии кольцевых проточек 7 происходит улучшение работы периферийных сечений лопаток 4 рабочего колеса при увеличении углов атаки по сравнению с их работой при гладком корпусе без надроторного устройства и соответственно расширяется диапазон бессрывной работы ступени компрессора

На фиг.3 представлены характеристики ступени компрессора с надроторным устройством согласно изобретению, изображенные сплошными линиями, и характеристики ступени того же компрессора без надроторного устройства, изображенные пунктирными линиями; в виде зависимости степени повышения полного давления - ^* _ст, (отношения величины полного давления за ступенью к величине полного давления перед ступенью) и коэффициента полезного действия ступени (КПД) - ^* _ад от приведенного к стандартным условиям расхода воздуха G_пр при двух частотах вращения рабочего колеса Из приведенных данных видно, что постановка надроторного устройства привела к смещению границы бессрывой работы ступени компрессора на меньшие значения расхода воздуха, т.е. привела к расширению диапазона бессрывной работы ступени компрессора, увеличению запасов устойчивой работы. Увеличение запасов устойчивой работы ступени, вычисленное по формуле G=(1-G_minHPY/G_min0)-100%, составило более 9% на и более 4% на (Здесь G_minHPY - минимальный расход воздуха в испытаниях с НРУ; G_min0 - минимальный расход воздуха в испытаниях без НРУ). Одновременно с этим увеличилась величина максимального КПД ступени - ^* _ад. Увеличение составило ^* _ад=0,8% на приведенной частоте вращения

Таким образом, надроторное устройство согласно изобретению расширяет диапазон бессрывной работы компрессора, увеличивает запас устойчивой работы и увеличивает величину максимального КПД ступени компрессора.