Турбокомпрессорная лопатка

Полезная модель «Турбокомпрессорная лопатка» относится к области двигателестроения и энергетики, преимущественно к конструкциям лопаток осевых компрессоров, турбин и может быть использована в насосных перекачивающих системах.

Целью полезной модели «Турбокомпрессорная лопатка» является повышение коэффициента полезного действия системы сжатия потока текучей среды, газа или жидкости и повышение эксплуатационной безопасности. Использование многоступенчатых осевых или радиальных турбин с применением лопаток является наиболее эффективным механизмом создания давления. Однако, присущий этому механизму конструктивный элемент в виде зазора между вращающейся лопаткой и неподвижным корпусом конструкции в то же время является главным недостатком, снижающим КПД всей установки на 15-20%. Создаваемое лопатками давление (15-20 атм.) для целей установки стравливается обратным перетоком через указанный зазор, который по эксплуатационным соображениям достигает, как указано выше, 0,7-1,4 мм. Причем, при современных высокооборотных двигателях (10000-15000 об/мин.) попадание пыли или песчинок в зазор может привести к пожару из-за высокой температуры при трении.

Созданная полезная модель «Турбокомпрессорная лопатка» обеспечивает повышение КПД реактивного двигателя или тепловой энергоустановки на 17-20% за счет снижения обратного перетока в эксплуатационном зазоре между лопаткой и неподвижной частью двигателя. Кроме того, организованный в полезной модели «воздушный замок» для обратного перетока позволил увеличить безопасность конструкции за счет увеличения эксплуатационного зазора на 40-60% без снижения КПД двигателя.

Полезная модель «Турбокомпрессорная лопатка» относится к области двигателестроения, преимущественно к конструкциям лопаток осевых компрессоров, турбин и может быть использована в насосных перекачивающих системах (Фиг.1).

Известна рабочая лопатка осевого компрессора, имеющая уменьшающийся по высоте угол изгиба профиля в соответствии с условием постоянства теоретического напора (К.В.Холщевников. Теория и расчет авиационных лопаточных машин, М.: Машиностроение, 1970, с.190-204). Однако, такое выполнение характеризуется пониженной экономичностью из-за увеличенных скоростей в корневой части и наличием достаточно большого зазора между концевой кромкой (6) пера (1) рабочей лопатки и неподвижной частью двигателя.

Известна рабочая лопатка осевого компрессора по патенту RU 2150612 С1 от 28.01.1999, имеющая участок с постоянной хордой и уменьшающимся по высоте углом изгиба профиля, а также периферийную и корневую части, составляющие 10-15% от высоты последней, отличающаяся тем, что периферийная и корневая части лопатки выполнены с монотонно увеличивающейся к концам на 15-30% хордой профиля. Недостатком рассмотренной конструкции является не оптимальная густота решетки (отношения хорды к шагу между лопатками), например, в концевых сечениях. Вследствие этого, на основном участке лопатки в соответствии с постоянством теоретического напора густота решетки (т.е. хорда лопатки) меньше оптимальной, что приводит на этом участке к увеличенным профильным потерям.

Известна лопатка турбомашины по патенту SU 674487 А1, 20.02.95 Бюл. №5.

Известен компрессор, в котором над торцами пера рабочих лопаток на корпусе нанесено «мягкое» покрытие, допускающее касание лопаток о корпус и обеспечивающее, приемлемые с точки зрения КПД компрессора, радиальные зазоры между торцами лопаток и корпусом. Однако, в указанной конструкции не исключается неравномерное по периметру торца касание лопатки о корпус.

Известна также лопатка турбомашины, содержащая перо со срезанными на периферии кромками. Однако такая конструкция лопатки также не исключает касания кромок о корпус, поскольку не обеспечивает гарантированного зазора между кромками и корпусом. (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969, с.66, с.295).

Известен патент США 299700 по Кл. 60-35,5, в котором воздушный винт снабжен устройством с выдувом сжатого воздуха для воздушной завесы между периферийным концом лопасти и диффузором. Устройство повышает КПД винта, при этом кольцевой обод выполнен профилированным и снабжен лопатками, расположенными по его поверхности. Недостатком конструкции является отсутствие гарантированного зазора на нерасчетных режимах.

Известна лопасть винтовентиляторной установки по патенту SU 1818269 А1 от 29.10.1990, на поверхности которой с целью повышения КПД лопасти установлены риблеты (профилированные бороздки с глубиной и шагом, соизмеримым с толщиной пограничного слоя на лопасти, т.е. около 0,06-0,1 мм.) с направлением бороздок, совпадающим с линиями тока (обтекания) на лопасти при расчетных режимах. Данное техническое решение наиболее близко по технической сути к заявляемой полезной модели и принято нами за прототип. Недостатком данной конструкции является очень маленькое влияние на величину воздушного зазора между корпусом двигателя и периферийным участком лопатки (законцовки), так как искусственное перекрытие воздушного зазора

происходит в пределах толщины вязкого подслоя на поверхности лопасти, т.е. практически на величину 0,06 мм при реальном конструктивном зазоре 0,7-1,4 мм.

Целью полезной модели «Турбокомпрессорная лопатка» является повышение коэффициента полезного действия системы сжатия потока текучей среды, газа или жидкости и повышение эксплуатационной безопасности. Использование многоступенчатых осевых или радиальных турбин с применением лопаток является наиболее эффективным механизмом создания давления. Однако, присущий этому механизму конструктивный элемент в виде зазора между вращающейся лопаткой и неподвижным корпусом конструкции в то же время является главным недостатком, снижающим КПД всей установки на 15-20%. Создаваемое лопатками давление (15-20 атм.) для целей установки стравливается обратным перетоком через указанный зазор, который по эксплуатационным соображениям достигает, как указано выше, 0,7-1,4 мм. Причем, при современных высокооборотных двигателях (10000-15000 об/мин.) попадание пыли или песчинок в зазор может привести к пожару из-за высокой температуры при трении. Учитывая, что количество выпускаемых лопаток (компрессионных и турбинных) для современных двигателей достигает около 10 млн. штук в год, понятна важность проблемы увеличения конструктивного зазора для безопасности, например, полетов.

Полезная модель «Турбокомпрессорная лопатка» создана с целью повышения безопасности реактивных самолетов за счет увеличения эксплуатационного и повышения КПД двигателя за счет снижения обратного перетока рабочего тела - сжатого газа. Цель достигается тем, что периферийная зона лопатки с обеих сторон снабжена профилированными вихреобразующими выемками, имеющими шаг t, глубину h, ширину с и длину L, при этом t и L не менее 2-3 величин зазора А.

Фиг.1 Показана конструкция турбины, компрессора и реактивного двигателя в целом с компрессорными и турбинными лопатками.

Фиг.2 Показан фрагмент зоны обтекания лопаток с наличием зазора.

Фиг.3 Показан фрагмент зоны обтекания лопаток, снабженной завихряющими выемками.

Фиг.4 Вид сверху на профиль лопатки в зоне законцовки и вид сбоку. Показаны вихреобразующие выемки с вихревыми потоками.

Фиг.5 Результаты испытания для определения оптимальных соотношений (t, L).

Фиг.6 Экспериментальные стенды для испытаний турбокомпрессорных лопаток.

Устройство полезной модели «Турбокомпрессорная лопатка» состоит (Фиг.1, 2, 3, 4) из корневой зоны (хвостовик) 1, срединной зоны (перо) 2 и периферийной зоны (в районе концевой кромки лопатки) 3, за периферийной зоной расположен зазор 4 между кромкой 15 периферийной зоны 3 лопатки и наружной конструкцией 5. В периферийной зоне лопатки по обе ее стороны установлены профилированные вихреобразующие выемки 6, установленные с шагом t глубиной h, шириной с и длиной L (Фиг.3, 4).

При обтекании турбокомпрессорной лопатки в результате вращения ее относительно оси 14 в зонах 1, 2, 3 рабочим потоком 7 (Фиг.2), поток после каждой ступени 8, 9, 10 сжимается, достигая 15-20 атм. В то же время, из-за наличия зазора 4 сжатый газ вытекает обратно, образуя поток 11. Для препятствия этому потоку периферийную зону снабжают профилированными вихреобразующими выемками 6, установленными по обе стороны периферийной зоны 3 с параметрами t, h, с, L. Рабочий поток 7, попадая в выемку 6, завихряется в устойчивый

(сформированный) вихрь 12 и, будучи расположенным в ряду выемок-завихрителей, создает систему двусторонних вихрей 13. Как известно из теоретической и экспериментальной газовой динамики, например, П.Чжен «Управление отрывом потока» М.: изд. «МИР» 1979, стр.13, вихреобразующие полости, показанные на Фиг.4 (в середине), формируются устойчивые вихри. Проведенные нами испытания на стендах, представленных на Фиг.6, показали, что сформированный вихрь обладает радиальной жесткостью и будучи организован в осевые структуры 12, 13, являющиеся продолжением лопатки, обеспечивают почти непротекаемый заслон для течения 11 (ставшее 16), между концевой кромкой лопатки и неподвижной конструкцией двигателя. Эти, образно говоря, вихревые «щетки», опираясь с одной стороны на периферийную зону 3, а с другой стороны на неподвижную конструкцию 5, являются воздушным замком между подвижной и неподвижной конструкцией.

При выполнении оптимальных соотношений параметров t и L (Фиг.4, 5) наблюдается снижение обратного перетока 11 до 20% от его первоначального значения с образованием потока 16. При этом, увеличение КПД всей энергетической установки с применением полезной модели «Турбокомпрессорная лопатка» достигало 17-20%, как в системе компрессора, так и в системе турбины по сравнению с лопатками традиционного типа. Более эффективное применение вихревого замка наблюдалось на лопатках турбины, из-за большего давления в системе камера сгорания - турбина (40 атм.) по сравнению с меньшим перепадом в системе компрессор - камера сгорания (15 атм.). При этом, при увеличении эксплуатационного зазора с 1,4 мм до 2,4 мм практически увеличение обратного перетока не наблюдалось. Достигнутый положительный эффект подтверждает целесообразность использования полезной модели «Турбокомпрессорная лопатка».

Турбокомпрессорная лопатка, состоящая из опорной, срединной и периферийной зон, отличающаяся тем, что с целью повышения КПД лопатки и безопасности конструкции периферийная зона с обеих сторон снабжена профилированными вихреобразующими выемками, имеющими шаг t, глубину h, ширину с и длину L, при этом t и L не менее 2-3 величин зазора А.