Ступень осевого компрессора
Владельцы патента RU 2269680:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") (RU)
Изобретение относится к области авиадвигателестроения и может быть использовано в компрессорах газотурбинных двигателей. Ступень осевого компрессора содержит лопатки 1 рабочего колеса ротора и кольцевую стенку корпуса 2 с выполненными в ней отверстиями 3 и 4, сообщенными с газовоздушным трактом 5 и попарно связанными между собой отдельными трубопроводами 6, образуя волноводы. Отверстия 3 выполнены перед входными кромками лопаток 1, а отверстия 4 - после входных лопаток 1. Изобретение позволяет уменьшить вибронапряжения в элементах конструкции осевого компрессора за счет снижения амплитуды колебаний давления. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области авиадвигателестроения и может быть использовано в компрессорах газотурбинных двигателей.
Известна ступень осевого компрессора, содержащая ротор с рабочими лопатками и корпус статора, в кольцевой стенке которого выполнены отверстия, расположенные по обе стороны относительно входных кромок рабочих лопаток ротора. Все отверстия в кольцевой стенке корпуса статора соединены с одной стороны с газовоздушным трактом компрессора, а с другой - с выполненной в корпусе статора внетрактовой полостью (1).
Известное решение, увеличивая запас газодинамической устойчивости и снижая аэродинамический шум на входе в ступень, практически не влияет на амплитуду регулярных колебаний давления, возникающих за лопатками рабочего колеса ротора при их взаимодействии с лопатками направляющего аппарата статора, что приводит к повышенным виброперегрузкам конструкции компрессора за рабочим колесом, особенно, если какой-либо элемент конструкции попадает в резонанс с регулярными пульсациями давления.
Устройство имеет значительный вес и практически не работает на сверхзвуковых ступенях компрессора с высоконагруженными широкохордными лопатками.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является снижение вибронапряженности конструкции осевого компрессора за счет снижения амплитуды колебаний давления за рабочей лопаткой ступени.
Поставленная задача решается тем, что в ступени осевого компрессора, содержащей ротор с рабочими лопатками и корпус статора, в кольцевой стенке которого выполнены отверстия, расположенные по обе стороны относительно входных кромок рабочих лопаток ротора, каждое из отверстий, расположенных перед входными кромками рабочих лопаток ротора соединено с одним из отверстий, расположенных за входными кромками рабочих лопаток ротора, посредством отдельного канала, образующего вместе с этими отверстиями волновод и выполненного, например, в виде трубки, размещенной над кольцевой стенкой корпуса статора.
При этом целесообразно длину каждого волновода L выбрать в диапазоне:
,
где с - скорость звука в волноводе [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, а n - число оборотов ротора [1/сек], разницу в длине двух соседних волноводов ΔL выбрать в диапазоне:
где с - скорость звука в волноводах [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, n - число оборотов ротора [1/сек], а расстояние l1,2 между любыми двумя соседними отверстиями, расположенными перед входной кромкой рабочих лопаток ротора и между любыми двумя соседними отверстиями, расположенными после входной кромки рабочих лопаток ротора, выбрать одинаковым по величине в диапазоне:
где с - скорость звука в волноводах [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, n - число оборотов ротора [1/сек].
Связь посредством отдельных каналов каждого из отверстий, расположенных перед входными кромками рабочих лопаток ротора, с одним из отверстий, расположенных после входных кромок этих же лопаток, обеспечивает дополнительный вынос акустической энергии из зоны ее генерации (в районе входа в отверстия, расположенные после входных кромок рабочих лопаток ротора) по волноводам, образованным отдельными каналами совместно с соединяемыми ими отверстиями, в газовый тракт компрессора на вход в рабочее колесо ротора, уменьшая тем самым амплитуду колебаний за рабочим колесом.
Выполнение длины каждого волновода L в диапазоне
где с - скорость звука в волноводе [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, а n - число оборотов ротора [1/сек], позволяет настроить волновод как полуволновый резонатор для каждой гармоники колебаний и тем самым обеспечить максимальный вынос акустической энергии из зоны ее генерации в газовоздушный тракт на вход в рабочее колесо, таким образом обеспечивая оптимальную настройку устройства и минимальную вибронагруженность конструкции.
Выполнение отдельных каналов в виде трубок, размещенных над стенкой корпуса статора, технологически упрощает осуществление заявленной конструкции.
Выполнение разницы в длине двух соседних волноводов ΔL в диапазоне:
где с - скорость звука в волноводах [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, а n - число оборотов ротора [1/сек], позволяет не только обеспечить максимальный вынос акустической энергии из зоны ее генерации, но и за счет обеспечения разницы длин двух соседних волноводов в половину длины волн первой и второй гармоник акустических колебаний и за счет интерференции волн на выходе из волноводов взаимно погасить колебания, прошедшие сюда по двум соседним волноводам-резонаторам. Это не позволяет колебаниям распространяться дальше на вход в рабочее колесо следующей ступени осевой турбомашины.
Выполнение расстояний l1,2 между любыми двумя соседними отверстиями, расположенными перед входной кромкой рабочих лопаток ротора и между любыми двумя соседними отверстиями, расположенными после входной кромки рабочих лопаток ротора, одинаковыми по величине в диапазоне:
где c - скорость звука в волноводах [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, n - число оборотов ротора [1/сек], позволяет оптимально согласовать вход и выход резонаторов-волноводов и достигнуть наилучших условий взаимного гашения колебаний, проходящих по соседним волноводам.
Сущность изобретения схематически поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема ступени осевого компрессора.
На фиг.2 показан вид А фиг 1 (развернуто).
Ступень осевого компрессора содержит лопатки 1 рабочего колеса ротора и кольцевую стенку 2 корпуса с выполненными в ней отверстиями 3 и 4, сообщенными с газовоздушным трактом 5. Отверстия 3 выполнены перед входными кромками лопаток 1, а отверстия 4 - после входных лопаток 1. Отверстия 3 и 4 попарно связаны между собой отдельными трубопроводами 6 и образуя волноводы. На кольцевой стенке 2 статора установлен датчик пульсаций давления 7.
Отдельные волноводы имеют длину, выбранную в диапазоне
где с - скорость звука в волноводе [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, а n - число оборотов ротора [1/сек], и различаются между собой по длине на величину, выбранную в диапазоне:
где с - скорость звука в волноводах [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, а n - число оборотов ротора [1/сек]. Расстояние между двумя любыми соседними отверстиями 3 и расстояние между двумя любыми соседними отверстиями 4 одинаковы по величине и выбраны в диапазоне
где с - скорость звука в волноводах [м/сек], Z - число рабочих лопаток в ступени ротора, n - число оборотов ротора [1/сек].
Отдельные трубопроводы 6 могут располагаться друг над другом над корпусом статора в радиальном направлении, при этом они отличаются только длиной.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При вращении рабочего колеса с лопатками 1 и взаимодействии его с лопатками 8 направляющего аппарата (НА) в районе отверстий 3 датчиком пульсаций давления 7 экспериментально фиксируются регулярные колебания давления значительной амплитуды, особенно при работе сверхзвуковой ступени. В зависимости от значений частот этих колебаний происходит выбор длины волноводов, а значит и трубопроводов 6. Через вход в отверстия 3, трубопроводы 6 и через выход из отверстий 4 энергия колебаний выносится из зоны ее генерации в газовый тракт компрессора 5 на вход в рабочее колесо ступени компрессора. За счет разницы длин двух соседних волноводов в половину длины волн первой и второй гармоник акустических колебаний и за счет интерференции волн прошедшие по двум соседним волноводам колебания на выходе из них взаимно погашаются, что не позволяет колебаниям распространяться на вход в рабочее колесо.
Предлагаемое техническое решение, сохраняя увеличенный запас газодинамической устойчивости и хороший КПД ступени осевого компрессора, позволяет снизить амплитуду колебаний давления, уменьшить вибронапряжения в элементах его конструкции, а также снизить вес статора, особенно для сверхзвуковых ступеней с широкохордными лопатками.
Источник информации
Патент Российской Федерации №2148732, МПК 7 F 04 D 29/66, 1998 г.
1. Ступень осевого компрессора, содержащая ротор с рабочими лопатками и корпус статора, в кольцевой стенке которого выполнены отверстия, расположенные по обе стороны относительно входных кромок рабочих лопаток ротора, отличающаяся тем, что каждое из отверстий, расположенных перед входными кромками рабочих лопаток ротора, соединено с одним из отверстий, расположенных за входными кромками рабочих лопаток ротора, посредством отдельного канала в виде трубки, размещенной над стенкой корпуса статора.
2. Ступень осевого компрессора по п.1, отличающаяся тем, что длина каждого волновода L выбрана в диапазоне
где с - скорость звука в волноводе, м/с;
Z - число рабочих лопаток в ступени ротора;
n - число оборотов ротора, 1/с.
3. Ступень осевого компрессора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что разница в длине двух соседних волноводов ΔL выбрана в диапазоне
где с - скорость звука в волноводе, м/с;
Z - число рабочих лопаток в ступени ротора;
n - число оборотов ротора, 1/с.
4. Ступень осевого компрессора по п.3, отличающийся тем, что расстояние l1,2 между любыми двумя соседними отверстиями, расположенными перед входной кромкой рабочих лопаток ротора, или между любыми двумя соседними отверстиями, расположенными после входной кромки рабочих лопаток ротора, одинаково по величине и выбрано в диапазоне
где с - скорость звука в волноводе, м/с;
Z - число рабочих лопаток в ступени ротора;
n - число оборотов ротора, 1/с.
