Лопатка робочого колеса осьового компресора

Реферат: Лопатка робочого колеса осьового компресора, перо якої утворене периферійною і втулковою торцевими поверхнями, сторонами тиску і розрідження, з'єднаними зі сполученими між собою тороїдальними поверхнями вхідної і вихідної кромок, і містить поперечні перерізи, розташовані уздовж осі центрів тяжіння профілів по висоті, профіль кожного поперечного перерізу пера лопатки уздовж лінії потоку газу виконаний симетричним відносно середньої лінії, розташованої по одну сторону хорди. Тороїдальні поверхні вхідної кромки сполучені між собою уздовж криволінійної осі, зігнутої тангенціально у площині, перпендикулярній меридіональній площині лопатки. Крім цього формою цієї осі і монотонною змінністю кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і периферійною торцевою поверхнею, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і втулковою торцевою поверхнею, при цьому довжина хорди профілю поперечного перерізу пера лопатки монотонно збільшується по висоті, а значення геометричного кута нахилу дотичної до середньої лінії профілю відносно колового напрямку у кожному поперечному перерізі пера лопатки визначається певним співвідношенням. UA 114826 U (54) ЛОПАТКА РОБОЧОГО КОЛЕСА ОСЬОВОГО КОМПРЕСОРА UA 114826 U UA 114826 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить для використання в області енергетичного машинобудування, а саме в осьових компресорах газотурбінних двигунів. Із існуючого рівня техніки відома лопатка робочого колеса компресора турбомашини, утворена сторонами тиску і розрідження, що проходять по висоті лопатки від втулкової поверхні до периферійної і поміж передньою і задньою кромками, при цьому поперечні перерізи відомої лопатки мають зігнуту лінію центрів тяжіння перерізів або тангенціально, або в осьовому напрямку, або в обох напрямках для покращення характеристик (патент RU 2220329, опубл. 27.12.2003). Корисна модель забезпечує підвищення ефективності ступеня компресора, проте застосування стандартної форми середньої лінії при профілюванні поперечних перерізів лопатки, а саме в області радіального зазору, а також сталість хорди профілів у відповідних перерізах уздовж висоти лопатки обмежує підвищення ККД ступеня компресора і збільшення запасу по зриву потоку. Відома лопаткова решітка турбомашини, профільні перерізи лопаток якої на меридіональних поверхнях мають зігнуту середню лінію, розташовану по одну сторону відносно хорди і сполучену з останньою в задній точці профілю під гострим кутом нахилу, величина якого на ділянці від задньої точки до вершини зігнутості спочатку монотонно зростає, а потім повільно спадає (патент UA 69501, опубл. 15.09.2004). Така форма профілю відомої лопатки знижує остаточну градієнтність потоку на виході з міжлопаткових каналів і призводить до підвищення ККД лопаткових вінців. Проте розрахункові і експериментальні дослідження показують, що недоліком даного технічного рішення є підвищені вторинні втрати в зоні торцевих поверхонь, в області радіального зазору, при наявності радіальної нерівномірності потоку на вході і значних кутах повороту потоку (від 25° до 50°). Найближчим аналогом корисної моделі є лопатка робочого колеса осьового компресора, яка має периферійну і втулкову торцеві поверхні, що сполучені між собою тороїдальними поверхнями вхідної і вихідної кромок, сторони тиску і розрідження, вісь центрів тяжіння профілів поперечних перерізів якої містить тангенціальну складову з подвійним згином, при цьому перший згин має початкове відхилення уперед від хвостовика лопатки до сторони підвищеного тиску, а другий згин сполучається з першим згином і має відхилення назад до сторони низького тиску, а профіль кожного поперечного перерізу пера лопатки вздовж лінії потоку газу виконаний симетричним відносно середньої лінії, розташованої по одну сторону хорди (патент RU 2228461, опубл. 10.05.2004). Така форма відомої лопатки зменшує напруження від дії центробіжних сил і покращує аеродинамічні характеристики лопаткового вінця завдяки зниженню вторинних втрат. Недоліком даного технічного рішення є неоптимальна з точки зору зменшення вихору перетікання в радіальному зазорі форма профілю відомої лопатки, а також використання стандартної форми середньої лінії при профілюванні поперечних перерізів лопатки, тому використання такої лопатки має резерв по зниженню аеродинамічних втрат в ступені осьового компресора і покращенню її характеристик. Задачею, на вирішення якої направлена корисна модель, що заявляється, є підвищення ефективності робочих коліс осьових компресорів газотурбінного двигуна шляхом їх аеродинамічного удосконалення за рахунок зниження вторинних втрат, зменшення перетікання у радіальному зазорі. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в лопатці робочого колеса осьового компресора, перо якої утворене периферійною і втулковою торцевими поверхнями, сторонами тиску і розрідження, з'єднаними зі сполученими між собою тороїдальними поверхнями вхідної і вихідної кромок, і містить поперечні перерізи, розташовані уздовж осі центрів тяжіння профілів по висоті, а профіль кожного поперечного перерізу пера лопатки уздовж лінії потоку газу виконаний симетричним відносно середньої лінії, розташованої по одну сторону хорди, згідно з корисною моделлю, що заявляється, тороїдальні поверхні вхідної кромки сполучені між собою уздовж криволінійної осі, зігнутої тангенціально у площині, перпендикулярній меридіональній площині лопатки, крім того, формою цієї осі і монотонною змінністю кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і периферійною торцевою поверхнею, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і втулковою торцевою поверхнею, при цьому довжина хорди профілю поперечного перерізу пера лопатки монотонно збільшується по висоті, а значення геометричного кута нахилу дотичної до середньої лінії профілю відносно колового напрямку у кожному поперечному перерізі пера лопатки визначається наступним співвідношенням: ij  i  (a0i  (Bij / Bi )3  a1i  (Bij / Bi )2  a2i  (Bij / Bi ))  1гi , де i - кут згину профілю (кут між дотичними до середньої лінії, проведеними у точках її перетину з контуром профілю); 1 UA 114826 U 1гi - кут нахилу середньої лінії профілю відносно колового напрямку у точці її перетину з хордою на вхідній кромці (геометричний кут входу профілю); B i - довжина осьової проекції хорди профілю; B ij - відстань уздовж осьової проекції хорди профілю від вхідної кромки до розглядуваного 5 поздовжнього перерізу; i - номер розглядуваного поперечного перерізу по висоті пера лопатки; j - номер розглянутого поздовжнього перерізу профілю уздовж його хорди, а коефіцієнти a 0i , a1i , a 2i визначаються системою рівнянь: a 0i  a1i  a 2i  1   C0  h0 2  (1  C 0  C1  C 2 )  h0  C 2  a 0i  0,25 3  a1i  0,25 2  a 2i  0,25 ,  C  h 2  (1  C  C  C )  h  C  a  0,78 3  a  0,78 2  a  0,78 3 4 5 0 5 0i 1i 2i  3 0 10 15 20 25 30 35 40 45 h 0 - відносна висота лопатки, яка визначається співвідношенням: h0  (hi  h1) /(h2  h1) , де hi - поточна координата поперечного перерізу лопатки по висоті; h1 - координата втулкової торцевої поверхні лопатки по висоті; h 2 - координата периферійної торцевої поверхні лопатки по висоті, C0 , C1 , C2 - константи, що визначають площу мінімального проходного перерізу міжлопаткового каналу решітки, а C3 , C 4 , C5 - константи, що визначають форму вихідної кромки профілю, при цьому: C0 - константа, що вибирається в межах 0,7  0,5 ; C1 - константа, що вибирається в межах 0,5  10 ; , C2 - константа, що вибирається в межах 0  0,5 ; C3 - константа, що вибирається в межах 10  10 ; , , - константа, що вибирається в межах 0,45  0,2 ; C4 C5 - константа, що вибирається в межах 0,8  14 . , Виходячи з цього: Профілі поперечних перерізів пера лопатки робочого колеса можуть мати S-подібну форму середньої лінії в периферійній частині лопатки (від перерізу, відповідного h0  0,75 , до перерізу, відповідного h0  10 ), при цьому довжина хорди профілю монотонно збільшується від перерізу, , відповідного h0  0,75 , до перерізу, відповідного h0  10 , а тангенціальним згином осі , тороїдальної поверхні вхідної кромки і монотонним зміненням кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження лопатки і периферійною торцевою поверхнею. Профілі поперечних перерізів пера лопатки робочого колеса можуть мати S-подібну форму середньої лінії по всій висоті лопатки, при цьому довжина хорди профілю монотонно збільшується від середнього перерізу до периферійного або від втулкового перерізу до периферійного, а тангенціальним згином тороїдальної поверхні вхідної кромки і монотонним змінюванням кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження лопатки і периферійною торцевою поверхнею, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і втулковою торцевою поверхнею. Технічним результатом, що забезпечується наведеною сукупністю ознак, є зменшення коефіцієнта втрат повного тиску в робочому колесі осьового компресора шляхом забезпечення безвідривного обтікання уздовж торцевих поверхонь і зменшення вихору перетікання у радіальному зазорі, зниження остаточної градієнтності потоку на виході з міжлопаткових каналів робочого колеса, що призводить до підвищення ККД компресора і збільшення газодинамічної стійкості (запасу по зриву потоку). На фіг. 1 показана профільована лопатка робочого колеса осьового компресора зі сторони бокової аеродинамічної поверхні тиску; на фіг. 2 показаний вид пера лопатки робочого колеса у складі ступеня осьового компресора на меридіональній поверхні; 2 UA 114826 U 5 10 15 20 25 на фіг. 3 показаний поперечний переріз решітки профілів лопаток робочого колеса в ортогональній системі координат (x0, у0). Перо заявленої профільованої лопатки 1 робочого колеса осьового компресора, ротор якого обертається за годинниковою стрілкою навколо осі 2 (вид по ходу газу), утворене периферійною торцевою поверхнею 3 і втулковою торцевою поверхнею 4, сторонами тиску 5 і розрідження 6, з'єднаними зі сполученими між собою тороїдальними поверхнями вхідної 7 і вихідної 8 кромок, і містить поперечні перерізи 9, розташовані уздовж осі центрів тяжіння 10 профілів 11 по висоті, профіль 11 кожного поперечного перерізу 9 пера лопатки 1 уздовж лінії потоку газу 12 виконаний симетричним відносно середньої лінії 13, розташованої по одну сторону хорди 14, при цьому тороїдальні поверхні вхідної кромки 7 сполучені між собою уздовж криволінійної осі 15, зігнутої тангенціально в площині, перпендикулярній меридіональній площині лопатки z0x, а формою цієї осі і монотонним зміненням кута установки профілю 11 поперечного перерізу 9 лопатки 1 по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 і периферійною торцевою поверхнею 3, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 і втулковою торцевою поверхнею 4, при цьому довжина хорди 14 профілю поперечного перерізу 9 пера лопатки 1 монотонно збільшується по висоті, а значення геометричного кута нахилу дотичної 16 до середньої лінії 13 профілю 11 відносно колового напрямку 17 в кожному поперечному перерізі 9 пера лопатки 1 визначається наступним співвідношенням: ij  i  (a0i  (Bij / Bi )3  a1i  (Bij / Bi )2  a2i  (Bij / Bi ))  1гi , де i - кут згину профілю 11 (кут між дотичними до середньої лінії 13, проведеними у точках її перетину з контуром профілю 11); 1гi - кут нахилу середньої лінії 13 профілю 11 відносно колового напрямку 17 в точці її перетину з хордою 14 на вхідній кромці 7 (геометричний кут входу профілю); B i - довжина осьової проекції хорди 14 профілю 11; B ij - відстань уздовж осьової проекції хорди 14 профілю 11 від вхідної кромки 7 до розглядуваного поздовжнього перерізу; i - номер розглядуваного поперечного перерізу 9 по висоті пера лопатки 1; j - номер розглядуваного поздовжнього перерізу профілю 11 уздовж його хорди 14, а 30 коефіцієнти a 0i , a1i , a 2i визначаються системою рівнянь: a 0i  a1i  a 2i  1   2 3 2  C0  h0  (1  C0  C1  C 2 )  h0  C 2  a 0i  0,25  a1i  0,25  a 2i  0,25 , C  h 2  (1  C  C  C )  h  C  a  0,78 3  a  0,78 2  a  0,78 3 4 5 0 5 0i 1i 2i  3 0 35 40 45 h 0 - відносна висота лопатки 1, яка визначається співвідношенням: h0  (hi  h1) /(h2  h1) , де hi - поточна координата поперечного перерізу 9 лопатки 1 по висоті; h1 - координата втулкової торцевої поверхні лопатки 1 по висоті; h 2 - координата периферійної торцевої поверхні лопатки 1 по висоті, C0 , C1 , C2 - константи, що визначають площу мінімального проходного перерізу міжлопаточного каналу решітки, а C3 , C 4 , C5 - константи, що визначають форму вихідної кромки профілю 11, при цьому: C0 - константа, що вибирається в межах 0,7  0,5 ; C1 - константа, що вибирається в межах 0,5  10 ; , C2 - константа, що вибирається в межах 0  0,5 ; C3 - константа, що вибирається в межах 10  10 ; , , C 4 - константа, що вибирається в межах 0,45  0,2 ; C5 - константа, що вибирається в межах 0,8  14 . , Профілі 11 поперечних перерізів 9 пера лопатки 1 робочого колеса можуть мати S-подібну форму середньої лінії 13 в периферійній частині лопатки 1 (від перерізу, відповідного h0  0,75 до перерізу, відповідного h0  10 ), при цьому довжина хорди 14 профілю 11 монотонно , збільшується від перерізу, відповідного h0  0,75 , до перерізу, відповідного h0  10 , а , 3 UA 114826 U 5 10 15 20 25 30 тангенціальним згином осі тороїдальної поверхні вхідної кромки 7 і монотонним зміненням кута установки профілю 11 поперечного перерізу 9 лопатки 1 по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 лопатки 1 і периферійною торцевою поверхнею 16. Профілі 11 поперечних перерізів 9 пера лопатки 1 робочого колеса можуть мати S-подібну форму середньої лінії 13 по всій висоті лопатки 1, при цьому довжина хорди 14 профілю 11 монотонно збільшується від середнього перерізу до периферійного або від втулкового перерізу до периферійного, а тангенціальним згином тороїдальної поверхні вхідної кромки 7 і монотонним змінюванням кута установки профілю 11 поперечного перерізу 9 лопатки 1 по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 лопатки 1 і периферійною торцевою поверхнею 3, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 і втулковою торцевою поверхнею 4. Ступінь компресора визначається як сукупність рядів лопаток ротора і статора. В процесі роботи ротор компресора обертається, наприклад, за годинниковою стрілкою, як показано на фіг. 2, при цьому потік газу, який входить зі швидкістю W 1 в міжлопаткові канали робочого колеса, відхиляється до осьового напрямку, його закручування зменшується і на виході із міжлопаткових каналів робочого колеса швидкість потоку стає рівною W 2, як показано на фіг. 3. Згин тороїдальної поверхні вхідної кромки 7 пера лопатки 1 уздовж криволінійної осі 15, виконаний відповідно до даної корисної моделі, і монотонне змінення кута установки профілю 11 поперечного перерізу 9 лопатки 1 по висоті утворюють тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 лопатки 1 і периферійної торцевої поверхні 3, а також утворюють тупий кут сполучення між стороною розрідження 6 і втулковою торцевою поверхнею 4, що призводить до зменшення розмірів відривних зон на втулці і периферії. Використання S-подібної форми середньої лінії 13 профілю 11 у периферійних поперечних перерізах 9 і монотонне збільшення хорди 14 профілю 11 в цих перерізах зі збільшенням радіусу призводить до зменшення вихору перетікання в радіальному зазорі. Використання різної (в тому числі S-подібної) форми середньої лінії 13 профілю 11 в поперечних перерізах 9 лопатки 1 приводить також до зменшення остаточної градієнтності потоку повітря на виході з міжлопаткових каналів робочого колеса. Поєднання вказаних ефектів сприяє зниженню втрат повного тиску в робочому колесі і приводить до підвищення ККД багатоступінчатого осьового компресора у робочій точці і збільшення запасу газодинамічної стійкості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 1. Лопатка робочого колеса осьового компресора, перо якої утворене периферійною і втулковою торцевими поверхнями, сторонами тиску і розрідження, з'єднаними зі сполученими між собою тороїдальними поверхнями вхідної і вихідної кромок, і містить поперечні перерізи, розташовані уздовж осі центрів тяжіння профілів по висоті, профіль кожного поперечного перерізу пера лопатки уздовж лінії потоку газу виконаний симетричним відносно середньої лінії, розташованої по одну сторону хорди, яка відрізняється тим, що тороїдальні поверхні вхідної кромки сполучені між собою уздовж криволінійної осі, зігнутої тангенціально у площині, перпендикулярній меридіональній площині лопатки, крім того формою цієї осі і монотонною змінністю кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і периферійною торцевою поверхнею, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і втулковою торцевою поверхнею, при цьому довжина хорди профілю поперечного перерізу пера лопатки монотонно збільшується по висоті, а значення геометричного кута нахилу дотичної до середньої лінії профілю відносно колового напрямку у кожному поперечному перерізі пера лопатки визначається наступним співвідношенням: ij  i  (a0i  (Bij / Bi )3  a1i  (Bij / Bi )2  a2i  (Bij / Bi ))  1гi , 55 де i - кут згину профілю (кут між дотичними до середньої лінії, проведеними у точках її перетину з контуром профілю); 1гi - кут нахилу середньої лінії профілю відносно колового напрямку в точці її перетину з хордою на вхідній кромці (геометричний кут входу профілю); B i - довжина осьової проекції хорди профілю; B ij - відстань уздовж осьової проекції хорди профілю від вхідної кромки до розглядуваного поздовжнього перерізу; 4 UA 114826 U i - номер розглядуваного поперечного перерізу по висоті пера лопатки; j - номер розглядуваного поздовжнього перерізу профілю уздовж його хорди, а коефіцієнти a 0i , a1i , a 2i визначаються системою рівнянь: a 0i  a1i  a 2i  1   C 0  h 0 2  (1  C 0  C1  C 2 )  h 0  C 2  a 0i  0,25 3  a1i  0,25 2  a 2i  0,25 ,  C  h 2  (1  C  C  C )  h  C  a  0,78 3  a  0,78 2  a  0,78 3 4 5 0 5 0i 1i 2i  3 0 5 10 15 20 25 30 h0 - відносна висота лопатки, яка визначається співвідношенням: h0  (hi  h1) /(h2  h1) , де hi - поточна координата поперечного перерізу лопатки по висоті; h1 - координата втулкової торцевої поверхні лопатки по висоті; h 2 - координата периферійної торцевої поверхні лопатки по висоті, C 0 , C1 , C 2 - константи, що визначають площу мінімального проходного перерізу міжлопаточного каналу решітки, а C 3 , C 4 , C 5 - константи, що визначають форму вихідної кромки профілю, при цьому: C 0 - константа, що вибирається в межах 0,7  0,5 ; C1 - константа, що вибирається в межах 0,5  10 ; , C 2 - константа, що вибирається в межах 0  0,5 ; C 3 - константа, що вибирається в межах 10  10 ; , , C 4 - константа, що вибирається в межах 0,45  0,2 ; C 5 - константа, що вибирається в межах 0,8  14 . , 2. Лопатка робочого колеса осьового компресора за п. 1, яка відрізняється тим, що профілі поперечних перерізів пера лопатки робочого колеса мають S-подібну форму середньої лінії в периферійній частині лопатки (від перерізу, відповідного h0  0,75 , до перерізу, відповідного h0  10 ), при цьому довжина хорди профілю монотонно збільшується від перерізу, відповідного , h0  0,75 , до перерізу, відповідного h0  10 , а тангенціальним згином осі тороїдальної поверхні , вхідної кромки і монотонним зміненням кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження лопатки і периферійною торцевою поверхнею. 3. Лопатка робочого колеса осьового компресора за п. 1, яка відрізняється тим, що профілі поперечних перерізів пера лопатки робочого колеса мають S-подібну форму середньої лінії по всій висоті лопатки, при цьому довжина хорди профілю монотонно збільшується від середнього перерізу до периферійного або від втулкового перерізу до периферійного, а тангенціальним згином тороїдальної поверхні вхідної кромки і монотонним змінюванням кута установки профілю поперечного перерізу лопатки по висоті утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження лопатки і периферійною торцевою поверхнею, а також утворений тупий кут сполучення між стороною розрідження і втулковою торцевою поверхнею. 5 UA 114826 U 6 UA 114826 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7