Лопаточный венец осевого компрессора

Изобретение относится к авиадвигателестроению и может быть использовано в компрессорах газотурбинных двигателей. Лопаточный венец осевого компрессора содержит наружное кольцо с радиальными отверстиями, закрепленные на нем и внутреннем кольце лопатки с образованием межлопаточных каналов, причем отверстия в наружном кольце расположены перед входной и за выходной кромками лопаток, а каждое отверстие, расположенное перед входной кромкой лопатки, сообщено отдельным каналом с одним из отверстий, расположенных за выходной кромкой лопатки. Каналы образуют вместе с отверстиями волноводы и могут быть выполнены, например, в виде трубок, размещенных над наружным кольцом, причем длина волноводов больше расстояния между его образующими отверстиями. Изобретение позволяет снизить амплитуду колебаний давления, генерируемых лопатками ротора, уменьшая тем самым вибронапряжения в элементах конструкции компрессора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в компрессорах газотурбинных двигателей.

Известен лопаточный венец осевого компрессора, содержащий выполненное с радиальными отверстиями наружное кольцо, внутреннее кольцо и закрепленные на этих кольцах лопатки (1).

В известном решении наружное и внутреннее кольца выполнены пустотелыми, а радиальные отверстия выполнены в стенке наружного кольца с целью соединения межлопаточных каналов с внутренней полостью этого кольца. Аналогичные мероприятия произведены и на внутреннем кольце.

Данное решение, хотя и повышает КПД ступени за счет уменьшения вторичных потерь, но практически никак не влияет на амплитуду регулярных колебаний давления, возникающих перед лопатками венца за счет их взаимодействия с лопатками ротора при его вращении. Это приводит к повышенным вибронапряжениям конструкции компрессора, особенно если какой-либо элемент конструкции попадает в резонанс с регулярными пульсациями давления.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является снижение вибронапряженности конструкции осевого компрессора за счет снижения амплитуды колебаний давления перед лопаточным венцом.

Поставленная задача решается тем, что в лопаточном венце осевого компрессора, содержащем наружное кольцо, выполненное с радиальными отверстиями, внутреннее кольцо и закрепленные на этих кольцах лопатки, радиальные отверстия наружного кольца расположены перед входной и за выходной кромками лопаток венца, причем каждое из отверстий, расположенных перед входными кромками лопаток венца, соединено с одним из отверстий, расположенных за выходными кромками лопаток венца, посредством отдельного канала, образующего вместе с соединяемыми им отверстиями волновод и выполненного, например, в виде трубки, размещенной над наружным кольцом.

Кроме того, длина волновода больше расстояния между его образующими радиальными отверстиями на величину, выбранную в диапазоне:

,

где l - длина волновода,

l₀ - расстояние между отверстиями, образующими волновод,

с - скорость звука в волноводе, м/сек,

Z - число лопаток предыдущей ступени ротора,

n - число оборотов ротора в 1 сек.

Выполнение отверстий в наружном кольце перед входной и за выходной кромками лопаток венца, и их попарное соединение между собой посредством отдельных каналов позволяет обеспечить дополнительный вынос акустической энергии из зоны ее генерации (в районе входа в отверстия, расположенные перед входной кромкой лопаток венца) по волноводам, образованным отдельными каналами совместно с соединенными ими отверстиями, в газовый тракт компрессора за лопаточный венец (на выход из отверстий, расположенных за выходной кромкой лопаток венца), уменьшая тем самым амплитуду колебаний перед лопаточным венцом.

Выполнение волноводов длиной, большей расстояния между образующими их отверстиями на величину, выбранную в диапазоне:

,

где l - длина волновода, l₀ - расстояние между отверстиями, образующими волновод, с - скорость звука в волноводе, Z - число лопаток предыдущей ступени ротора, n - число оборотов ротора в 1 сек, позволяет не только обеспечить дополнительный вынос акустической энергии из зоны генерации акустической энергии, но и за счет разницы длины отдельных каналов l и расстояния между соединяемыми отверстиями l₀ в половину длины волн первой и второй гармоник акустических колебаний в районе отверстий, выполненных перед входной кромкой лопаток венца, за счет интерференции волн взаимно погасить колебания, прошедшие по межлопаточным каналам и волноводам. Это не позволяет колебаниям распространяться далее вниз по потоку и воздействовать на элементы конструкции компрессора.

Выполнение волноводов, например, в виде трубок, расположенных над наружным кольцом, технологически упрощает процесс изготовления заявленного устройства.

Сущность изобретения поясняется графически, где на фиг.1 изображена схема лопаточного венца, а на фиг.2 - вид А фиг.1 (развернуто).

Лопаточный венец осевого компрессора содержит лопатки 1, закрепленные на его внутреннем 2 и наружном 3 кольцах с образованием межлопаточных каналов 4. Наружное кольцо выполнено с радиальными отверстиями 5 и 6. Радиальные отверстия 5 расположены перед входной кромкой лопаток 1, а отверстия 6 - за выходной его кромкой. Отверстия 5 и 6 попарно соединены друг с другом отдельными каналами 7, выполненными, например, в виде трубок, расположенных над наружным кольцом 3. Каналы 7 совместно с соединяющими их отверстиями 5 и 6 образуют акустические волноводы, длина которых l выполняется большей, чем расстояние между образующими их отверстиями l₀.

При вращении рабочего колеса ротора, находящегося перед лопаточным венцом, благодаря взаимодействию рабочих лопаток ротора и лопаток венца статора в районе отверстий 5 происходит генерация колебаний давления значительной амплитуды, особенно, если рабочая ступень ротора сверхзвуковая.

Акустические колебания распространяются вниз как по потоку в межлопаточных каналах 4, так и против потока через отверстия 5, каналы 7 и отверстия 6 за выходные кромки лопаток 1. Таким образом, по акустическим волноводам происходит дополнительный вынос акустической энергии из зоны ее генерации в районе отверстий 5 в газовый тракт компрессора за лопаточный венец в район отверстий 6. Тем самым уменьшается амплитуда колебаний перед лопаточным венцом и вибронапряженность конструкции компрессора. За счет разницы длины волноводов l в половину длины волн первой и второй гармоник акустических колебаний в районе отверстий 5 и расстояния между соединяемыми отверстиями 5 и 6 l₀ колебания, прошедшие по межлопаточным каналам 4 и каналам 7, за счет интерференции волн взаимно погашаются.

Это не позволяет колебаниям распространяться далее вниз по потоку и воздействовать на элементы конструкции компрессора.

Предлагаемое решение позволяет понизить амплитуду колебаний давления, возникающую перед лопатками венца за счет их взаимодействия с лопатками ротора при его вращении, уменьшая вибронапряжения в элементах конструкции компрессора, что особенно актуально для конструкций со сверхзвуковыми рабочими колесами с широкохордными лопатками, где скачки уплотнения запирают рабочее колесо, и генерируемая акустическая энергия практически не выносится вверх по потоку компрессора.

Источники информации

1. Патент SU №1777421, МНК 6 F 04 D 29/54, 1989 г.

1. Лопаточный венец осевого компрессора, содержащий наружное кольцо, выполненное с радиальными отверстиями, внутреннее кольцо и закрепленные на этих кольцах лопатки, отличающийся тем, что радиальные отверстия наружного кольца расположены перед входными и за выходными кромками лопаток венца, причем каждое из отверстий, расположенных перед входными кромками лопаток венца, соединено с одним из отверстий, расположенных за выходными кромками лопаток венца, посредством отдельного канала, образующего вместе с соединяемыми им отверстиями волновод и выполненного, например, в виде трубки, размещенной над наружным кольцом.

2. Лопаточный венец по п.1, отличающийся тем, что длина волновода больше расстояния между его образующими радиальными отверстиями на величину, выбранную в диапазоне

где l - длина волновода;

l₀ - расстояние между радиальными отверстиями, образующими волновод;

с - скорость звука в волноводе, м/с;

Z - число лопаток предыдущей ступени ротора;

n - число оборотов ротора, 1 с.