Статорная лопатка осевого компрессора

Статорная лопатка осевого компрессора предназначена для использования в конструкциях лопаточных венцов газотурбинных двигателей с улучшенными газодинамическими характеристиками. Лопатка - содержит перо с периферийной и втулочной полками на свободных концах последнего. Поперечные сечения пера осесимметричными поверхностями тока представляют собой заданные аэродинамические профили с изменяющимися вдоль высоты пера заданными величинами хорд b_zi. На участке пера лопатки, отстоящем от втулочной полки на высоте h_b, составляющей от 0,6 до 0,7 от полной высоты Н пера лопатки со стороны ее входной кромки, до периферийной полки, величина хорд b_ni аэродинамических профилей увеличена в соответствии с соотношением. Статорная лопатка позволяет снизить потери полного давления при торможении потока в каналах лопаточных венцов осевых компрессоров.

Полезная модель относится к газотурбинным установкам, а именно к конструкциям лопаток статорных венцов осевых компрессоров авиационных двигателей, наземных газотурбинных установок, вспомогательных газотурбинных силовых установок и турбокомпрессорных стартеров.

Проблема улучшения газодинамических характеристик для осевых компрессоров и, в частности, для их статорных лопаточных венцов всегда имела первостепенное значение. В осевых компрессорах известны и нашли широкое распространение кольцевые статорные лопаточные венцы различного конструктивного исполнения.

Известна статорная лопатка осевого вентилятора (или осевого компрессора), описанная в патенте США 5584654 с датой выдачи 17 декабря 1996 года. У этой статорной лопатки в трехмерном пространстве линии входных и выходных кромок в направлении к периферии расходятся и, следовательно, величины хорд аэродинамических профилей, расположенных в сечениях статорной лопатки, образованных пересечением ее осесимметричными поверхностями тока, увеличиваются вдоль высоты лопатки. Так как с увеличением радиуса расположения аэродинамического профиля увеличивается шаг решетки профилей (расстояние между входными кромками соседних профилей), то принятое для этой статорной лопатки увеличение хорд (расстояние от входной до выходной кромки аэродинамического профиля в сечении лопатки) обеспечивает приблизительно одинаковую густоту решетки профилей (густота решетки профилей определяется как отношение хорды к шагу решетки) вдоль высоты лопатки. Однако для области лопатки, примыкающей к периферии, густоты решеток профилей, близкие к густотам решеток профилей в остальной части лопатки, оказываются недостаточными для организации процесса торможения потока с малыми потерями.

Наиболее близкой к предлагаемой лопатке осевого компрессора является описанная в патенте США 6508630 В2 от 21 января 2003 г. статорная лопатка осевого компрессора, входящая в состав статорного венца. Пространственные линии входной и выходной кромок этой статорной лопатки также расходятся в направлении от втулки до периферии лопатки, что также свидетельствует о том, что с увеличением радиуса расположения сечения увеличиваются величины хорд, соединяющих точки входной и выходной кромок аэродинамических профилей, располагающихся в сечениях лопатки. Для этой лопатки предусмотрено дополнительное увеличение величин хорд и, следовательно, густот решеток профилей, расположенных в примыкающей к периферии области лопатки, по сравнению с хордами и густотами остальной части лопатки, что способствует улучшению эффективности процессов торможения потока в примыкающей к периферии области лопатки. Но так как, вытекающий из предшествующего рабочего колеса и натекающий на статорную лопатку, в ее примыкающей к периферии области, поток имеет сложную структуру из-за перетекания части потока через радиальный зазор над лопаткой предшествующего рабочего колеса, то колеса, то предложенное в этой лопатке дополнительное увеличение хорд в примыкающей к периферии области лопатки все же оказывается недостаточным для обеспечения торможения потока сложной структуры с минимально допустимыми потерями.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является улучшение эффективности процесса торможения потока в статорном лопаточном венце, за счет увеличения величин хорд аэродинамических профилей, располагающихся в части лопатки примыкающей к периферии.

Поставленная задача решается тем, что статорная лопатка осевого компрессора содержит перо с периферийным и втулочным несущими элементами на свободных концах последнего. Поперечные сечения пера осесимметричными поверхностями тока представляют собой заданные аэродинамические профили с изменяющимися вдоль высоты пера заданными величинами хорд.

Новым в полезной модели является то, что на участке пера лопатки отстоящем от втулочной полки на высоте h_b, составляющей от 0,6 до 0,7 от полной высоты Н пера лопатки со стороны ее входной кромки, до периферийной полки, величина хорд b_ni аэродинамических профилей определяется по соотношению

b_ni=b _zi+{c₁·[(h₁-h_b)/(H-h _b)]²+c₂·[(h_i-h _b)/(H-h_b)]}·db,

где b _zi - заданная величина хорды аэродинамического профиля в локальном сечении лопатки, расположенном на высоте h_i ;

c₁ - константа при члене второй степени соотношения;

h_b - высота расположения граничного сечения лопатки, выше которого до периферийной полки выполняется определение хорд по соотношению;

h _i - текущее значение высоты расположения локального сечения лопатки;

Н - полная высота пера лопатки по входной кромке;

c₂ - константа при члене первой степени соотношения;

db - максимально допустимая величина приращения хорды

аэродинамического профиля в сечении стыка пера и периферийной полки, причем выполняются условия:

- коэффициенты c₁ и c ₂ выбираются соответственно в диапазонах от плюс 1,0 до плюс 0,2 и от 0,0 до плюс 0,8;

- сумма выбранных значений коэффициентов c₁ плюс c₂ должна быть равна плюс 1,0.

Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием сущности заявляемого технического решения со ссылкой на фиг.1-3, где:

На фиг.1 показан вид статорной лопатки и пересекающей ее осесимметричной поверхности тока;

На фиг.2 для участка пера лопатки, примыкающего к периферии, представлены развертки на осесимметричной поверхности тока двух межлопаточных каналов, образованных парой соседних аэродинамических профилей с заданной величиной хорды (штриховые линии) и парой соседних аэродинамических профилей с заявляемой величиной хорды;

На фиг.3 показаны меридиональные сечения двух статорных лопаток, имеющих на примыкающем к периферии участке входные кромки, образованные аэродинамическими профилями с заданной величиной хорды и аэродинамическими профилями с заявляемой величиной хорды.

Статорная лопатка, показанная на фиг.1, содержит перо 1 с периферийной 2 и втулочной 3 полками на свободных концах пера 1. Сечения, образующиеся от пересечения пера 1 лопатки осесимметричными поверхностями тока 4 с осью симметрии 5, являющейся осью вращения компрессора, представляют собой аэродинамические профили 6. Изменяющаяся вдоль высоты лопатки 1 форма аэродинамических профилей 6 задается такой, чтобы обеспечивались требуемые параметры процесса торможения потока в статорном венце, составленном из лопаток с пером 1. Входная кромка 7 пера 1 лопатки соединяет входные точки 8 аэродинамических профилей 6, а выходная кромка 9 пера 1 лопатки проходит по выходным точкам 10 аэродинамических профилей 6.

На фиг.2 представлены на осесимметричной поверхности тока 4, расположенной в примыкающем к периферии участке статорных лопаток, наложенные друг на друга развертки двух межлопаточных каналов: канала 11, образованного парой соседних аэродинамических профилей 12 и 13 с заданной величиной хорды 14 (b_zi ), и канала 15, образованного парой соседних аэродинамических профилей 16 и 17 с заявляемой величиной хорды 18 (b_ni ). Заданная величина хорды 14 (b_zi) равна расстоянию между входными точками 8 и выходными точками 10 заданных аэродинамических профилей 12 или 13, а заявляемая величина хорды 18 (b_ni ) - расстоянию между входными точками 8 и выходными точками 10 заявляемых аэродинамических профилей 16 или 17.

На фиг.2 показан также шаг 19 (s_i) решетки, составленной из пары аэродинамических профилей 12 и 13 или 16 и 17, равный расстоянию между входными точками 8 соседних аэродинамических профилей, и величина 20 (db_i), добавляемая к заданной величине хорды 14 (b_zi) для определения заявляемой величины хорды 18 (b_ni) в локальном сечении.

Для сравнения на фиг.3 наложены друг на друга меридиональные сечения перьев 1 статорных лопаток с входными кромками 7, имеющими в примыкающих к периферии участках заданную форму и заявляемую форму (входная кромка 7 заданной формы в этой области лопатки нанесена штриховой линией). Выходные кромки 9 сравниваемых заданных и заявляемых перьев 1 лопаток и участки входных кромок 7 сравниваемых перьев 1 лопаток от втулочного сечения 21 до граничного сечения 22, расположенного на высоте 23 (h_b), равной 0,6÷0,7 от высоты 24 (Н), совпадают. Отличия между входными кромками 7 с заданной формой и с заявляемой формой имеют место на участке входных кромок 7 от граничного сечения 22 до периферийного сечения 25 пера 1 лопатки.

Как видно из фиг.3, на примыкающем к периферии участке, высота 26 (H-h_b) которого равна разности между высотой лопатки 24 (Н) и высотой расположения 23 (h_b) граничного сечения 22, входная кромка 7 заявляемой формы отклоняется от входной кромки 7 заданной формы в сторону против потока, достигая наибольшего отклонения у периферийного сечения 25.

На фиг.3 показана также одна из локальных высот 27 (h_i) расположения локального сечения 28 в примыкающей к периферии участке пера 1 лопатки, в котором использованы отличительные признаки заявляемой полезной модели.

Максимально допустимую величину приращения хорды db аэродинамического профиля в периферийном сечении перьев 1 статорных лопаток осевых компрессоров можно принимать равной 0,7÷0,8 от величины периферийного осевого зазора между выходной кромкой предшествующей лопатки рабочего колеса и входной кромкой статорной лопатки с заданной величиной хорды профиля в периферийном сечении, а при большой величине этого зазора (например, в наружных контурах вентиляторов) величину db можно задавать равной 0,1÷0,15 от величины хорды аэродинамического профиля в периферийном сечении статорной лопатки.

Если принять коэффициенты c ₁ и c₂, например, равными соответственно +0,6 и +0,4 (их сумма равна +1,0), то заявляемая величина хорды b _ni окажется равной заданной величине хорды b_zi для аэродинамического профиля в граничном сечении 22 и увеличится по сравнению заданной величиной хорды b_zi на 0,35 от максимально допустимой величины приращения хорды db в локальном сечении, расположенном на высоте h_i=h_b+0,5×(H-h _b), на 0,638 от величины db в локальном сечении, расположенном на высоте h_i=h_b+0,75×(H-h_b ), и на величину db в периферийном сечении.

Использование в примыкающей к периферии области статорной лопатки с отличительными признаками заявляемой полезной модели приводит к увеличению величин хорд аэродинамических профилей, располагающихся в находящихся в этой области сечениях лопатки. Увеличение хорд аэродинамических профилей обеспечивает увеличение протяженности межлопаточных каналов и увеличение густоты решеток профилей, что приводит к уменьшению диффузорности межлопаточных каналов (отношение разности между площадью поперечного сечения, занимаемой на выходе из межлопаточного канала некоторой доли расхода, к аналогичной площади, занимаемой той же долей расхода на входе межлопаточного канала, к его протяженности).

При работе вытекающий из предшествующего рабочего колеса и натекающий на статорную лопатку, в ее примыкающем к периферии участке, поток сохраняет сложную структуру, что связано не только со смешением основной части потока, вытекающего из межлопаточных каналов рабочего колеса, со следами, образуемыми лопатками рабочего колеса, но и с подмешиванием к основной части потока той части потока, которая вызвана перетеканием со стороны сжатия на сторону разрежения лопатки рабочего колеса через ее радиальный зазор. Известно, что уменьшение диффузорности межлопаточного канала в любом сечении статорной лопатки обеспечивает повышение эффективности торможения потока и, в частности, улучшает условия для предотвращения отрыва потока от стороны разрежения аэродинамического профиля. Поэтому очевидна целесообразность использования для организации потока указанной сложной структуры предлагаемых отличительных признаков заявляемой полезной модели, приводящих к увеличению густоты решетки профилей и связанного с этим увеличения протяженности межлопаточных каналов и уменьшения их диффузорности. Это способствует улучшению как условий, препятствующих возникновению отрыва потока от стенок статорных лопаток, так и условий осуществления процесса торможения потока с уменьшенными потерями в каналах лопаточных венцов осевых компрессоров.

Таким образом, техническое решение обеспечивает снижение потерь полного давления при торможении потока в каналах лопаточных венцов статоров осевых компрессоров.

Статорная лопатка осевого компрессора, содержащая перо с периферийной и втулочной полками на свободных концах последнего, в которой поперечные сечения пера осесимметричными поверхностями тока представляют собой заданные аэродинамические профили с изменяющимися вдоль высоты пера заданными величинами хорд b_zi, отличающаяся тем, что на участке пера лопатки, отстоящем от втулочной полки на высоте h_b, составляющей от 0,6 до 0,7 от полной высоты Н пера лопатки со стороны ее входной кромки, до периферийной полки, величины хорд b_ni аэродинамических профилей определяются по соотношению

b_ni=b_zi +{c₁·[(h₁-h_b)/(H-h _b)]²+c₂·[(h_i-h _b)/(H-h_b)]}·db,

где b_zi - заданная величина хорды аэродинамического профиля в локальном сечении лопатки, расположенном на высоте h_i;

c₁ - константа при члене второй степени соотношения;

h_b - высота расположения граничного сечения лопатки, выше которого до периферийной полки выполняется определение хорд по соотношению;

h_i - текущее значение высоты расположения локального сечения лопатки;

Н - полная высота пера лопатки по входной кромке;

c₂ - константа при члене первой степени соотношения;

db - максимально допустимая величина приращения хорды аэродинамического профиля в сечении стыка пера и периферийной полки, причем выполняются условия:

коэффициенты c₁ и c₂ выбираются соответственно в диапазонах от плюс 1,0 до плюс 0,2 и от 0,0 до плюс 0,8;

сумма выбранных значений коэффициентов c ₁ плюс c₂ должна быть равна плюс 1,0.