Анализ использования надроторных устройств в модельной ступени осевого компрессора

К.С. Трибунская, Ю.В. Кожухов

Введение. Повышение устойчивой работы и эффективности ступени – две важные задачи проектирования осевого компрессора.

Геометрия проточной части определяет как устойчивую работу, так и эффективность работы ступени. Согласно К. П. Селезнёву [2] при наличии радиального зазора, помимо перетекания газа через торец лопатки с вогнутой стороны на выпуклую, наблюдается движение газа в зазоре вдоль оси машины со стороны большего в сторону меньшего давления. Это перетекание вызывает дополнительные потери, очень сильно возрастающие с увеличением зазора. Как правило, величина радиального зазора Sr принимается около 1% от длины лопатки.

Принимая в расчет предложенные рекомендации, были разработаны способы повышения эффективности ступени осевого компрессора с радиальным зазором. Один из таких способов – использование надроторных устройств (НРУ). НРУ представляет собой дополнительную кольцеобразную полость, содержащую ребра над лопаткой рабочего колеса (роторной лопаткой). Ребра расположены под одним углом к поверхности и имеют клинообразное заострение на конце, направленное в сторону торца лопатки рабочего колеса ступени. Конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра корпуса компрессора, при этом осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора составляет 0,5-0,8 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса на эту ось. Радиальный размер дополнительной кольцеобразной полости составляет 0,1-0,2 высоты лопатки рабочего колеса, при этом радиальная поверхность этой дополнительной кольцеобразной полости, расположенная первой по потоку в компрессоре, удалена от передней кромки лопатки рабочего колеса на расстояние менее 0,1 величины проекции хорды лопатки рабочего колеса, а количество ребер выбирают от 4 до 8. [1]

Рисунок 1 Принцип работы НРУ

Таким образом, над рабочим колесом находятся дополнительные полости, куда при работе компрессора “затекает” рабочее тело, образую вихрь, блокируя тем самым поток перетечек, Подобные надроторные устройства схожи по принципу действия с лабиринтными уплотнениями, используемыми в центробежных компрессорах. Описание принципа работы НРУ отображено на рис.1.

1 – клинообразные рёбра

2 – кольцеобразная полость

3 – корпус компрессора

4 – лопатка рабочего колеса

Рекомендуется, чтобы ребра 1 были расположены перпендикулярно поверхности 5, обращенной в сторону проточной части, дополнительной кольцеобразной полости 2 компрессора. Ребра 1 имеют клинообразное заострение 6, направленное в сторону торца лопатки 4 рабочего колеса, причем конец этого острия расположен на уровне внутреннего диаметра (внутренней поверхности) корпуса компрессора. Целесообразно, чтобы высота h этого клинообразного заострения 6 составляла от 0,1 до 0,3 высоты h1 ребра 1. Кроме того, целесообразно, чтобы расстояние Т между концами острия клинообразных заострений 6 ребер 1 было выбрано в соответствии с соотношением С/(N+1), где: С — максимальная осевая протяженность дополнительной кольцеобразной полости вдоль продольной оси компрессора, N — число ребер.

В кольцевых проточках 7 над вращающимися лопатками 4 возникает кольцевое движение воздуха в направлении вращения рабочего колеса. На это движение вдоль кольцевых проточек 7 практически всегда накладывается вихревое движение.

Исследование подобных НРУ представлено в работе [5] исследовались для периферийном сечении ступени компрессора Д-77М, где была применена концепция параметрической лопатки, т.е. исследованы параметры бороздки.

В ходе исследований разработчики отмечали, что наибольшее влияние на запасы устойчивости и КПД отказывают ширина, осевая длина и осевого расположение бороздки, в то время как глубина и форма бороздки имеют ограниченное влияние.

Научная новизна. Было отмечено [5], что данная задача не теряет актуальности, т.к. не смотря на многочисленные исследования с различными типами надроторных устройств, механизм их влияния на работу степени до конца не изучен.

Расчетная модель. Задача решалась для ступени осевого компрессора 100-2Л, состоящей из трёх лопаточных венцов: входного направляющего аппарата (ВНА), рабочего колеса (РК), направляющего аппарата (НА).

Для решения задачи использовалось программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа ANSYS 14.5, твердотельные модели лопаток были построены в CREO (PTC), а бороздка задавалась путём изменения формы проточной части, имея вариационные параметры: ширина бороздки (), позиция бороздки (), высота бороздки (), угол вверх по потоку (), угол низ по потоку (), угол скоса (). В качестве изучаемой модели НРУ была выбрана треугольное сечение бороздки с углом скоса против потока для базовой конфигурации НРУ.

Расчет производился расчетном режиме: окружная скорость на наружном диаметре Uн=125м/с, коэффициент расхода для которого имелось верифицированное значение адиабатного КПД [3,4].

КПД определяется между входом ВНА и выходом из НА по формуле:

Запас устойчивости определялся по формуле:

Результаты. В ходе работы были получены результаты использования НРУ на модельной ступени осевого компрессора, проведено сравнение с характеристиками компрессора без НРУ. Так же проведено сравнение с результатами, полученными в работе [5], сделан вывод о эффективности использования подобных устройств.

Литература:

Пат.2282754 Российская Федерация F04D27/02 Надроторное устройство компрессора и осевой компрессор [Текст] / Гельмедов Семеряк; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова»
Селезнёв К.П., Подобуев Ю.С. Теория и расчёт осевых и центробежных компрессоров. – Ленинград: Изд. Машиностроительной литературы, 1957 – 395 с.
Руководящие указания по аэродинамическому расчёту проточной части осевых компрессоров. Атлас исходных ступеней. – Ленинград, 1957, — 8 листов
Буйновская. Л.Н. Сопоставление опытных и расчетных аэродинамических характеристик осевых компрессоров. Котлотурбостроение. Труды ЦКТИ 51. Газовые турбины. Под ред. акад. Б.Е. Стечина, и др. – ЛЕНИНГРАД, 1964г. -10 стр. [Текст]
Жданов В.В. Исследования влияния надроторных устройств лабиринтного типа на характеристики компрессора авиационного типа./ Тезисы 58-й научной конференции МФТИ