RU2672196C2 - Устройство для удаления посторонних предметов из воздушного потока первой ступени осевого компрессора или привтулочной зоны вентиляторной ступени газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Устройство для удаления посторонних предметов из воздушного потока в ступени осевого компрессора или привтулочной зоны вентиляторной ступени газотурбинного двигателя, у которого геометрия рабочих лопаток первой ступени компрессора или вентилятора выполнена таким образом, что посторонние предметы получают воздействие от вращающихся лопаток компрессора или вентилятора, достаточное для перемещения их в радиальном направлении за пределы расположенного сзади направляющего аппарата, и удаляются в отводной кольцевой канал, расположенный снаружи направляющего аппарата, или в наружный тракт вентиляторного двигателя. С этой целью рабочие лопатки ступени имеют заднюю хвостовую часть, загнутую навстречу направлению вращения, так что выходные углы профилей лопатки превышают угол 90°. Достигается повышение эффективности сепарации посторонних предметов. 14 ил.

Description

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения. в частности, к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД), а также к наземным стационарным и транспортным (в том числе и судовым) газотурбинным установкам (ГТУ) - ко всем видам, у которых стоит проблема защиты двигателя от попадания в его газовоздушный тракт (ГВТ) посторонних предметов.

Известны способы и устройства, предназначенные для уменьшения количества попадания посторонних предметов во внутренний тракт ГТД. К таковым относятся, в первую очередь, широко распространенные авиационные вентиляторные ГТД, у которых вентиляторная ступень (ступени) одновременно является сепаратором, отделяющим посторонние предметы из центральной привтулочной зоны, из которой воздух поступает во внутренний контур, и направляющим их в периферийную зону потока и далее во внешний контур двигателя.

Описание конструкции подобного вентиляторного ГТД отечественного производства, находящегося в эксплуатации более 20 лет, приведено в [1], [2].

Аналогичное решение проблемы предотвращения попадания посторонних предметов во внутренний ГВТ предложено в изобретении [3], в котором за рабочими лопатками 1-й ступени компрессора низкого давления ГТУ выполнена кольцевая щель, сообщающаяся на входе с периферией проточной части компрессора, а на выходе - с атмосферой.

Предполагается, что посторонние предметы сепарируются рабочими лопатками 1-й ступени компрессора к периферии потока, после чего направляются во вход в кольцевую щель и далее - на выход в атмосферу. Конструкция ГТУ. близкая к описанной в [3], без кольцевой периферийной щели широко используется в наземных газоперекачивающих и энергетических установках, при этом в качестве базовой конструкции в них часто используется конструкция авиационного ГТД.

Опыт эксплуатации авиационных двигателей, описанных в [1], [2]. а также их наземных модификаций в виде ГТУ показывает недостаточную защищенность двигателей от попадания в них посторонних предметов, поэтому можно предположить, что ГТУ. предложенные в изобретении [3], также будут иметь высокий уровень прохода посторонних предметов в ГВТ, тем более, что в нем предлагается к использованию для сбора отсепарированных предметов достаточно узкая кольцевая щель.

Причиной низкой сепарационной способности осевой ступени компрессора или вентилятора является то, что при взаимодействии рабочей лопатки с посторонними предметами последние не получают необходимого по величине, по направлению и по времени силового воздействия со стороны лопатки, достаточного для преодоления радиального расстояния от места (радиуса) входа постороннего предмета (особенно из прикорневой зоны) до радиуса отвода его за пределы направляющего аппарата компрессора в течение промежутка времени пребывания его в пределах межлопаточного канала ступени.

Известен способ удаления тяжелых частиц из воздушного потока в осевой ступени компрессора и устройство осевой ступени, удаляющий тяжелые частицы, описанное в [4]. В указанном способе и устройстве сепарация тяжелых частиц (посторонних предметов) осуществляется за счет придания им тангенциального импульса от соударения с рабочими лопатками ступени и путем дальнейшей сепарации их в тангенциальном направлении в осевом пространстве межосевого зазора между рабочим колесом и последующим направляющим аппаратом. В самом рабочем колесе радиальной сепарации предметов практически не производится. Устройство потенциально требует для реализации существенно

осевого габарита, данное обстоятельство является одним из главных недостатков, поскольку в ГТД летательных аппаратов практически всегда отсутствует возможность увеличения длины и веса двигателя.

Известен также способ улучшения сепарации посторонних предметов из привтулочной зоны вентилятора ГТД, описанный в [5]. В указанном способе процесс взаимодействия рабочей лопатки вентилятора в привтулочной зоне или лопатки компрессора с посторонним предметов организуют таким образом, что постороннему предмету придают высокое значение переносной окружной скорости, равной окружной скорости движения лопатки, затем величину осевой составляющей относительной скорости движения предмета снижают, чем способствуют увеличению времени пребывания предмета в послеударном контакте с лопаткой в переносном окружном движении и совершении им радиального перемещения к периферии. В результате посторонний предмет не покидает лопатку при малом радиальном положении, а только при достижении им необходимого значения радиуса.

Способ реализуют путем силового воздействия со стороны рабочих лопаток на посторонние предметы, при этом для придания предметам максимальной окружной переносной скорости движения, равной скорости вращения лопатки, направление силы реакции со стороны лопатки на посторонний предмет ориентируют параллельным плоскости вращения рабочего колеса. Для снижения осевой составляющей относительной скорости движения предметов, после придания им высокого значения окружной скорости, силу реакции со стороны лопатки ориентируют под углом к плоскости вращения рабочего колеса и формируют у данной силы осевую составляющую, направленную навстречу осевой составляющей относительной скорости движения постороннего предмета по лопатке. Данное мероприятие вызывает необходимость использования в лопаточных профилях выходных углов β₂>90°, что входит в противоречие с существующей практикой в отечественном двигателестроении - смотри [6 стр. 214 Фиг. 144, стр. 233], [7 стр. 187], [8 стр. 221], в серийных вентиляторных ГТД Д30К и ПС-90А в привтулочной зоне вентиляторов выходные углы β₂<90° (β₂≈90° только в корневом сечении лопатки).

В настоящем изобретении предлагается вариант исполнения геометрии лопатки первой ступени компрессора в соответствии со способом [5] при использовании лопаток в конструкции ГТУ в соответствии с изобретением [3], а также в конструкции авиационных вентиляторных ГТД.

По совокупности признаков заявляемого устройства, совпадающих с признаками устройства-аналога, изобретение [3] принято в качестве прототипа.

Техническое противоречие в обсуждаемой проблеме заключается в том. что обычная рабочая лопатка компрессора, передающая энергию воздушному потоку в тангенциально-осевом направлении, не обеспечивает передачу энергии твердым частицам (посторонним предметам) непосредственно для перемещения их в радиальном направлении, отсутствует даже центрально направленная связь для передачи центрального импульса. Существующая связь между посторонним предметом и лопаткой обеспечивает передачу энергии посторонним предметам только в тангенциальном и тангециально-осевом направлениях, а радиальное перемещение предметов происходит при движении их по инерции в тангенциально-осевом направлении при повороте лопаток вместе с рабочим колесом, в котором тангенциальное направление преобразуется в радиальное. Таким образом, для перемещения предмета в радиальном направлении необходимо время, в течение которого происходит поворот лопаток, а также необходимо условие достаточности времени пребывания постороннего предмета в пределах межлопаточного пространства. В силу разных причин промежуток времени действия связи предмета с лопаткой бывает слишком мал для достижения предметом требуемого радиального перемещения. В большом числе случаев посторонние предметы покидают пределы лопатки (ее заднюю выходную кромку), не достигнув требуемого радиального положения и параметров скорости движения, необходимых для успешной сепарации за пределы входа в направляющий аппарат последующей ступени компрессора двигателя.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является формирование такой геометрии рабочей лопатки, при которой создавались бы условия для недопущения преждевременного выхода постороннего предмета из рабочего колеса, и для получения достаточного по времени послеударного контакта постороннего предмета с лопаткой, совершения вместе с ней переносного вращательного движения, в течение которого постороннему предмету становится возможным совершить радиальное относительное перемещение по лопатке, достигнуть требуемого радиального положения, и только после этого быть выпущенным за пределы лопатки с такой скоростью движения по величине и по направлению, при которых он будет в состоянии двигаясь в осевом зазоре выйти за радиальные пределы последующего НА.

Поставленная задача в предлагаемом устройстве решается путем того, что рабочие лопатки первой ступени компрессора или вентиляторной ступени в привтулочной зоне выполнены с повышенным углом изгиба профиля, так что нормаль, восставленная к поверхности корытца лопатки в хвостовой ее части имеет проекцию на ось вращения рабочего колеса ступени, при этом осевая составляющая нормали направлена навстречу осевой составляющей относительной скорости движения посторонних предметов у поверхности лопатки. При такой геометрии лопатки сила реакции, действующая на посторонний предмет со стороны лопатки по нормали также будет иметь осевую составляющую, уменьшающую осевую составляющую относительной скорости движения предмета. В результате постороннему предмету не будет предоставлена возможность быстрого прохождения и преждевременного выхода за пределы задней выходной кромки лопатки. Он будет вынужден совершать вместе с лопаткой переносное вращательное движение, при котором ему обеспечивается возможность радиального относительного перемещения по лопатке к периферии.

Факторами, способствующими возможности использования рабочих лопаток с повышенным изгибом профиля в 1-й ступени низконапорного компрессора и в привтулочной зоне вентиляторных лопаток являются:

- малая окружная скорость лопаток, поскольку речь идет о роторе компрессора низкого давления или о роторе вентилятора, имеющих пониженные обороты;

- возможность увеличения угла изгиба профиля ввиду использования широкохордных лопаток и повышенной густоты лопаточной решетки в привтулочной зоне:

- отсутствие ограничений по возможности достигнуть недопустимо высоких значений критерия Маха у местных скоростей воздушного потока;

- целесообразность применения повышенных углов изгиба профиля с целью увеличения напора в элементарных ступенях и выравнивания давления по радиусу канала.

В результате решения поставленной задачи сепарация посторонних предметов из воздушного потока, движущегося по центральной околовтулочной зоне ступени компрессора или вентилятора, к периферии потока должна осуществляться с высокой эффективностью. Ожидаемая частота прохода опасных посторонних предметов в ГВТ двигателя должна уменьшиться кратно, соответственно, при эксплуатации ГТД и ГТУ с использованием настоящего устройства

- уменьшается количество досрочно снимаемых двигателей и затраты на их заводской ремонт;

- сокращается количество ремонтов двигателей в эксплуатации, трудозатраты на зачистку лопаток от забоин, время простоя авиатехники;

- повышаются показатели надежности работы авиатехники по безопасности полетов, регулярности выполнения полетов, готовности к вылету;

- улучшаются показатели эксплуатационной технологичности и экономичности. Сущность заявляемого устройства поясняется схемами, на которых изображены:

на фиг. 1 - общий вид первой ступени низконапорного компрессора ГТУ (продольный разрез), штриховой линией показаны траектории движения посторонних предметов;

на фиг. 2 - общий вид вентиляторной ступени ГТД (продольный разрез); траектории движения посторонних предметов;

на фиг. 3 - геометрические параметры рабочей лопатки компрессора;

на фиг. 4 - поперечные сечения типовой рабочей лопатки компрессора (вентилятора) в сечениях а-а', в-в', е-е' фиг. 1, 2 и треугольники скоростей воздушного потока в сечениях. Штриховой линией показана геометрия средней линии лопатки, выполненной в соответствии с предлагаемым устройством, также штриховой линией изображены соответствующие треугольники скоростей воздушного потока;

на фиг. 5 - лопатка компрессора (вентилятора - тонкая штрихпунктирная линия), выполненная в соответствии с геометрией, предлагаемой в настоящем устройстве. На поперечных сечениях показаны точки максимального удаления профиля от линии, проходящей через переднюю (носовую) точку профиля параллельно оси вращения рабочего колеса;

на фиг. 6 - вид по стрелке К фиг. 5, совмещенные средние линии профилей лопатки в сечениях а-а', в-в', е-е';

на фиг. 7 - общий вид лопатки компрессора (вентилятора) фиг. 5 в изометрии;

на фиг. 8 - сечения двух соседних рабочих лопаток 1-й ступени компрессора (вентилятора), выполненных на разных радиусах лопатки, и треугольники скоростей движения посторонних предметов при различных условиях входа и разных вариантах геометрии профиля лопатки:

фиг. 8 (1) - выходной угол профиля β₂<90°;

фиг. 8 (2) - выходной угол профиля β₂≈90°;

фиг. 8 (3) - выходной угол профиля β₂>90°;

на фиг. 9 - схема действия инерционных сил постороннего предмета, силы реакции связи и внешней силы при взаимодействии предмета с поверхностью лопатки, при исполнении ее геометрии в соответствии с предлагаемой в устройстве - с выходным углом профиля β₂>90°;

на фиг. 10 - поперечное сечение по А-А фиг. 1, показаны траектории движения посторонних предметов в переносном (вращательном) и в относительном (тангенциально-радиальном) движениях;

на фиг. 11 - продольный разрез 1-й ступени компрессора в 2-х вариантах исполнения:

11(1) - выходной угол профиля β₂≈90°;

11(2) - выходной угол профиля β₂>90°;

также показаны траектории движения посторонних предметов (условно в одной меридиональной плоскости).

Описываемое устройство для удаления посторонних предметов включает в себя рабочее колесо ступени компрессора (вентилятора), которое состоит из рабочих лопаток 1 - фиг. 1, 2, закрепленных на вращающейся вокруг оси 0-0 втулке 2, в указанное рабочее колесо поступает воздух из входного канала - 3. Сзади по потоку воздуха за рабочим колесом расположен направляющий аппарат (НА) - 7, отстоящий от рабочего колеса на ширину осевого зазора в'-в'', пространство которого является кольцевым входом - 6 в НА - 7. С внешней стороны НА выполнен кольцевой канал 4 (фиг1), служащий для приема и удаления (сбора) отсепарированных посторонних предметов. В варианте использования устройства в компоновке вентиляторного ГТД (Фиг2) для приема и удаления отсепарированных из привтулочной зоны вентилятора посторонних предметов используется кольцевой канал поз 4' наружного контура двигателя. Кольцевая кромка 5 корпуса НА является разделителем потоков, она разделяет отсепарированные посторонние предметы, идущие в канал 4 (Фиг. 1) или 4' (Фиг. 2), от очищенного воздушного потока, направляющегося в кольцевой вход 6 и далее в НА 7 компрессора.

Сепарирующим элементом в устройстве является рабочая лопатка ступени компрессора или привтулочная часть вентиляторной лопатки, расположенная в зоне между сечениями а-а' и е-е' - Фиг. 2, из которой воздух поступает в НА-7 и далее в компрессор. На фиг. 3 показано поперечное сечение обычной рабочей лопатки компрессора (двух соседних лопаток в решетке), геометрические параметры лопатки на фиг. 3 приводятся в соответствии с [7] - стр. 33 Фиг. 2.6.

8 - лопаточный профиль (сечение);

9 - фронт решетки (совпадает с плоскостью вращения лопатки);

10 - средняя линия лопаточного профиля:

11 - хорда лопаточного профиля, прямая, соединяющая переднюю и заднюю точки профиля, длина хорды - В;

12 - шаг решетки - t, равен расстоянию между двумя одноименными точками соседних профилей;

ϑ - угол установки профиля, образуемый направлением хорды 11 и фронтом решетки 9;

β₁ и β₂ - входной и выходной утлы профиля, образуемые соответствующими касательными к средней линии профиля 10 и фронтом решетки 9;

- угол изгиба профиля,

, где β₁ и β₂ входной и выходной углы профиля;

B/t - густота лопаточной решетки.

На фиг. 4 сплошной линией показаны поперечные сечения обычной лопатки компрессора - ее средних линий профилей 10 в сечениях а-а', в-в' и е-е' Фиг. 1 и 2. Рядом с каждым сечением построены соответствующие треугольники скоростей воздушного потока сплошной линией 13. На этих же фигурах рядом со средней линией профиля 10 показаны штриховой линией 10' более изогнутые средние линии профилей, выполненные в соответствии с геометрией лопатки, предлагаемой к использованию в настоящем устройстве, и также штриховой линией 13' показаны измененные скорости воздушного потока на выходе из рабочих лопаток - скорости

и

. Здесь и далее используются общепринятые термины и обозначения абсолютных и относительных скоростей воздушного потока - см. [6]. стр. 130 и [7] стр. 29. У треугольников скоростей воздушного потока в типовой лопаточной решетке приняты обозначения:

C₁ - скорость воздушного потока на входе в решетку-:

U - окружная скорость лопатки;

W₁ - относительная скорость потока на входе;

W₂ - относительная скорость потока на выходе;

С₂ - абсолютная скорость потока на выходе;

Са, Wa - осевые составляющие скорости;

Cu, Wu - окружные составляющие скорости.

В треугольниках скоростей у лопаточных профилей, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, выходные скорости, изображенные штриховой линией, обозначены

и

.

Сравнивая геометрию обычной рабочей лопатки компрессора и лопатки, предлагаемой в настоящем устройстве, необходимо отметить следующие существенные отличия. Рабочие лопатки в устройстве имеют в поперечных сечениях профили с повышенными углами изгиба

средней линии профиля и большие утлы установки профилей в решетке - ϑ. Выходные углы профилей - β₂ имеют значения у большинства сечений больше 90°. только у периферийных сечений β₂≈90°, наибольшие значения угла β₂ имеют прикорневые сечения, они могут достигать значения β₂≈110-115°. Средние линии профилей лопатки имеют экстремальную точку М максимально удаленную от прямой 0'-0', проходящей через переднюю носовую точку профиля параллельно оси 0-0 вращения рабочего колеса. Экстремальная точка располагается в передней или серединной зоне длины средней линии профиля у прикорневых сечений лопатки. По мере возрастания радиуса расположения профиля на лопатке положение экстремальной точки смещается в сторону задней выходной точки профиля и достигает ее в сечениях, располагающихся в периферийной зоне лопатки, близкой к внешнему радиусу лопаток направляющего аппарата. По всей длине хвостовой части профиля, располагающейся сзади экстремальной точки, средняя линия профиля образует с плоскостью вращения рабочего колеса угол β' больше 90°, 90°<β'<β₂.

На фиг. 5 показан вид сбоку на лопатку компрессора (сплошной линией) и дополнение пера лопатки вентилятора (штрихпунктиром). Положение точек максимумов в сечениях обозначено буквами Ma, Mb, Me, линия 14 соединяет указанные точки и образует на поверхности корытца зону, максимально удаленную от меридианальной плоскости, проходящей через ось О-О и переднюю точку периферийного профиля - точка «е» (линия О'-О' II О-О) - фиг. 7. Линия 14 отделяет на лопатке ее хвостовую часть 15 - фиг. 5.6, загнутую навстречу вращению и расположенную в пространстве лопаточной решетки таким образом, что нормаль N - поз. 17, восставленная в точке Т, находящейся на поверхности корытца указанной хвостовой части 15, располагается под углом к оси вращения О-О и имеет проекцию на направление оси вращение рабочего колеса О-О. При этом осевая составляющая Na нормали направлена навстречу направлению осевой составляющей относительной скорости движения постороннего предмета по поверхности лопатки.

На фиг. 6, 7 видна увеличенная крутка лопатки около ее продольной оси, так что нормаль N имеет помимо окружной составляющей - Nu и осевой - Na еще и радиальную составляющую Nr, особенно выраженную в прикорневой зоне лопатки. Составляющие нормали показаны на фиг. 5, 6, а также на фиг. 7, на которой лопатка изображена в изометрии.

О возможности использования в компрессорных и вентиляторных лопатках предлагаемой геометрии с выходным утлом β₂>90° во втулочной зоне и корневых сечениях говорится, например, в [7, стр. 151, фиг. 5.9.г, стр. 152, стр. 161, фиг. 5.21.в].

В настоящем устройстве рабочие лопатки компрессора или вентилятора в привтулочной зоне по всей своей длине целеноправленно выполнены с увеличенным углом изгиба и выходным углом β₂≥90°. Именно благодаря такой геометрии они обладают новым функциональным свойством - эффективной сепарацией (перемещением) посторонних предметов в радиальном направлении в пределах ширины рабочей лопатки, а также и в осевом зазоре между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

Кинематика работы лопатки в устройстве при взаимодействии ее с посторонним предметом показана на фиг. 8, где на развертке секущей поверхности изображены сечения двух соседних лопаток и соответствующие треугольники скоростей движения предметов в тангенциально осевом направлении на входе в лопаточную решетку, в ударном и послеударном взаимодействии предметов с поверхностью лопатки. Приняты следующие допущения:

линия сечения поверхности корытца, по которой осуществляется взаимодействие, совпадает со средней линией профиля. В действительности имеется некоторое незначительное угловое различие, несущественное в хвостовой части лопатки;

треугольники скоростей движения предметов изображены в одной плоскости, при этом, в действительности они реализуются на различных радиусах лопатки:

треугольники скоростей построены для условий входа посторонних предметов с осевой скоростью Сп1, находящейся в диапазоне от 0,25U до 0,5U. где U - окружная скорость лопатки в сечении, что соответствует реальным условиям эксплуатации авиационного ГТД, например, на режиме посадки самолета и включении реверсивного режима работы двигателя - ситуация, при которой вероятность попадания посторонних предметов в воздухозаборник двигателя повышается.

Обозначения на фигурах имеют следующие значения:

U - окружная скорость лопатки в сечении;

С_П1,

- скорости посторонних предметов на входе в лопаточную решетку,

:

W_П1 - относительная скорость предмета по отношению к лопатке перед соударением;

W_П1L - относительная скорость постороннего предмета при движении его по поверхности лопатки непосредственно сразу после соударения;

W_П2 - относительная скорость предмета на выходе из решетки;

C_П2, С^I-III _П2 - абсолютные скорости предмета на выходе из решетки и в процессе движения предмета по лопатке в точках I, II. III (в хвостовой части лопатки - см. фиг 8 (3)):

,

,

,

- окружные составляющие соответствующих скоростей предмета;

C_П1а, W_П1а - осевые составляющие соответствующих скоростей предметов на входе в лопаточную решетку;

W_П2а, С_П2а, С^I-III _П2а - осевые составляющие соответствующих скоростей предмета на выходе из решетки и в процессе движения его по лопатке в точках I, II. III.

На фиг. 8(1) показано сечение обычной компрессорной лопатки с выходным углом β₂<90°. Посторонний предмет 18 подходит к лопаточной решетке с осевой скоростью C_П1, которая складываясь с окружной скоростью набегающей лопатки U образует относительную скорость предмета на подходе к лопатке W_П1, под углом атаки - i к поверхности корытца (к средней линии профиля 10). После соударения относительная скорость движения предмета по лопатке - W_П1L определяется как проекция входной относительной скорости W_П1 на касательную L-L (поз. 19) к поверхности корытца, проведенную в точке соударения. В широком диапазоне начальных условий входа относительная скорость предметов W_П1L соизмерима по величине с окружной скоростью лопатки U. При построении треугольников скоростей в качестве первого оценочного приближения считается, что W_П1L≈U. Также действительны соотношения C_П1=C_П1a=W_П1a, С_П1u=0, W_П1u=U.

При соударении в передней входной части лопатки посторонний предмет 18 будет двигаться по всей ширине лопатки до выходной кромки. На этой же фиг. 8(1) показана возможность свободного прохода посторонним предметом

части межлопаточного пространства без соударения с набегающей лопаткой, столкновение происходит лишь в хвостовой части в точке D. Подобная ситуация возникает при большом значении входной скорости

и при входе предмета с относительной скоростью

в межлопаточный канал в его начале, сразу после отходящей лопатки. В этом случае длина участка лопатки, на котором происходит взаимодействие, может быть не достаточной для придания предмету необходимого сепарационного перемещения. На последующих фигурах 8(2) и 8(3) вышеуказанная ситуация частично улучшена за счет увеличения утла изгиба профиля и угла установки, широкохордности лопатки и густоты решетки. При этом соударение в т.D происходит уже не в конце лопатки, а в ее серединной части.

На фигуре 8(1) входной треугольник скоростей постороннего предмета O₁ C_П1 W_П1 преобразуется в выходной треугольник O₁ C_П2 W_П2 (обычно не равнобедренный), при этом происходит скачкообразное увеличение (ударное) осевой составляющей скорости предмета, после соударения C_П2a>C_П1. Также при ударе происходит разворот относительной скорости W_П1 в W_П1L и далее в W_П2. В результате посторонний предмет приобретает

по величине (соизмеримую с окружной скоростью) относительную скорость W_П2 в тангенциально-осевом направлении с составляющими - осевой W_П2a и окружной W_П2u (в треугольнике O₁ W_П2a W_П2) и абсолютную скорость C_П2 с составляющими - осевой С_П2a и окружной (она же переносная) С_П2u, которая составляет лишь часть окружной скорости лопатки, в нашем случае C_П2u≈0,5U, то есть окружная скорость предмета имеет малую величину, соответственно, будет низкой сепарация предмета. В то же время относительная скорость предмета W_П2 и осевые составляющие С_П2a и W_П2a имеют высокие значения, соизмеримые с окружной скоростью лопатки.

В результате посторонний предмет проходит вдоль корытца лопатки с большой относительной скоростью W_П2a, не успев приобрести радиальную составляющую скорости и совершить сколь-либо значимое радиальное перемещение, покидает пределы лопатки не получив от нее сепарирующего воздействия. В итоге траектории посторонних предметов получаются с малым подъемом в радиальном направлении, и предметы, в основной своей массе, не достигают кольцевой кромки 5 фиг. 1, 2 - траектории предметов показаны штриховыми линиями. Только небольшая часть посторонних предметов, движущихся в периферийной зоне е-е'. может достигнуть указанную кольцевую кромку 5, остальные посторонние предметы проходят в ГВТ двигателя.

На фиг. 8(2) показано сечение профиля лопатки 10 с выходным углом β₂≈90° и наличием в непосредственной близости от выходной кромки профиля экстремальной точки М. также показано, что даже при неблагоприятных условиях входа соударение постороннего предмета с лопаткой в т. D происходит в серединной ее части. Входной треугольник скоростей постороннего предмета O₁ С_П1 W_П1 при ударе предмета о поверхность лопатки и в послеударном контакте преобразуется в выходной треугольник O₁ С_П2 W_П2, у которого также, как и в предыдущем случае (фиг. 8(1)) осевая составляющая скорости предмета Ста принимает высокое значение С_П2a>С_П1, кроме того, в выходном треугольнике относительная скорость предмета W_П2 принимает осевое направление. Составляющая относительной скорости предмета в тангенциальном направлении - W_П2u=0, то есть вся энергия окружной скорости лопатки передается постороннему предмету C_П2u=U. Данный результат является следствием силового воздействия лопатки на посторонний предмет, которое становится возможным в связи с наличием на лопатке участка около экстремальной точки М, где сила реакции лопатки, направленная по нормали к ее поверхности, находится в плоскости вращения рабочего колеса, а выходной угол β₂≈90°. Однако посторонний предмет, приобретя высокое значение окружной составляющей, все-таки не успевает реализовать свой сепарационный потенциал по причине высокого значения осевой составляющей относительной скорости W_П2a, вследствие чего также, как и в предыдущем случае - см. фиг. 8 (1), посторонние предметы в основной своей массе проходят вдоль лопатки с большой скоростью и покидают ее не успев приобрести ни радиальной скорости, ни радиального перемещения и в итоге не достигают кольцевой кромки 5 - фиг. 11 (1). а проходят в НА - 7. Только из кольцевой периферийной зоны d-e предметы могут попасть в кольцевой канат 4. Траектории движения посторонних предметов обозначены толстой штриховой линией при взаимодействии с лопаткой, имеющей β₂≈90°. Для сравнения здесь же показаны тонкой штриховой линией траектории предметов при взаимодействии их с лопатками с выходным утлом β₂<90°. (что соответствует траекториям на фиг. 1, 2).

В соответствии с настоящим изобретением лопаточные профили с выходным утлом β₂≈90° могут быть использованы преимущественно в периферийной зоне рабочей лопатки компрессора и аналогично в вентиляторной лопатке - на периферии привтулочной зоны. Применение подобного профиля в серединной и прикорневой зоне лопатки не обеспечивает требуемого сепарационного перемещения предметов.

На фигуре 8(3) показано сечение средней линии типового профиля лопатки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением - с выходным углом β₂>90°. В лопаточной решетке посторонние предметы достигают поверхности лопатки даже при неблагоприятных условиях не далее точки D, находящейся в передней или средней зоне длины профиля лопатки. В непосредственной близости от т.D расположена экстремальная точка М, после которой хвостовая часть профиля выполнена с текущим утлом

(угол между средней линией профиля и плоскостью вращения 16 рабочего колеса, при этом плоскость вращения 16 и фронтовая плоскость 9 параллельны между собой). На хвостовой части вдоль профиля обозначены три точки: т. I - совпадает с (или близка к) т.М, т. II - расположена в середине между выходной (хвостовой) точкой профиля и т. I, т. III - совпадает с выходной (хвостовой) точкой.

Рассматривается случай движения постороннего предмета от точки на профиле, лежащей во входной зоне лопатки. Тогда двигаясь по лопатке посторонний предмет будет последовательно реализовывать уже рассмотренные случаи 8(1) - на участке профиля от входной точки до т.D, 8(2) - на участке от входной точки до т. I, соответствующей экстремальной точке М, с уже рассмотренными треугольниками скоростей движения постороннего предмета. В случае 8(3) после прохождения предметом т. I на профиле остается еще хвостовой участок лопатки, и посторонний предмет не покидает пределы лопатки, как в случаях 8(1) и 8(2), а двигаясь по указанному хвостовому участку в относительном движении вынужден перемещаться вместе с вращающейся лопаткой с наращиванием окружной скорости как на радиусе вращения, так и за счет наращивания радиуса своего радиального положения при повороте лопатки. Благодаря геометрии лопатки при взаимодействии постороннего предмета с поверхностью хвостовой части, имеющей β'>90°, формируется сила реакции, значительная по величине и имеющая осевую составляющую, направленную навстречу осевой составляющей скорости относительного движения предмета по лопатке -

. В результате тормозящего действия указанной силы реакции осевая составляющая скорости предмета при движении его по хвостовой части корытца от точки I до точки III уменьшается, посторонний предмет не покидает пределы лопатки (заднюю выходную кромку) при малом радиусе его положения, а текущие последовательно по времени треугольники скоростей приобретают вид O1

, O1

, O1

, при этом в последнем выходном треугольнике в точке III формируется наименьшее значение осевой составляющей абсолютной скорости -

, наибольшая тангенциальная (переносная) скорость -

, а также наибольшая радиальная составляющая относительной скорости -

, которая показана на схеме фиг. 11(2) и является следствием наибольшего утла поворота лопатки в точке III, и наибольшей окружной скорости.

На фиг. 9 показано сечение 10' средней линии лопатки компрессора фиг.4, вращающейся по стрелке U вокруг оси О-О и одновременно перемещающейся вдоль оси по стрелке НП (направление полета), а также схема сил, действующих на посторонний предмет 18. Взаимодействие постороннего предмета с лопаткой осуществляется по типу односторонней связи свободного тела, перемещающегося по гладкой и твердой поверхности корытца, при этом действие силы реакции связи направлено по нормали N (поз. 17) к поверхности взаимодействия. Поскольку в описываемой геометрии лопатки в хвостовой ее части β'>90° и нормаль имеет осевую составляющую, то и сила реакции, действующая по нормали, также имеет осевую составляющую.

Схема сил, действующих на фиг. 9, построена на основании следующих положений механики. Известно, что при движении материальной точки в любой момент времени приложенные к ней активные силы и силы реакции связей вместе с силами инерции образуют систему сил эквивалентную нулю [9 - стр. 470]. Также известно, что «абсолютное ускорение точки является векторной суммой трех ускорении: относительного, переносного и ускорения Кориолиса» [9 - стр. 157]. Данное утверждение верно и для соответствующих инерционных сил. Обозначение сил на фиг. 9:

F_Σ - сумма инерционных сил постороннего предмета в проекции на плоскость вращения 16 от вышеуказанных ускорений - переносного, относительного и Кориолисова:

Fинерц. - инерционная сила постороннего предмета в относительном движении, в проекции на осевое направление О-О;

Fаэр - аэродинамическая сила, действующая на посторонний предмет со стороны воздушного потока. Данная сила является активной (внешней), образует составляющую в осевом направлении;

F_RΣN - общая сила реакции, действующая на посторонний предмет со стороны лопатки по нормали N к поверхности лопатки, замыкающая вышеперечисленные силы в нулевую систему;

F_RΣ - проекция суммарной силы реакции F_RΣN на плоскость вращения 16, равна по величине и противоположна по направлению F_Σ;

F_RΣa - проекция суммарной силы реакции F_RΣN на осевое направление О-О, является силой, тормозящей осевое движение постороннего предмета по поверхности лопатки.

В соответствии со схемой фиг. 9 осевая составляющая F_RΣa от общей силы реакции F_RΣN является осевой силой, тормозящей посторонний предмет в его осевом относительном движении по поверхности лопатки. Благодаря снижению осевой составляющей относительной скорости движения посторонний предмет не «проскакивает» лопатку за короткий временной промежуток, а продолжает движение с ней в переносном вращательном движении, одновременно перемещаясь в радиальном направлении и приобретая большие значения окружной и радиальной составляющих абсолютной скорости движения.

На фиг.10 показаны поперечный разрез по А-А (фиг. 1), цилиндрические сечения с радиусами a, b, d, е, изображенные штрихпунктирной линией в виде концентрических полуокружностей с центром в точке О. Радиус разделительной кольцевой кромки 5 совпадает с радиусом сечения «е». Также показаны азимутальные положения лопатки с интервалом по азимуту в 0.5 радиана и условно указано время прохождения указанных положений лопаткой, начиная от нулевого (вертикального) в миллисекундах для принятой частоты вращения ротора компрессора низкого давления ~4800 об/мин (~0,5 рад/мс). На этой же фигуре показана траектория движения постороннего предмета, вошедшего во взаимодействие с лопаткой в зоне прикорневого радиуса «а» лопатки в начальной (носковой) части профиля, траектория обозначена штриховой линией поз. 20. В случае взаимодействия с обычной компрессорной лопаткой посторонний предмет двигаясь по указанной траектории проходит выходную кромку профиля как в рассмотренных ранее случаях на фиг. 8(1) и 8(2) при повороте на угол 0,25-0,5 рад (за время 0,5-1,0 мс). В последующем движении предмет не успевает выполнить сепарационное (радиальное) перемещение и попадает во вход направляющего аппарата 7 (см. фиг. 11(1)).

В случае взаимодействия с лопаткой, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и, соответственно, осуществления интенсивного торможения постороннего предмета (уменьшения осевой составляющей) после прохождения им экстремальной точки М (точка I) посторонний предмет не «проскакивает» лопатку, а совершает вместе с ней вращательное переносное движение и одновременно движется в радиальном направлении. В итоге предмет достигает выходную кромку профиля в точке Ш, совершив поворот вместе с лопаткой на угол, равный 1,25-1,5 радиана, что соответствует промежутку времени контактного взаимодействия предмета с лопаткой 2,5-3,0 мс. При этом посторонний предмет в процессе переносного движения вместе с лопаткой перемещается в относительном движении в радиальном направлении, достигает радиального положения, соответствующего некоторому среднему радиусу лопатки (например, радиусу «b»). В этой зоне посторонний предмет приобретает составляющую скорости в радиальном направлении -

(окружная скорость лопатки на радиусе «а» - радиус начального контактного взаимодействия предмета с лопаткой) и окружную составляющую -

(окружная скорость лопатки на радиусе «b»). В этот момент, когда посторонний предмет достигает радиуса «b», он покидает лопатку (заднюю кромку) и движется далее в межосевом зазоре b'-b'' входа 6 (см. также фиг. 11 (2)) между рабочим колесом и направляющим аппаратом в тангенциально-радиальном осевом направлении с такой скоростью

, при которой предмет достигает радиуса разделительной кольцевой кромки 5, находясь в пределах кольцевого входа 6 - до прохождения его в НА 7.

На фиг. 11 (2) показан продольный разрез первой ступени компрессора с лопатками, имеющими выходной угол профилей β₂>90°, также показаны траектории движения посторонних предметов. Все траектории движения предметов имеют выраженную радиальную составляющую и все достигают кромку 5. Наибольшее радиальное перемещение происходит у предметов, движущихся от прикорневого сечения лопатки с радиусом «а». В пределах хвостовой части лопатки посторонний предмет перемещается от точки I (располагающейся рядом с экстремальной точкой Ma) до точки III на радиусе «b», где заканчивается контактное взаимодействие предметов с лопаткой, далее он движется по кольцевому входу 6 с окружной составляющей скорости

и радиальной составляющей

и с осевой составляющей

(кратно меньшей окружной скорости лопатки - см. фиг. 8 (3)). Находясь в осевых пределах входа 6 (осевое расстояние b'-b'') посторонний предмет достигает радиуса кромки 5 и входит в кольцевой канал 4. Величина поперечного сечения канала 4 - размер h фиг. 1 выполнена не меньше поперечных размеров основной массы посторонних предметов, подлежащих удалению из воздушного потока, и не больше (соизмеримой) величины шага t решетки направляющего аппарата - 7 (сечение В-В фиг. 1).

С целью ускорения начала действия сепарационного процесса и его интенсификации у посторонних предметов, движущихся в прикорневой зоне лопатки, в указанной прикорневой зоне хвостовой части лопатки поверхность корытца выполнена с наклоном в сторону обратную направлению вращения лопатки. Наклон образован за счет смещения профилей вдоль радиуса, в том числе и за счет крутки лопатки, а также за счет переменной толщины профилей. Благодаря наклону поверхности нормаль N - поз. 17 (фиг. 5, 6) к поверхности корытца имеет радиальную составляющую Nr, направленную от центра к периферии. В результате у силы реакции лопатки, направленной по нормали к поверхности, также образуется радиальная составляющая, действующая сразу начиная с ударного взаимодействия постороннего предмета с поверхностью корытца лопатки, при котором происходит ударное преобразование осевой и тангенциальной составляющих относительной скорости предмета в радиальную составляющую. При этом у постороннего предмета формируется Кориолисово ускорение и Кориолисова сила, которая по мере радиального перемещения предмета по поверхности корытца имеющей с плоскостью вращения 16 текущий угол β'>90°, также способствует формированию значимой по величине осевой составляющей силы реакции F_RΣa (фиг. 9), тормозящей осевую составляющую скорости предмета от

до

(фиг. 8(3)) в его относительном движении по лопатке и не позволяющей предмету преждевременно покинуть пределы лопатки.

Источники информации

1. А.А. Иноземцев, Е.А. Коняев, В.В. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Ряссов ПС-90А Авиационный двигатель, Москва, Либра-К 2007 г.

2. Двигатель ПС-90А. Руководство по технической эксплуатации 94-00-807РЭ, издание ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь 1990 г.

3. Патент Ru №2198311, 03.01.2001, F02C 7/052.

4. Патент Ru №2594832, 05.02.2015, F02C 7/052, F04D 29/70.

5. Патент Ru №2578789, 25.08.2014, F02C 7/052. F04D 29/70.

6. Б.С. Стечкин, П.К. Казанджан. Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров. Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины. Государственное издательство Оборонной промышленности, Москва 1956 г.

7. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Москва. Машиностроение 1978.

8. Ю.А. Ржавин, О.Н. Емин, В.Н. Карасев. Лопаточные машины двигателей летательных аппаратов. Теория и расчет. Москва. Издательство МАИ-ПРИНТ 2008 г.

9. Курс теоретической механики под редакцией К.С. Колесникова. Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2005 г.

Claims (1)

1. Устройство для удаления посторонних предметов из воздушного потока первой ступени осевого компрессора или привтулочной зоны вентиляторной ступени газотурбинного двигателя, из которой воздух поступает во внутренний контур двигателя, имеющее в своем составе рабочее колесо компрессорной или вентиляторной ступени, представлющее собой втулку с закрепленными на ней лопатками, направляющий аппарат, расположенный сзади по потоку воздуха на некотором осевом расстоянии от рабочего колеса, кольцевой канал, выполненный снаружи вышеуказанного направляющего аппарата, предназначенный для приема и отвода отсепарированных посторонних предметов, в случае вентиляторной ступени роль указанного кольцевого канала выполняет наружный контур вентиляторного двигателя, отличающееся тем, что рабочие лопатки первой ступени компрессора или вентиляторной ступени в привтулочной зоне имеют такую геометрическую форму хвостовой части лопатки и такое расположение ее по отношению к оси вращения рабочего колеса, при которых нормаль, восставленная к поверхности корытца лопатки в хвостовой ее части, дает проекцию на ось вращения рабочего колеса и, соответственно, образует осевую составляющую нормали, направленную навстречу осевой составляющей относительной скорости воздушного потока и посторонних предметов по поверхности лопатки, кроме того, поверхность корытца хвостовой части лопатки в прикорневой ее зоне имеет наклон к радиальному направлению в сторону, противоположную направлению вращения, так что нормаль, восставленная к поверхности корытца в прикорневой зоне, образует радиальную составляющую, направленную от центра к периферии, средняя линия профиля лопатки имеет экстремальную точку, максимально удаленную от прямой, лежащей в плоскости средней линии профиля и проходящей через переднюю носовую точку профиля параллельно оси вращения рабочего колеса, экстремальная точка располагается в передней или серединной зоне длины средней линии профиля в прикорневых сечениях лопатки, по мере возрастания радиуса расположения профиля на лопатке положение экстремальной точки смещается в сторону задней выходной точки профиля и достигает указанную точку в сечениях, располагающихся в периферийной зоне лопатки, близкой к внешнему радиусу лопаток направляющего аппарата, у большинства сечений лопатки часть профиля, расположенная сзади экстремальной точки, имеет среднюю линию профиля, образующую с плоскостью вращения рабочего колеса угол больше 90°, приведенные выше геометрические параметры поверхности лопатки и ее профилей выполнены исходя из условия формирования таких сил реакции, действующих со стороны лопатки на посторонние предметы, при которых основной массе посторонних предметов в широком спектре их геометрических размеров и начальных условий на входе в ступень будет оказано воздействие, достаточное для перемещения посторонних предметов в радиальном направлении и входа их в кольцевой канал снаружи направляющего аппарата компрессорной ступени или в наружный контур вентиляторного двигателя.

Images