Лопатка направляющего аппарата осевого компрессора

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована в осевых компрессорах газотурбинных двигателей. Лопатка направляющего аппарата осевого компрессора, содержащая перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выполненной в виде цилиндрической поверхности по высоте лопатки, выходной кромкой пера, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления. Сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости, а перо лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля к расчетным профилям так, что хорда поперечного сечения пера, соединяющая оси поверхностей входной и выходной кромок, увеличивается по высоте пера от сечения, расположенного в середине высоты пера, к торцевым поверхностям пера. Базовый профиль пера расположен в середине высоты пера, а окружная координата средней линии поперечного сечения пера расчетных профилей определяется следующим соотношением: Y(x_o, z_o)=[X ₂-X₁][f₁(x_o)-f₂ (z_o, z_o)], что позволяет минимизировать потери из-за уменьшения размеров отрывных зон на втулке и периферии направляющего аппарата и тем самым повысить кпд компрессора на рабочих режимах и увеличить запас устойчивой работы.

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована в осевых компрессорах газотурбинных двигателей.

Известна статорная лопатка, перо которой для повышения изгибной жесткости выполняется изогнутым по форме, аналогичной форме колебаний, преобладающих при работе осевого компрессора (патент США 3745629). Такое выполнение повышает собственные частоты колебания лопаток, снижает переменные напряжения при работе и приводит к значительному увеличению срока службы лопатки.

Однако такое выполнение лопатки практически не влияет на снижение аэродинамических потерь в направляющем аппарате осевого компрессора и не позволяет повысить его кпд.

Известна лопатка направляющего аппарата осевого компрессора, содержащая перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выходной кромкой пера, выполненных в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты (патент РФ 2341660). Известная лопатка выполнена с двойным изгибом тангенциальной составляющей в средней части пера лопатки, что позволяет уменьшить сопротивление лопатки продольному изгибу и ограничить износ внешнего обода лопатки.

При этом известная лопатка выполнена со стандартным профилем поперечного сечения пера, поэтому применение этой лопатки в осевых компрессорах со значительной радиальной неравномерностью газового потока приведет к образованию отрывного течения в пристеночных областях средней части боковой поверхности пера лопатки, снижению кпд компрессора и уменьшения запасов устойчивости.

Наиболее близким аналогом полезной модели является лопатка направляющего аппарата осевого компрессора, содержащая перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выполненной в виде цилиндрической поверхности по высоте лопатки, выходной кромкой пера, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости, а перо лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля к расчетным профилям так, что хорда поперечного сечения пера, соединяющая оси поверхностей входной и выходной кромок, увеличивается по высоте пера от сечения, расположенного в середине высоты пера, к торцевым поверхностям пера, (патент РФ 2219377).

В этой лопатке за счет изгиба стороны разряжения направляющих лопаток вдоль хвостовых кромок при значениях угла B=100-130° можно в какой-то степени уменьшить или исключить нежелательный срыв потока у торцевых стенок или обода диска. Соответственно вследствие этого может быть получено дополнительное повышение кпд компрессора и запасов газодинамической устойчивости.

Однако, при значительных углах поворота газового потока (до 50°) в высоконагруженных ступенях осевого компрессора срыв потока в районе торцевых поверхностей лопатки исключить не удается, т.к. при значительном изменении длины хорды (до 30%) в известной лопатке форма профиля поперечного сечения пера лопатки практически не является оптимальной с точки зрения обеспечения безотрывного течения потока газа.

Техническим результатом полезной модели является снижение потерь полного давления в направляющем аппарате с углом поворота потока газа ~50° путем уменьшения размеров отрывных зон на втулке и периферии, что позволяет повысить кпд компрессора в рабочей точке и увеличить запас газодинамической устойчивости.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в лопатке направляющего аппарата осевого компрессора, содержащей перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера, и образованным входной кромкой пера, выполненной в виде цилиндрической поверхности по высоте лопатки, выходной кромкой пера, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости, а перо лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля к расчетным профилям так, что хорда поперечного сечения пера, соединяющая оси поверхностей входной и выходной кромок, увеличивается по высоте пера от сечения, расположенного в середине высоты пера, к торцевым поверхностям пера, Согласно полезной модели базовый профиль пера расположен в середине высоты пера, а окружная координата средней линии поперечного сечения пера расчетных профилей определяется следующим соотношением:

Y(x_o, z_o)=[X₂-X ₁][f₁(x_o)-f₂(x_o , z_o)], где

Y(x_o, z _o) - окружная координата точки средней линии поперечного сечения расчетных профилей;

X₁ - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на входе лопатки;

X₂ - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на выходе лопатки;

f₁(x_o) - относительная окружная координата средней линии базового профиля пера;

f₂ (x_o, z_o) - относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера;

x_o - относительная осевая координата средней линии базового профиля, определяемая соотношением

x_o=(x-X ₁)/(X₂-X₁),где

x - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по длине лопатки;

z_o - относительная координата по высоте лопатки, определяемая соотношением z _o=2(z-Z₁)/(Z₂-Z₁), где

z - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по высоте лопатки;

Z₁ - координата втулочной торцевой поверхности пера лопатки;

Z₂ - координата периферийной торцевой поверхности пера лопатки,

при этом относительная окружная координата средней линии базового профиля пера определяется как

при заданных значениях угла касательной к средней линии на входной кромке в пределах 12°, а на выходной кромке в пределах 34°, а относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера определяется как

, где

C_o - константа первого множителя выбирается в пределах 0,15÷1,5;

C₁ - константа первого слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;

C₂ - константа второго слагаемого выбирается в пределах 0,50÷1,0;

C₃ - константа третьего слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;

m - показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 1,0÷2,5;

n - поправочный показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 2,5÷4,0.

Технический результат полезной модели достигается за счет того, что базовый профиль поперечного сечения пера лопатки, форма которого определяется заданными значениями угла касательной к средней линии на входной и выходной кромках пера и обеспечивает безотрывное течение потока газа в этом сечении, расположен в середине высоты пера и соответствует минимальному значению длины хорды поперечного сечения пера, соединяющей оси поверхностей входной и выходной кромок. Форма расчетного профиля в любом другом поперечном сечении пера лопатки определяется согласно полезной модели и также является оптимальной по аэродинамическим характеристикам, что обеспечивает безотрывное течение потока газа по всей высоте лопатки и позволяет повысить кпд компрессора в рабочей точке и увеличить запас газодинамической устойчивости.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где

на фиг. 1 представлен вид пера лопатки со стороны боковой аэродинамической поверхности давления;

на фиг. 2 представлен вид пера лопатки со стороны торцевой поверхности;

на фиг. 3 представлены поперечные сечения пера лопатки с базовым профилем, расположенным в середине высоты пера, и расчетным профилем, расположенном в периферийном сечении пера;

на фиг. 4 представлено изображение линий постоянного уровня числа Маха на стороне разрежения для профиля известной лопатки;

на фиг. 5 представлена изображение линий постоянного уровня числа Маха на стороне разрежения для расчетного профиля описываемой лопатки;

на фиг. 6 представлено изображение линий постоянного уровня числа Маха в плоской решетке на поверхности вращения для профиля известной лопатки;

на фиг. 7 представлено изображение линий постоянного уровня числа Маха в плоской решетке на поверхности вращения для расчетного профиля описываемой лопатки;

на фиг. 8 показан график распределения по оси компрессора конструктивного угла средней линии базового профиля (z_o=1) и двух расчетных профилей на торцевых поверхностях пера (на втулочном z_o=0 и периферийном z_o=2 радиусах);

на фиг. 9 показан график координат средних линий базового профиля и периферийных расчетных профилей.

Лопатка направляющего аппарата осевого компрессора содержит перо 1 с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии 2 поперечного сечения пера. Поверхность пера 1 образована входной кромкой 3, выполненной в виде цилиндрической поверхности 4 по высоте лопатки, выходной кромкой 5, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей 6, боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения 7 и давления 8, сопряженными с поверхностями кромок 3 и 5, и торцевыми поверхностями: втулочной 9 и периферийной 10.

Оси тороидальных поверхностей 6 выходной кромки 5 сопряжены между собой осевой линией 11, изогнутой в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости лопатки. Перо 1 лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля 12, расположенного в середине высоты пера 1 к расчетным профилям 13 так, что хорда 14 поперечного сечения пера 1, соединяющая ось 15 цилиндрической поверхности 4 входной кромки 3 и осевую линию 11 выходной кромки 5, увеличивается по высоте пера 1 от базового профиля 12 к торцевым поверхностям 9 и 10.

Каждое поперечное сечение пера 1 лопатки вдоль линии потока газа представляет собой профиль с определенной средней линией 2 и симметричным расположением боковых образующих по нормали к ней. Окружная координата средней линии поперечного сечения пера расчетных профилей определяется следующим соотношением:

Y(z_o, z_o)=[X₂-X₁][f ₁(x_o)-f₂(x_o, z_o )], где

Y(x_o, z_o) - окружная координата точки средней линии поперечного сечения расчетных профилей;

X₁ - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на входе лопатки;

X₂ - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на выходе лопатки;

f₁(x _o) - относительная окружная координата средней линии базового профиля пера;

f₂(x_o, z _o) - относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера;

x_o - относительная осевая координата средней линии базового профиля, определяемая соотношением

x_o=(x-X₁)/(X₂-X ₁),где

x - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по длине лопатки;

z_o - относительная координата по высоте лопатки, определяемая соотношением z_o=2(z-Z₁])/(Z₂ -Z₁), где

z - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по высоте лопатки;

Z₁ - координата втулочной торцевой поверхности пера лопатки;

Z₂ - координата периферийной торцевой поверхности пера лопатки,

при этом относительная окружная координата средней линии базового профиля пера определяется как

при заданных значениях угла касательной к средней линии на входной кромке в пределах 12°, а на выходной кромке в пределах 34°, а относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера определяется как

, где

C_o - константа первого множителя выбирается в пределах 0,15÷1,5;

C₁ - константа первого слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;

C₂ - константа второго слагаемого выбирается в пределах 0,50÷1,0;

C₃ - константа третьего слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;

m - показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 1,0÷2,5;

n - поправочный показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 2,5÷4,0.

При проектировании известных лопаток направляющего аппарата компрессора используют, как правило, стандартные формы профиля, полученные на основе результатов продувок плоских решеток в аэродинамической трубе. После этого, в соответствии с направлением вектора скорости набегающего потока, эти профили нанизываются на радиально расположенную ось, и таким образом формируют пространственную форму лопатки.

В современных компрессорах, особенно в последних ступенях, где поток газа обладает значительной радиальной неравномерностью, использование стандартных профилей, полученных из продувок плоских решеток в условиях равномерного набегающего потока, приводит как правило к отрыву потока в районе втулки и периферии направляющего аппарата, что является одной из основных причин снижения кпд компрессора и уменьшения запасов устойчивости.

Лопатка направляющего аппарата согласно полезной модели проектируется путем расчета средних линий 2 профиля пера 1 в любом его поперечном сечении так, что профиль в каждом сечении имеет форму, оптимальную по аэродинамическим характеристикам.

При проектировании лопатки на основе исходных данных и заданных значениях углов ₁ и ₂ определяется относительная координата f ₁(x_o) средней линии базового профиля 12, расположенного в середине высоты пера 1. Исходя из полученных параметров средней линии 2 базового профиля 12 подбирается форма боковых образующих базового профиля 12. После определения формы базового профиля 12 на основе приведенных выше соотношений проводится расчет относительной координаты f₂(x_o, x_o), а затем окружной координаты Y(x_o, z_o) средней линии 2 расчетного профиля 13 для любого поперечного сечения пера лопатки.

Производная d(f₂)/dx_o на входе и выходе профилей равна нулю по всей высоте лопатки, поэтому изменение профиля лопатки происходит при сохранении постоянными значений входных и выходных углов ₁ и ₂. Коэффициенты c₁, C₂ , C₃, определяют форму задней кромки вдоль высоты при заданной константой C_o средней кривизне линии.

Лопатка направляющего аппарата, согласно полезной модели имеет такую пространственную форму, что длина хорды расчетных профилей плоских решеток вблизи втулки или периферии больше хорды базового профиля. Поскольку в проекции на меридиональную плоскость передняя и задняя кромки - прямые линии, то такое увеличение хорды профилей по втулке и периферии приводит к увеличению густоты плоской решетки и уменьшает склонность потока к отрыву в этих областях.

Кроме этого, вблизи торцевых поверхностей профиль лопатки имеет форму средней линии, которая препятствует преждевременному отрыву потока благодаря меньшей кривизне в области между входной и выходной кромками.

Направленная в радиальном направлении от втулки к периферии ось лопатки изогнута таким образом, что в месте пересечения стороны разрежения (спинки) лопатки с торцевыми поверхностями образуется тупой угол. Это облегчает перетекание пограничного слоя в поперечном направлении на торцевых поверхностях со стороны давления на сторону разрежения и также способствует уменьшению размеров отрывной зоны.

Важной особенностью лопатки направляющего аппарата является возможность изменять или сохранять постоянными углы средней линии профиля в окрестности передней и задней кромок. На этапе проектирования компрессора эти углы, как правило, определяются с помощью одномерных и осесимметричных методов расчета. Предложенная в полезной модели формула для формы профиля позволяет оперативно корректировать эти углы для улучшения характеристик компрессора с использованием трехмерных методов расчета.

На фиг. 4, 5, 6 и 7 представлены изолинии чисел Маха, указывающие на преимущество организации течения в направляющем аппарате с лопаткой, выполненной согласно полезной модели, по сравнению с известной лопаткой.

Из приведенных данных видно, что у направляющего аппарата с известными профилями наблюдается развитый отрыв на периферии, а у аппарата с лопаткой согласно полезной модели - отрывная зона незначительна. Такую картину течения можно наблюдать и в плоской решетке на поверхности вращения вблизи периферии (фиг. 6 и 7). У известного направляющего аппарата наблюдается отрыв потока с передней кромки, а с описанной лопаткой - отрыв незначительный.

Использование лопатки в спрямляющем аппарате компрессора позволяет повернуть поток газа на угол ~50° с минимальными потерями из-за уменьшения размеров отрывных зон на втулке и периферии, что позволяет повысить кпд компрессора на рабочих режимах. По этой же причине при высоких величинах приведенных оборотов, когда устойчивость определяется, как правило, возникновением отрывных зон в выходном направляющем аппарате, использование такой лопатки позволяет увеличить запасы газодинамической устойчивости.

Лопатка направляющего аппарата осевого компрессора, содержащая перо с профилем поперечного сечения, выполненным симметричным относительно средней линии поперечного сечения пера и образованным входной кромкой пера, выполненной в виде цилиндрической поверхности по высоте лопатки, выходной кромкой пера, выполненной в виде сопряженных между собой тороидальных поверхностей, и сопряженными с поверхностями кромок боковыми аэродинамическими поверхностями разряжения и давления, причем сопряженные между собой оси тороидальных поверхностей изогнуты в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости, а перо лопатки выполнено с переменным профилем поперечного сечения от базового профиля к расчетным профилям так, что хорда поперечного сечения пера, соединяющая оси поверхностей входной и выходной кромок, увеличивается по высоте пера от сечения, расположенного в середине высоты пера, к торцевым поверхностям пера, отличающаяся тем, что базовый профиль пера расположен в середине высоты пера, а окружная координата средней линии поперечного сечения пера расчетных профилей определяется следующим соотношением:

Y(x₀,z₀) = [Х₂-X_i ] [f₁(x₀)-f₂(x₀,z ₀)],

где Y(x₀,z₀) - окружная координата точки средней линии поперечного сечения расчетных профилей;

X₁ - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на входе лопатки;

Х₂ - осевая координата точки средней линии базового профиля пера на выходе лопатки;

f₁(x₀) - относительная окружная координата средней линии базового профиля пера;

f₂(x₀,z₀) - относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера;

х ₀ - относительная осевая координата средней линии базового профиля, определяемая соотношением

x₀ = (х-Х ₁)/(Х₂-Х₁),

где x - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по длине лопатки;

z₀ - относительная координата по высоте лопатки, определяемая соотношением z₀ = 2(z - Z ₁)/(Z₂-Z₁), где

z - текущая координата точки средней линии поперечного сечения пера по высоте лопатки;

Z ₁ - координата втулочной торцевой поверхности пера лопатки;

Z ₂ - координата периферийной торцевой поверхности пера лопатки,

при этом относительная окружная координата средней линии базового профиля пера определяется как

f₁(x₀)=(0,24÷0,26)-(1,0÷1,45)х ₀+(1,2÷1,4)х₀²-(0,4÷0,48)х₀³ при заданных значениях угла касательной к средней линии на входной кромке в пределах 12°, а на выходной кромке в пределах 34°, а относительная окружная координата средней линии расчетного профиля пера определяется как

f₂(x₀,z₀)=C₀(x ₀^m/m-x₀ⁿ/n)[C₁(z₀-1)+C₂ (z₀-1)²+C₃(z₀-l) ³],

где C₀ - константа первого множителя выбирается в пределах 0,15÷1,5;

С₁ - константа первого слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;

С₂ - константа второго слагаемого выбирается в пределах

0,50÷1,0;

C₃ - константа третьего слагаемого выбирается в пределах от (-0,50) до 0,50;

m - показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 1,0÷2,5;

n - поправочный показатель степени распределения кривизны средней линии выбирается в пределах 2,5÷4,0.