Лопатка компресора з рециркуляцією примежового шару для керування відривом потоку

Реферат: Направляюча лопатка осьового компресора містить пристрій для керування примежовим шаром, що включає: сукупність щілин на спинці лопатки для відбору та подачі примежового шару повітря; внутрішню порожнину лопатки; ресивер над торцем лопатки для накопичення повітря з внутрішньої порожнини лопатки; трубопровід, який з'єднує внутрішню порожнину лопатки і ресивер. Для запобігання відриву примежового шару верхня стінка ресивера оснащена рухомим елементом зворотно-поступальної дії для організації періодичного всмоктування та видування повітря примежового шару, через сукупність послідовно розміщених щілин, які в залежності від положення рухомого елемента, періодично працюють то на всмоктування, то на видування повітря. UA 111529 C2 (12) UA 111529 C2 UA 111529 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до газотурбінних двигунів, зокрема направляючих лопаток осьових компресорів, та дозволяє підвищити ефективність і газодинамічну стійкість компресора, шляхом відбору та підведення (рециркуляції) робочого тіла в зону виникнення відривної течії лопаткових вінців направляючих і спрямляючих апаратів ступенів осьових компресорів. Добре відомо, що відрив потоку - є основним фактором різкого зменшення аеродинамічних характеристик компресорів, призводить до зниження робочих діапазонів і зменшення енергоефективності компресора. Потік у примежовому шарі на поверхні профілю характеризується зниженням швидкості та утворенням її значних градієнтів, за рахунок поверхневих сил тертя. Падіння швидкості призводить до зниження імпульсу потоку, що визначається як добуток густини робочого тіла на квадрат його швидкості. Частина імпульсу та енергії потоку вздовж поверхні профілю витрачається на подолання сил тиску та тертя, а інша частина починає відділятись від стінок профілю, в результаті чого спостерігається відрив примежового шару. Відрив примежового шару може бути ліквідований за рахунок збільшення імпульсу потоку в зоні його локації. Збільшення імпульсу може бути досягнуте з використанням генераторів вихорів, розміщених вздовж поверхні профілю (A. Qayoum. V. Gupta, and P.K. Panigrahi. Turbulent Boundary Layer Manipulation using Synthetic Jet Actuation, WCE 2009, July 1-3, 2009, London, U.K.). За їх допомогою, відбувається перерозподіл потоку, шляхом відведення частини низькоімпульсного потоку з поверхні профілю та подальшим підведенням високоімпульсного потоку в зону виникнення відриву. Проте, добре відомо, що генератори вихорів утворюють шкідливий опір, обмежуючий ступінь перерозподілу примежового шару, який може бути практично ліквідований. Інший відомий підхід усунення відриву полягає в безперервному підведенні та відсмоктуванні високоенергетичного потоку з поверхні профілю (US 2759663 А1, 21.08.1956). Відсмоктування вище лінії відриву забезпечує усунення частини низькоінерційного потоку з поверхні профілю, а утворена в результаті пустота на поверхні починає заповнюватись частиною високоінерційного потоку, відібраного над його поверхнею. Представлені методи певною мірою забезпечують прилягання потоку шляхом підведення циклічних збуджень в примежовий шар, що впливають на зміщення вихрових структур. Проте, обидва із описаних методів керування відривними течіями потребують наявності джерела накопичення та підведення енергії на поверхню профілю. Практичне застосування описаних підходів має ряд обмежень, спричинених їх високою вартістю, складністю конструктивного виконання та значним приростом ваги системи з їх залученням. Найбільш близький до запропонованого технічного рішення аеродинамічний профіль оснащений порожнинами та щілинами (US 6109566 А, 29.08.2000). Порожнини застосовуються для накопичення енергії й розташовуються в тілі профілю. Щілини розміщені на поверхні профілю і використовуються для відсмоктування та вдування робочого тіла в примежовий шар. Недоліком методу є його вузький експлуатаційний діапазон, що обумовлений конструктивним обмеженням об'ємів порожнин аеродинамічного профілю. Також слід зауважити, що в представленому методі відсутня можливість визначення режиму роботи системи при заданих навантаженнях. Суть технічної задачі, на вирішення якої направлений винахід що заявляється, полягає в покращенні властивостей примежового шару та можливості запобігання його відриву і, як наслідок, забезпечення підвищеного рівня аеродинамічного навантаження лопаток, розширення експлуатаційного діапазону компресора та збільшення запасу його газодинамічної стійкості шляхом нового конструктивного виконання лопатки компресора. Технічне рішення полягає в тому, що для керування відривом потоку застосовуються резонатори на поверхні лопаток. Резонатор (фіг. 1) складається з отвору 1 - діаметром D , порожнини 2 - об'ємом V , горла 3 - висотою h . В залежності від частоти вимушених коливань потоку в ступені компресора, яка залежить від конструкції та режиму роботи ступеня, розраховуються геометричні параметри резонатора для забезпечення необхідної резонансної частоти власних коливань, яка розраховується за формулою fc  55 C0 S  2 V h , де fc - загальна резонансна частота власних коливань системи, Гц; C0 - швидкість звуку в повітрі (340 м/с); S - площа поперечного перерізу горла порожнини, м2; V - об'єм резонатора, м3; 1 UA 111529 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 h - висота отвору, м. На практиці, в зв'язку з певними конструктивними обмеженнями лопаток, не вдається забезпечити необхідні конструктивні розміри резонансних порожнин. Для зняття таких обмежень, над лопаткою встановлюється ресивер 4 (фіг. 2), яка розміщується над корпусом осьового компресора і виконує роль додаткового ресивера (об'єму) для накопичення енергії робочого тіла. Вона, за допомогою перехідного каналу 3, з'єднується з резонансною порожниною 2 і утворює систему послідовно з'єднаних резонаторів. Керування системою резонаторів може здійснюватись додатково встановленим рухомим елементом 5 (фіг. 2). Рециркуляція примежового шару здійснюється наступним чином. В результаті зворотнопоступального руху рухомого елемента (5) в ресивері (4) періодично підвищується та знижується тиск, що призводить до періодичного всмоктування та видування повітря примежового шару через щілини (1). При всмоктуванні, повітря примежового шару надходить до внутрішньої порожнини (2) лопатки та, проходячи через трубопровід (3), накопичується в ресивері (4). При зворотній дії рухомого елемента (5) накопичене повітря з ресивера рухається в зворотному напрямку і видувається через ті самі щілини в примежовий шар. Також рециркуляція примежового шару може відбуватись в пасивному режимі (поступальнозворотний рух рухомого елемента (5) - відсутній), при цьому під час обтікання поверхні лопатки з сукупністю щілин на спинці (6) повітрям, на зрізі щілин утворюється відривна течія яка генерує періодичні хвилі розрідження та ущільнення повітря, в результаті чого відбувається періодичне всмоктування та видув повітря примежового шару через щілини (1). При всмоктуванні, повітря примежового шару надходить до внутрішньої порожнини (2) лопатки та, проходячи через трубопровід (3), накопичується в ресивері (4). При досягненні тиску в ресивері (4) більше тиску повітря на зрізі щілин, накопичене повітря з ресивера рухається в зворотному напрямку і видувається через ті самі щілини в примежовий шар. Таким чином, лопатка осьового компресора містить сукупність послідовно розміщених щілин (фіг.1, фіг. 2 поз. 1) з'єднаних з порожниною за допомогою каналів (фіг. 1 поз. 3). Порожнина розташована в тілі лопатки (фіг.1 фіг. 2 поз. 2) і має зв'язок з ресивером (фіг. 2 поз. 4) за допомогою трубопроводу (фіг 2 поз. 3). Щілини на поверхні лопаток ступеня осьового компресора можуть бути виконані під різними кутами нахилу відносно до хорди лопатки (фіг. 3). Лопатки осьового компресора можуть набиратись у сегменти з незалежним ресивером (фіг. 2 поз. 4) та встановлюватись із загальним ресивером (фіг. 4 та 5). Рухомий елемент 5 (фіг. 2) може бути виключеним із конструкції, якщо відсутня необхідність його використання. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких зображено: на фіг. 1 - лопатка компресора з резонатором; на фіг. 2 - лопатка компресора загальний вигляд з окремим ресивером; на фіг. 3 кути нахилу щілин на поверхні лопаток компресора відносно до потоку; на фіг. 4 - сегмент направляючих лопаток компресора із загальним ресивером; на фіг. 5 - вінець направляючих лопаток компресора із загальним ресивером. Нове конструктивне виконання направляючих лопаток компресора забезпечує наповнення епюри швидкості аеродинамічних профілів, збільшує експлуатаційний діапазон їх безвідривного обтікання, а також підвищує стійкість та ефективність використання компресора в цілому. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Направляюча лопатка осьового компресора, що містить пристрій для керування примежовим шаром, що включає: сукупність щілин на спинці лопатки для відбору та подачі примежового шару повітря; внутрішню порожнину лопатки; ресивер над торцем лопатки для накопичення повітря з внутрішньої порожнини лопатки; трубопровід, який з'єднує внутрішню порожнину лопатки і ресивер, яка відрізняється тим, що верхня стінка ресивера оснащена рухомим елементом зворотно-поступальної дії для організації періодичного всмоктування та видування повітря примежового шару, через сукупність послідовно розміщених щілин, які в залежності від положення рухомого елемента, періодично працюють то на всмоктування то на видування повітря. 2 UA 111529 C2 3 UA 111529 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4