RU221177U1 - Биротативный компрессор газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например, авиационных.

Биротативный компрессор газотурбинного двигателя содержит корпус с входным и выходным каналами, входной вал с возможностью вращения, на котором установлено центробежное рабочее колесо. За центробежным рабочим колесом расположено осевое рабочее колесо с возможностью вращения в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала с изменением частоты вращения при помощи редуктора. Входной канал выполнен осевым.

Технический результат состоит в увеличении степени повышения давления компрессора. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например, авиационных.

В настоящее время для увеличения степени повышения давления компрессора осевых ступеней применяются схемы лопаточных компрессоров, содержащие последовательный ряд осевых ступеней. Каждая из ступеней включает ряд рабочих лопаток, закрепленных на диске (рабочее колесо), который соединен с дисками последующих ступеней, и ряд направляющих лопаток, закрепленных в корпусе (направляющий аппарат), представляющих собой статорную часть компрессора. Направление движения воздуха в осевом компрессоре преимущественно осевое. Степень повышения давления воздуха в одной ступени составляет, как правило, 1,2-2 при адиабатическом КПД 0,85-0,93. Для достижения высокой степени повышения давления применяются многоступенчатые осевые компрессоры.

Известны компрессоры применяются схемы лопаточных компрессоров, содержащие последовательный ряд с радиальным движением потока воздуха от входа рабочего колеса к выходу (центробежные компрессоры). Для возврата потока за рабочим колесом к осевому направлению за рабочим колесом, как правило, размещается радиальный диффузор, поворотное колено и спрямляющий аппарат. В том случае, если не требуется кольцевая форма выходного канала, то за рабочим колесом размещается улитка. Применение центробежных компрессоров ограничивается степенью повышения давления одной ступени (≤15) при изоэнтропическом КПД 0,76–0,84 и, главное - ограниченным лобовым расходом воздуха, связанным с допустимыми радиальными габаритами рабочего колеса (К.В. Холщевников. «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», М., «Машиностроение», 1970 г., стр. 207).

Известен биротативный компрессор, в котором роторы располагаются концентрично и вращаются в противоположных направлениях, при этом рабочие лопатки одного из них являются направляющими лопатками для другого («Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей». С.А. Вьюнов и др. Под общ. ред. Д.В. Хронина. - М.: Машиностроение, 1989, с. 55, рис. 3.4, в). Такое конструктивное решение позволяет использовать меньшее количество ступеней для получения заданной степени повышения давления (по сравнению с компрессорами традиционной схемы). Это позволяет сократить длину и вес осевого компрессора, что особенно актуально для авиационных газотурбинных двигателей.

Главным недостатком аналога является сложность конструкции. Конструкцию усложняют большая вращающаяся масса наружного ротора, охватывающего второй, внутренний для первого, ротор, и необходимость установки редуктора либо дополнительной турбины для привода первого из упомянутых роторов.

Известен компрессор двухвального биротативного двигателя, содержащий венцы рабочих лопаток, укрепленные на дисках, из которых не менее чем один - кольцевой, связанных с приводными валами, камеру поворота потока, расположенную вокруг ступицы кольцевого диска, при этом венцы рабочих лопаток размещены в кольцевом междисковом пространстве двух дисков, имеющих свободу вращения в противоположных направлениях, образуя проточную часть с центростремительным направлением потока воздуха, и укреплены на торцевых поверхностях дисков таким образом, что образуют концентричные продольной оси компрессора вращающиеся решетки, каждая из которых по отношению к предыдущему по потоку венцу имеет свободу вращения в противоположном направлении [патент RU 2239098 C1, F04D 17/00 опубл. 2004.10.27].

Недостатками двухвального биротативного двигателя являются относительно невысокие значения степени повышения давления воздуха на выходе из компрессора и высокие радиальные габариты при увеличении количества ступеней. Необходимо учитывать также и то, что воздух из поворотного колена поступает в камеру сгорания ГТД с высокой закруткой и неравномерностью, что негативно сказывается на работе ГТД.

Известна ступень центробежного компрессора, включающая рабочее колесо, а также переднюю и заднюю корпусные стенки, формирующие по ходу движения рабочего потока за рабочим колесом проточную часть безлопаточного диффузора, поворотного лопаточного диффузора и спрямляющего аппарата, в которой каждая лопатка поворотного лопаточного диффузора выполнена за одно целое с лопаткой спрямляющего аппарата таким образом, что совокупность средних линий профилей объединенных лопаток расположена в одной плоскости. При этом формы корпусных стенок выполнены с ломаной граничной линией, определяющей раздел между поворотным лопаточным диффузором и спрямляющим аппаратом, при этом граничные линии включают в свой состав группу прямых отрезков, каждый из которых, являясь на граничной линии своей корпусной стенки границей между одним из каналов поворотного лопаточного диффузора и продолжающим его каналом спрямляющего аппарата, перпендикулярен плоскости, в которой расположены средние продольные линии указанных каналов [патент RU 2452876 C1, F04D 29/44, F04D 29/28, F04D 17/08 опубл. 2012.02.14].

Недостатками являются высокие радиальные габариты и малые значения степени повышения давления компрессора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является биротативный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий корпус с входным и выходным каналами, в корпусе с возможностью вращения концентрично один в другом смонтированы наружный и внутренний валы, на валах установлены диски, на которых закреплены размещенные в пространстве между ними кольцевые венцы рабочих лопаток, образующие каскад низкого давления, вход проточной части которого сообщен с входным каналом корпуса, а выход - с входом кольцевой поворотной камеры. При этом на кольцевой поворотной камере смонтирован кольцевой дефлектор, а ее выход сообщен с имеющимся в закрепленном на наружном валу диска радиальным каналом, в котором смонтированы венцы рабочих лопаток, образующие каскад высокого давления, выход проточной части которого сообщен с выходным каналом корпуса, при этом в выходном канале корпуса имеются диффузор и спрямляющая решетка, предназначенная для снижения закрутки потока воздуха на выходе из компрессора [патент RU 2659841 C1, F04D 17/00, F04D 19/00, F04D 29/32 опубл. 2018.07.04].

Недостатками ближайшего аналога является сложность конструкции, большие гидравлические потери, которые приводят к уменьшению степени повышения давления компрессора, а также большие габаритные размеры.

Задачей полезной модели является упрощение конструкции биротативного компрессора для газотурбинного двигателя и уменьшение гидравлических потерь.

Технический результат – увеличение степени повышения давления компрессора.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в биротативном компрессоре газотурбинного двигателя, содержащем корпус с входным и выходным каналами, входной вал с возможностью вращения, на котором установлено центробежное рабочее колесо, согласно полезной модели, за центробежным рабочим колесом расположено осевое рабочее колесо с возможностью вращения в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала с изменением частоты вращения при помощи редуктора, при этом входной канал выполнен осевым.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг. 1 изображен общий вид устройства. Сечения a-a и b-b расположены перед и за центробежным рабочим колесом, а сечения c-c и d-d расположены перед и за осевым рабочим колесом. На фиг. 2а и фиг. 2б изображены межлопаточные каналы центробежного и осевого рабочего колеса соответственно и треугольники скоростей в сечениях a-a, b-b, c-c и d-d, обозначенных на фиг. 1, где с – абсолютная скорость в соответствующем сечении, u – окружная скорость в соответствующем сечении, w – относительная скорость в соответствующем сечении.

Биротативный компрессор газотурбинного двигателя содержит входной канал 1, который крепится при помощи болтового соединения (на рисунке не показано) к корпусу компрессора 2 и поворотного канала 3, центробежное рабочее колесо 4, осевое рабочее колесо 5, состоящее из диска 6 и венца рабочих лопаток 7, выходной канал 8, входной вал 9 и редуктор 10 для передачи крутящего момента. Входной вал 9 приводится во вращение турбиной (на рисунке не показано). Центробежное рабочее колесо 4 установлено на входном валу 9 при помощи шлицевого соединения (на рисунке не показано). Осевое рабочее колесо 5 опирается на подшипник 11 и приводится во вращение при помощи редуктора 10, при этом осевое рабочее колесо 5 вращается в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала 9 с возможностью изменения частоты вращения. Проточная часть компрессора формируется из входного канала 1, межлопаточного канала центробежного рабочего колеса 4, поворотного канала 3, межлопаточного канала осевого рабочего колеса 5 и выходного канала 8.

Биротативный компрессор для газотурбинного двигателя работает следующим образом.

При запуске и работе двигателя происходит вращение входного вала 9 вследствие выработки мощности на турбине. Это приводит к вращению центробежного 4 и осевого 5 рабочих колес, что вызывает всасывание воздуха через входной канал 1. Специальным образом спрофилированное центробежное рабочее колесо 4 обеспечивает повышение полного и статического давления воздуха. На выходе из центробежного рабочего колеса 4 вектор абсолютной скорости воздуха c _b можно разложить на компоненты w _b и u _b (фиг. 2а). Направление вектора абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса, как правило, не радиальное, за рабочим колесом имеется остаточная закрутка потока. Величина закрутки потока за центробежным рабочим колесом определяется геометрической конфигурацией колеса и окружной скоростью u _b (фиг. 2а). В то же время окружная скорость определяется через частоту вращения входного вала 9 и диаметр на выходе из центробежного рабочего колеса 4.

Преимущественно радиально направленный поток воздуха поступает в поворотный канал 3, который обеспечивает поворот потока воздуха на 90 градусов, обеспечивая преимущественно осевое направление движения. Из поворотного канала 3 воздух поступает в осевое рабочее колесо 5, которое при помощи редуктора 10 приводится во вращение в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала 9. При этом частота вращения осевого рабочего колеса посредством редуктора 10 можно изменять, как правило в меньшую сторону, что позволяет обеспечить прочностные характеристики осевого рабочего колеса 5, а так же безотрывное течение в осевом рабочем колесе 5. Вращение осевого рабочего колеса 5 в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала 9 приводит к тому, что поворот потока в осевом рабочем колесе 5 противоположен остаточной закрутке за центробежным рабочим колесом 4 (как показано на фиг. 2б). Это способствует дальнейшему увеличению полного и статического давления воздуха, при этом на выходе из центробежного рабочего колеса поток близок к осевому направлению. Основным ограничением при проектировании осевого рабочего колеса 5 является u _c <450…550 м/c.

Получив при прохождении осевого рабочего колеса 5 дополнительную энергию, поток воздуха попадает в выходной канал 8, в котором поле скоростей потока выравнивается перед входом в камеру сгорания.

Таким образом, применение биротативного компрессора для газотурбинного двигателя позволяет увеличить степень повышения давления на 8-10% в сравнении с прототипом за счет применения осевого входного канала, при котором обеспечиваются минимальные гидравлические потери, и осевого рабочего колеса, который приводится во вращение в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала при помощи редуктора, что обеспечивает безотрывное течение в осевом рабочем колесе.

Наиболее предпочтительно применение данного биротативного компрессора для авиационных газотурбинных двигателей, для которых предъявляются максимально жесткие требования (по сравнению с другими отраслями) к степени повышения давления и эффективности, а также по габаритам и массе.

Claims (1)

1. Биротативный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий корпус с входным и выходным каналами, входной вал с возможностью вращения, на котором установлено центробежное рабочее колесо, отличающийся тем, что за центробежным рабочим колесом расположено осевое рабочее колесо с возможностью вращения в противоположную сторону относительно направления вращения входного вала с изменением частоты вращения при помощи редуктора, при этом входной канал выполнен осевым.