Патент на изобретение №2235908

(54) КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и надежности компрессора за счет использования системы перепуска воздуха для регулирования радиальными зазорами между статором и ротором. Сущность изобретения заключается в том, что в компрессоре газотурбинного двигателя с клапанами перепуска воздуха, включающем наружный корпус и внутренний корпус с отверстиями перепуска воздуха из последовательно расположенных направляющих аппаратов и фланцы, разделяющие воздушную полость между наружным и внутренним корпусами, при этом средний фланец установлен телескопически относительно внутреннего корпуса и выполнен с зигзагообразной радиальной стенкой, согласно изобретению, зигзагообразная радиальная стенка последовательно отделяет отверстия с клапанами перепуска друг от друга в наружном корпусе, причем h/d=0,5…2; h₁/d₁=1…2,5; F/F_отв=1,1…2; F₁/F_отв1=1,1…2, где h – минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и внутренним корпусом; h₁ – минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и наружным корпусом; d – диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе в первом по потоку воздуха направляющем аппарате; d₁ – диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе во втором по потоку воздуха направляющем аппарате; _отв – суммарная площадь отверстий диаметром d; F_отв1 – суммарная площадь отверстий диаметром d₁; F – суммарная площадь клапанов перепуска воздуха первого по потоку направляющего аппарата; F₁ – суммарная площадь клапанов перепуска воздуха второго по потоку направляющего аппарата. 3 ил.

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известен компрессор газотурбинного двигателя между наружным силовым и внутренним корпусами которого образована кольцевая камера, на входе соединенная через жиклерные отверстия с проточной частью компрессора, а на выходе через патрубки с заслонками – с наружным контуром двигателя [1].

Недостатком такой конструкции является низкая надежность из-за возможного помпажа компрессора, так как жиклерные отверстия не могут пропустить необходимое для предотвращения срывных явлений и помпажа компрессора количество воздуха.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому является компрессор газотурбинного двигателя, содержащий систему перепуска воздуха, включающую наружный и внутренний корпус с отверстиями перепуска воздуха из последовательно расположенных направляющих аппаратов, а также три фланца, образующие между наружным и внутренним корпусами переднюю и заднюю полости перепуска воздуха, причем средний фланец выполнен с зигзагообразной радиальной стенкой и установлен телескопически относительно внутреннего корпуса [2].

Недостатком такой конструкции является низкая надежность и КПД компрессора газотурбинного двигателя из-за отсутствия системы управления радиальными зазорами между статором и ротором, а также из-за неоптимального соотношения площадей отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе и площадей клапанов перепуска.

В современных высоконапорных компрессорах утечки через радиальные зазоры между торцами рабочих лопаток и статором, а также между торцами направляющих лопаток и ротором приводят к существенному ухудшению параметров компрессора, и для повышения его КПД применяются системы управления радиальными зазорами, например путем охлаждения статора или подогрева ротора. Такие системы позволяют уменьшать радиальные зазоры между статором и ротором на основных режимах работы двигателя и увеличивать зазоры на переходных режимах работы, однако установить такую систему в месте размещения клапанов перепуска не представляется возможным из-за нехватки места.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и надежности компрессора за счет использования системы перепуска воздуха для регулирования радиальными зазорами между статором и ротором.

Сущность изобретения заключается в том, что в компрессоре газотурбинного двигателя с клапанами перепуска воздуха, включающем наружный корпус и внутренний корпус с отверстиями перепуска воздуха из последовательно расположенных направляющих аппаратов и фланцы, разделяющие воздушную полость между наружным и внутренним корпусами, при этом средний фланец установлен телескопически относительно внутреннего корпуса и выполнен с зигзагообразной радиальной стенкой, согласно изобретению, зигзагообразная радиальная стенка последовательно отделяет отверстия с клапанами перепуска друг от друга в наружном корпусе, причем

h/d=0,5…2; h₁/d₁=1…2,5; F/F_отв=1,1…2; F₁/F_отв1=1,1…2,

где h – минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и внутренним корпусом;

h₁ – минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и наружным корпусом;

d – диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе в первом по потоку воздуха направляющем аппарате;

d₁ – диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе во втором по потоку воздуха направляющем аппарате;

F_отв – суммарная площадь отверстий диаметром d;

F_отв1 – суммарная площадь отверстий диаметром d₁;

F – суммарная площадь клапанов перепуска воздуха первого по потоку направляющего аппарата;

F₁ – суммарная площадь клапанов перепуска воздуха второго по потоку направляющего аппарата.

Известно, что овализация наружного корпуса через передний и задний фланцы влияет на овализацию внутреннего корпуса, поэтому для сохранения минимальных радиальных зазоров между рабочими лопатками и статором, а также между спрямляющими лопатками и ротором, зигзагообразная радиальная стенка среднего фланца должна последовательно охватывать отверстия с клапанами перепуска в наружном корпусе, другими словами – каждое отверстие клапанов перепуска должно быть отделено от соседнего загзагообразной радиальной стенкой среднего фланца.

В этом случае овализация наружного корпуса из-за разницы давлений над внутренним корпусом и в полости между наружным корпусом и средним фланцем будет минимальна, что позволит минимизировать радиальные зазоры между статором и ротором.

Поскольку срывные явления возникают в компрессоре на переходных режимах работы, клапаны перепуска с целью исключения срыва потока воздуха и помпажа открываются только на переходных режимах работы, например, на режимах, близких к малому газу. В этом случае давление воздуха в полости над внутренним корпусом уменьшается при сохранении давления в проточной части компрессора, и поэтому радиальные размеры внутреннего корпуса за счет увеличенного перепада давления возрастают. Это приводит к увеличению радиальных зазоров между рабочими лопатками и статором, а также между направляющими лопатками и ротором, и, следовательно, исключает задевание рабочих лопаток о статор, а направляющих – о ротор. При переходе на основные режимы работы газотурбинного двигателя клапаны перепуска закрываются, давление в полости над внутренним корпусом увеличивается, что приводит к уменьшению его радиальных размеров и уменьшению радиальных зазоров между статором и ротором.

При h/d<0,5 возрастает гидравлическое сопротивление при перепуске воздуха из первого по потоку направляющего аппарата, что ведет к помпажу и поломке компрессора, а при h/d>2 будут излишне возрастать радиальные габариты и вес компрессора газотурбинного двигателя.

При h₁/d₁<1 возрастает гидравлическое сопротивление при перепуске воздуха из второго по потоку направляющего аппарата, что ведет к помпажу и поломке компрессора. При таком условии клапан перепуска воздуха невозможно разместить.

В случае, когда h₁/d₁>2,5, возрастают радиальные габариты и вес компрессора газотурбинного двигателя.

При F/F_отв<1,1 снижается коэффициент полезного действия из-за увеличенных радиальных зазоров для предотвращения касаний рабочими лопатками статора и направляющими лопатками ротора на основных режимах работы двигателя, а при F/F_отв>2 снижается надежность компрессора из-за резкого ударного снижения давления в полости над внутренним корпусом, повышенных напряжений во внутреннем корпусе компрессора, его растрескивания и поломки.

При F/F_отв<1,1 снижается надежность компрессора из-за срывных явлений на лопатках, помпажа и поломки лопаток, а если F/F_отв>2, то снижается надежность компрессора из-за резкого ударного изменения давления в воздушной полости между наружным корпусом компрессора и средним фланцем, растрескивания и поломки наружного корпуса.

На фиг.1 показан продольный разрез компрессора с клапанами перепуска; на фиг.2 – вид А на фиг.1; на фиг.3 представлено сечение Б-Б на фиг.2.

Компрессор 1 газотурбинного двигателя состоит из статора 2 и ротора 3 с проточной частью 4, в которой от входа 5 к выходу 6 движется поток воздуха 7. Статор 2 компрессора 1 состоит из наружного корпуса 8 и внутреннего корпуса 9, связанных между собой передним 10 и задним 11 фланцами с помощью крепежных элементов 12 и 13. Между наружным 8 и внутренним 9 корпусами установлен также средний фланец 14 с зигзагообразной радиальной стенкой 15, соединенный с внутренним корпусом 9 с помощью телескопического соединения16. Средним фланцем 14 полость17 между наружным 8 и внутренним 9 корпусами разделена на переднюю 18 с минимальной радиальной высотой h и заднюю 19 с минимальной радиальной высотой h₁, причем передняя полость 18 на входе соединена с проточной частью 4 с помощью отверстий 20 диаметром d в первом по потоку воздуха 7 направляющем аппарате 21, а на выходе с помощью клапанов перепуска 22 – с наружным контуром 23 газотурбинного двигателя или с атмосферой. Задняя полость 19 на входе соединена с проточной частью 4 с помощью отверстий 24 диаметром d₁ во втором по потоку воздуха направляющем аппарате 25, а на выходе с помощью клапанов перепуска 26 – с наружным контуром 23 или с атмосферой.

Клапаны перепуска 22 выполнены с выходной площадью F, а клапаны перепуска 26 выполнены с выходной площадью F₁. Между внутренним корпусом 9 и торцами рабочих лопаток 27 установлен радиальный зазор , а между ротором 3 и торцами направляющих лопаток 28 установлен радиальный зазор ₁.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе на переходных режимах в проточной части 4 компрессора 1 возникают срывные явления, и для предотвращения помпажа и поломки компрессора открываются клапаны перепуска 22 и 26, перепускающие часть воздуха через отверстия 20 и 24 в направляющих аппаратах 21, 25 из проточной части 4 в наружный контур 23 или в атмосферу. Так как соотношение суммарной площади клапанов F и F₁ и отверстий F_отв и F_отв.1 выбрано оптимальным, уменьшение давления в полостях 17, 19 происходит постепенно, плавно, безударно, т.е. со скоростью, достаточной для предотвращения помпажа, но изменение температуры наружного корпуса 8, при этом не приводит к появлению излишних термических напряжений и его поломке, а увеличение перепада давления на внутреннем корпусе 9 не приводит к его поломке газостатическими силами.

Из-за увеличенного перепада давления на внутреннем корпусе 9 его радиальные размеры увеличиваются, что приводит к увеличению радиальных зазоров и ₁ между статором и ротором, предотвращая таким образом задевание ротора о статор и поломку направляющих 28 и рабочих 27 лопаток компрессора 1.

При переходе на основные режимы работы компрессора 1 срывные явления в проточной части 4 устраняются и опасность помпажа компрессора исчезает, поэтому клапаны перепуска 22, 26 закрываются, что приводит к увеличению давления в полости 17 над внутренним корпусом 9, уменьшению размеров этого корпуса и радиальных зазоров и ₁ между статором и ротором, что приводит к повышению КПД компрессора.

Источники информации

1. Патент РФ № 2033563, F 04 D 17/00, 1992 г.

2. Патент РФ № 2175405, F 04 С 18/00, 2001 г.

Формула изобретения

Компрессор газотурбинного двигателя с клапанами перепуска воздуха, включающий наружный корпус и внутренний корпус с отверстиями перепуска воздуха из последовательно расположенных направляющих аппаратов и фланцами, разделяющими воздушную полость между наружным и внутренним корпусами, при этом средний фланец установлен телескопически относительно внутреннего корпуса и выполнен с зигзагообразной радиальной стенкой, отличающийся тем, что зигзагообразная радиальная стенка последовательно отделяет отверстия с клапанами перепуска друг от друга в наружном корпусе, причем

h/d=0,5…2; h₁/d₁=1…2,5; F/F_отв=1,1…2; F₁/F_отв1=1,1…2,

где h – минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и внутренним корпусом;

h₁ – минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и наружным корпусом;

d – диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе в первом по потоку воздуха направляющем аппарате;

d₁ – диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе во втором по потоку воздуха направляющем аппарате;

F_отв – суммарная площадь отверстий диаметром d;

F_отв1 – суммарная площадь отверстий диаметром d₁;

F – суммарная площадь клапанов перепуска воздуха первого по потоку направляющего аппарата;

F₁ – суммарная площадь клапанов перепуска воздуха второго по потоку направляющего аппарата.

РИСУНКИ

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Открытое акционерное общество “Авиадвигатель”

НИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество “Пермский моторный завод”

Договор № РД0070892 зарегистрирован 07.10.2010

Извещение опубликовано: 20.11.2010 БИ: 32/2010

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия