компрессор (варианты) и вставка для корпуса компрессора (варианты)

Формула изобретения

1. Компрессор, содержащий корпус с внутренней в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток, по меньшей мере один ряд лопаток статора и выполненное в корпусе антисрывное устройство, включающее выполненный в корпусе рециркуляционный канал, в который во время работы компрессора с концов лопаток ротора попадает газ с низким количеством движения, который проходит через рециркуляционный канал и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в рециркуляционный канал, который выполнен в виде кольцевого кармана с открытой внутренней стороной и множества расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь корпуса в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по ходу потока газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

2. Компрессор, содержащий корпус с внутренней в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток и выполненное в корпусе антисрывное устройство, включающее выполненный в корпусе в виде кольцевой канавки карман, в который во время работы компрессора с концов лопаток ротора попадает газ с низким количеством движения, который проходит через карман и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в карман, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь корпуса в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по ходу потока газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

3. Компрессор, содержащий корпус с внутренней в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток, по меньшей мере один ряд лопаток статора и выполненное в ступице ротора антисрывное устройство, включающее выполненный в ступице ротора в виде кольцевой канавки карман, расположенный рядом с лопатками статора, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально наружу от ступицы в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

4. Компрессор по любому из пп.1-3, в котором задняя и передняя стенки кольцевого кармана наклонены под углом к продольной оси корпуса.

5. Компрессор по п.4, в котором угол наклона задней и передней стенок кольцевого кармана к продольной оси корпуса составляет от 30 до 90°.

6. Компрессор по п.4, в котором угол наклона задней стенки кольцевого кармана к продольной оси корпуса отличается от угла наклона к продольной оси корпуса передней стенки кольцевого кармана.

7. Компрессор по любому из пп.1-3, в котором направляющие лопатки наклонены в радиальном направлении под углом от 10 до 90°.

8. Компрессор по п.7, в котором угол наклона направляющих лопаток в радиальном направлении меняется по высоте и/или по длине лопаток.

9. Компрессор по любому из пп.1-3, в котором отношение высоты радиально выступающих направляющих лопаток к радиальной глубине кольцевого кармана составляет менее 1,0.

10. Компрессор по п.9, в котором отношение высоты радиально выступающих направляющих лопаток к радиальной глубине кольцевого кармана меняется в осевом направлении по длине лопаток.

11. Компрессор по любому из пп.1-3, в котором отношение объема направляющих лопаток к общему объему кольцевого кармана составляет более 0,5.

12. Компрессор по любому из пп.1-3, в котором отношение ширины межлопаточного канала между соседними направляющими лопатками к шагу направляющих лопаток в поперечном сечении составляет от 0,3 до 1,0.

13. Компрессор по п.12, в котором отношение ширины межлопаточного канала между соседними направляющими лопатками к шагу направляющих лопаток в поперечном сечении меняется в направлении высоты радиально выступающих лопаток и/или в осевом направлении по длине лопаток.

14. Компрессор по любому из пп.1-3, в котором отношение высоты радиально выступающей лопатки к общей в осевом направлении ширине кольцевого кармана составляет от 0,2 до 1,0.

15. Компрессор по п.1 или 2, в котором средняя в осевом направлении точка кольцевого кармана у концов лопаток ротора расположена до средней точки осевой хорды лопатки ротора.

16. Компрессор по п.1 или 2, в котором отношение осевой ширины кольцевого кармана к осевой хорде лопатки ротора составляет от 0,4 до 1,0.

17. Компрессор по любому из пп.1-3, представляющий собой одноступенчатый компрессор.

18. Компрессор по любому из пп.1-3, представляющий собой многоступенчатый компрессор.

19. Компрессор по п.18, представляющий собой компрессор осевого типа.

20. Компрессор по п.18, представляющий собой компрессор диагонального типа.

21. Компрессор по п.17, представляющий собой компрессор радиального типа.

22. Вставка для корпуса компрессора, который содержит корпус с внутренней в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток и по меньшей мере один ряд лопаток статора, при этом такая вставка соединяется с корпусом компрессора рядом с лопатками ротора и содержит антисрывное устройство, включающее выполненный в виде кольцевой канавки карман, в который во время работы компрессора с концов лопаток попадает газ с низким количеством движения, который проходит через карман и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в карман, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь вставки в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по течению газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

23. Вставка для корпуса компрессора, который содержит корпус с внутренней в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, и ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток, при этом такая вставка соединяется с корпусом компрессора рядом с лопатками ротора и содержит антисрывное устройство, включающее выполненный в виде кольцевой канавки карман, в который во время работы компрессора с концов лопаток попадает газ с низким количеством движения, который проходит через карман и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в карман, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь вставки в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по течению газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

24. Вставка для корпуса компрессора по п.22 или 23, в которой задняя и передняя стенки кольцевого кармана наклонены под углом к продольной оси корпуса.

25. Вставка для корпуса компрессора по п.24, в которой угол наклона задней и передней стенок кольцевого кармана к продольной оси корпуса составляет от 30 до 90°.

26. Вставка для корпуса компрессора по п.24, в которой угол наклона задней стенки кольцевого кармана к продольной оси корпуса отличается от угла наклона к продольной оси корпуса передней стенки кольцевого кармана.

27. Вставка для корпуса компрессора по п.22 или 23, в которой направляющие лопатки наклонены в радиальном направлении под углом от 10 до 90°.

28. Вставка для корпуса компрессора по п.27, в которой угол наклона направляющих лопаток в радиальном направлении меняется по высоте и/или по длине лопаток.

29. Вставка для корпуса компрессора по п.22 или 23, в которой отношение высоты радиально выступающих направляющих лопаток к радиальной глубине кольцевого кармана составляет менее 1,0.

30. Вставка для корпуса компрессора по п.29, в которой отношение высоты радиально выступающих направляющих лопаток к радиальной глубине кольцевого кармана меняется в осевом направлении по длине лопаток.

31. Вставка для корпуса компрессора по п.22 или 23, в которой отношение объема направляющих лопаток к общему объему кольцевого кармана составляет более 0,5.

32. Вставка для корпуса компрессора по п.22 или 23, в которой отношение ширины межлопаточного канала между соседними направляющими лопатками к шагу направляющих лопаток в поперечном сечении составляет от 0,3 до 1,0.

33. Вставка для корпуса компрессора по п.32, в которой отношение ширины межлопаточного канала между соседними направляющими лопатками к шагу направляющих лопаток в поперечном сечении меняется в направлении высоты радиально выступающих лопаток и/или в осевом направлении по длине лопаток.

34. Вставка для корпуса компрессора по п.22 или 23, в которой отношение высоты радиально выступающей лопатки к общей в осевом направлении ширине кольцевого кармана составляет от 0,2 до 1,0.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к компрессорам и, в частности, к выполненному в корпусе турбокомпрессора антисрывному устройству, препятствующему возникновению в нем помпажа.

Аэродинамическая устойчивость турбокомпрессоров, используемых в авиационных двигателях, промышленных газовых турбинах, газокомпрессорных системах и в насосах, ограничена определенным пределом, связанным с происходящими в турбокомпрессоре во время работы аэродинамическими процессами. За этим пределом в турбокомпрессоре возникает состояние, известное как вращающийся срыв потока, при котором в равномерную структуру потока протекающего через компрессор газа вносятся возмущения, связанные с образованием быстро вращающегося кольца сжатого газа на концах лопаток в одной или нескольких ступенях компрессора. При образовании такого вращающегося кольца газа и срыве потока во всех ступенях в компрессоре происходит помпаж и он начинает работать неустойчиво.

Обычно при проектировании турбокомпрессоров отношение расхода газа и коэффициента давления при нормальной работе компрессора выбирают несколько меньшим, чем отношение расхода и коэффициента давления газа, при котором в компрессоре происходит срыв потока. Для нормальной работы двигателя линию срыва потока (границу помпажа) желательно сместить в сторону более высоких значений коэффициента давления, поскольку при этом снижается вероятность срыва потока при работе компрессора в номинальном режиме (повышается порог помпажа и увеличивается запас аэродинамической устойчивости компрессора) и/или увеличивается предельно допустимое рабочее давление, а следовательно, улучшается и характеристика компрессора.

Существенно увеличить запас аэродинамической устойчивости компрессора (расширить диапазон между аэродинамически устойчивой работой компрессора и срывом потока) можно путем применения антисрывного устройства и соответствующего выполнения расположенного рядом с концами лопаток ротора участка корпуса компрессора. Однако использование обычных антисрывных устройств, в частности выполненных в корпусе компрессора щелей, камер и канавок, предназначенных для повышения аэродинамической устойчивости компрессора, всегда связано с дополнительными объемными потерями и снижением коэффициента полезного действия компрессора и массового расхода газа при высоких скоростях.

Конструкция корпуса компрессора с антисрывным устройством описана, в частности, в статье A.R.Aziman и др. "Application of Recess Vaned Casing Treatment to Axial Flow Compressors", The School of Mechanical Engineering, Cranfield Institute of Technology in Great Britain, февраль 1998 г., в статье Y. Mijake и др. "Improvement of Unstable Characteristics of an Axial Flow Fan by Air-Separator Equipment", материалы ASME, The Journal of Fluid Engineering, т.109, май 1987 г., а также в патенте US 3189260. Описанное в этих публикациях антисрывное устройство выполнено в виде кармана, в котором при переходе компрессора после срыва потока на нормальный режим работы собираются образующиеся при срыве потока вращающиеся вихри. Поскольку вращающийся вихрь, возникающий при срыве потока с концов лопаток, распространяется на сравнительно большое расстояние от задних кромок лопаток, такой карман должен иметь достаточно большие размеры, чтобы быть эффективным. Выполненные в виде достаточно больших по размерам карманов антисрывные устройства можно использовать только при низких скоростях ротора, например, в промышленных вентиляторах или в работающих с относительно небольшими оборотами компрессорах, но нельзя использовать в авиационных турбокомпрессорных двигателях, поскольку наличие в наружном корпусе двигателя расположенных на входе в двигатель или перед компрессором больших по размерам карманов требует определенного увеличения массы и габаритов двигателя.

Еще одна конструкция выполненного в корпусе антисрывного устройства описана в патенте US 5762470. В этом патенте описана выполненная в корпусе рядом с концами лопаток ротора кольцевая камера, которая сообщается с основной внутренней полостью (основным проточным каналом) компрессора через ряд расположенных по окружности на определенном расстоянии друг от друга щелей. Под действием возникающего при работе компрессора перепада давлений в основной внутренней полости компрессора и в кольцевой камере воздух проходит через расположенные вокруг лопаток ротора щели в кольцевую камеру и возвращается в основной поток до лопаток ротора. Недостатком такого решения является необходимость в нанесении специального покрытия на расположенные между щелями перегородки, которое должно защищать их от повреждения лопатками ротора. При очень небольшой для нанесения прочного покрытия ширине перегородок и щелей во время работы компрессора покрытие иногда разрушается и отслаивается от перегородок. С другой стороны, при отсутствии такого защитного покрытия во избежание касания лопатками корпуса приходится увеличивать зазор, что, как очевидно, снижает коэффициент полезного действия компрессора. Еще один недостаток подобного решения заключается в том, что для эффективного предотвращения срыва потока выполненная в наружном корпусе кольцевая камера должна иметь достаточно большие размеры. Как уже было отмечено выше, любое увеличение размеров корпуса (и, соответственно, всего компрессора) в целом ряде случаев и, в частности, в авиационных двигателях является крайне нежелательным. Кроме того, возможность применения такого рода устройств ограничена и наличием в них сравнительно тонких расположенных между щелями перегородок, которые при воздействии на них вращающихся лопаток ротора могут легко входить в резонанс.

Предложенное в патенте US 5282718 выполненное в корпусе компрессора антисрывное устройство состоит из расположенного рядом с задними кромками лопаток ротора входного кольцевого канала, расположенного рядом с передними кромками лопаток и соединенного с основной внутренней полостью (основным проточным каналом) компрессора выходного кольцевого канала и множества антисрывных лопаток, расположенных по окружности на определенном расстоянии друг от друга внутри кольцевой камеры между входным кольцевым каналом и выходным кольцевым каналом. В выполненном таким образом антисрывном устройстве воздух, который стекает с кромок вершин лопаток, всасывается через входной кольцевой канал в кольцевую камеру и проходит между антисрывными лопатками под действием осевого перепада давления, возникающего в кольцевой камере при работе компрессора. Основным недостатком компрессора с таким антисрывным устройством является небольшой запас аэродинамической устойчивости (диапазон между аэродинамически устойчивой работой компрессора и срывом потока) и более низкий, чем у обычного компрессора, коэффициент полезного действия и массовый расход.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать альтернативное, выполненное в корпусе антисрывное устройство, которое было бы простым по конструкции и сравнительно дешевым в изготовлении и которое позволяло бы расширить диапазон рабочих аэродинамически устойчивых режимов компрессора без снижения его коэффициента полезного действия.

Встречающийся в описании термин "осевой" означает направление, параллельное продольной оси корпуса компрессора, термин "поперечный" означает направление, перпендикулярное продольной оси корпуса компрессора, а термин "радиальный" означает радиальное направление от продольной оси корпуса компрессора или к продольной оси корпуса компрессора.

Одним объектом изобретения является компрессор в трех вариантах выполнения.

В первом варианте компрессор содержит корпус с внутренней, в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток, по меньшей мере один ряд лопаток статора и выполненное в корпусе антисрывное устройство, включающее выполненный в корпусе рециркуляционный канал, в который во время работы компрессора с концов лопаток ротора попадает газ с низким количеством движения, который проходит через рециркуляционный канал и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в рециркуляционный канал, который выполнен в виде кольцевого кармана с открытой внутренней стороной и множества расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь корпуса в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по ходу потока газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

Во втором варианте компрессор содержит корпус с внутренней, в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток и выполненное в корпусе антисрывное устройство, включающее выполненный в корпусе в виде кольцевой канавки карман, в который во время работы компрессора с концов лопаток ротора попадает газ с низким количеством движения, который проходит через карман и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в карман, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь корпуса в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по ходу потока газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

В третьем варианте компрессор содержит корпус с внутренней, в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток, по меньшей мере один ряд лопаток статора и выполненное в ступице ротора антисрывное устройство, включающее выполненный в ступице ротора в виде кольцевой канавки карман, расположенный рядом с лопатками статора, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально наружу от ступицы в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения задняя и передняя стенки кольцевого кармана наклонены к продольной оси корпуса под углом, который обычно составляет от 30 до 90°.

Угол наклона задней стенки кармана к продольной оси корпуса может отличаться от угла наклона передней стенки.

Направляющие лопатки предпочтительно должны быть наклонены в радиальном направлении под углом от 10 до 90°. При этом угол наклона направляющих лопаток в радиальном направлении может меняться по высоте и/или по длине лопаток.

В одном из вариантов осуществления изобретения отношение высоты радиально выступающих направляющих лопаток, т.е. высоты лопаток в радиальном направлении, к радиальной глубине кольцевого кармана составляет меньше 1,0. Иными словами, свободные концы направляющих лопаток оканчиваются на открытой стороне кольцевого кармана и не доходят до внутренней цилиндрической полости корпуса, образующей основной канал для прохода газа.

Отношение высоты радиально выступающих направляющих лопаток к радиальной глубине кольцевого кармана может меняться в осевом направлении по длине лопаток.

В идеальном случае степень заполнения кольцевого кармана, т.е. отношение объема направляющих лопаток к объему кармана, должна быть больше 0,5.

Обычно отношение ширины межлопаточного канала между соседними направляющими лопатками к шагу направляющих лопаток в поперечном сечении составляет от 0,3 до 1,0 и может меняться в направлении высоты радиально выступающих лопаток и/или в осевом направлении по длине лопаток.

В одном из вариантов осуществления изобретения отношение высоты радиально выступающей лопатки к общей в осевом направлении ширине кольцевого кармана составляет от 0,2 до 1,0.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения средняя в осевом направлении точка кольцевого кармана у концов лопаток ротора расположена до средней точки осевой хорды лопатки ротора.

Отношение осевой ширины кольцевого кармана к осевой хорде лопатки ротора в идеальном случае составляет от 0,4 до 1,0.

В одном из вариантов осуществления изобретения компрессор имеет кольцевой карман и направляющие лопатки, которые аналогичны описанным выше и расположены в ступице ротора рядом с лопатками статора.

Настоящее изобретение в равной мере относится к одноступенчатым и многоступенчатым компрессорам осевого, диагонального или радиального типа.

Другим объектом изобретения является вставка для корпуса компрессора, выполненная в двух вариантах.

В первом варианте вставка предназначается для компрессора, который содержит корпус с внутренней, в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток и по меньшей мере один ряд лопаток статора. Такая вставка соединяется с корпусом компрессора рядом с лопатками ротора и содержит антисрывное устройство, включающее выполненный в виде кольцевой канавки карман, в который во время работы компрессора с концов лопаток попадает газ с низким количеством движения, который проходит через карман и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в карман, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь вставки в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по ходу потока газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

Во втором варианте вставка предназначается для компрессора, который содержит корпус с внутренней, в целом цилиндрической полостью, образующей основной канал для прохода газа, и ротор по меньшей мере с одним рядом лопаток. Такая вставка соединяется с корпусом компрессора рядом с лопатками ротора и содержит антисрывное устройство, включающее выполненный в виде кольцевой канавки карман, в который во время работы компрессора с концов лопаток попадает газ с низким количеством движения, который проходит через карман и возвращается в основной канал для прохода газа в точке, расположенной на некотором расстоянии от точки, в которой газ попадает в карман, и множество расположенных в кольцевом кармане криволинейных направляющих лопаток, которые выступают радиально внутрь вставки в направлении свободных концов, расположенных в открытом отверстии кармана или рядом с ним, и образуют в кольцевом кармане расположенный за лопатками кольцевой входной канал и/или расположенный выше по течению газа кольцевой выходной канал и ряд криволинейных межлопаточных каналов, расположенных рядом с кольцевым входным каналом и/или кольцевым выходным каналом.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких предпочтительных вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - осевой разрез части турбокомпрессора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением,

на фиг.2 - сечение плоскостью 2-2 по фиг.1,

на фиг.3 - сечение плоскостью 3-3 по фиг.1,

на фиг.4 - графики зависимости массового расхода и коэффициента полезного действия и коэффициента давления компрессора с корпусом с антисрывным устройством, выполненным в соответствии с настоящим изобретением, и компрессора с обычным корпусом без антисрывного устройства,

на фиг.5 - осевой поперечный разрез части турбокомпрессора, выполненного в соответствии с другим вариантом,

на фиг.6 - сечение плоскостью 6-6 по фиг.5,

на фиг.7 - осевой разрез части турбокомпрессора, выполненного в соответствии с еще одним вариантом, и

на фиг.8 - сечение плоскостью 8-8 по фиг.7.

На фиг.1 показана часть корпуса 10 многоступенчатого осевого турбокомпрессора и один ряд лопаток 12 ротора, расположенных на валу (на чертеже не показан), который проходит через корпус вдоль его центральной оси. Перед лопатками ротора и за ними расположены закрепленные в корпусе неподвижные лопатки 14 и 16 статора. Во избежание срыва потока с концов лопаток ротора предназначено выполненное в корпусе турбокомпрессора антисрывное устройство, обозначенное на чертежах позицией 18.

В первом варианте осуществления изобретения антисрывное устройство 18 состоит из выполненного в корпусе 10 кольцевого кармана 20 и множества расположенных в кармане с определенным окружным шагом направляющих лопаток 22. Как показано на фиг.2 и 3, карман 20 имеет заднюю стенку 26, переднюю стенку 28, которая вместе с задней стенкой образует открытое отверстие 30 кармана, и расположенную между задней и передней стенками наружную стенку 32. Расположенные в кармане 20 направляющие лопатки 22 имеют криволинейную форму (см. фиг.2) и образуют в кармане кольцевой входной канал 34 и расположенный выше по ходу потока газа кольцевой выходной канал 36. Как показано на фиг.1, направляющие лопатки 22, которые крепятся к наружной стенке 32 кармана, радиально выступают внутрь корпуса в направлении свободных концов 38, которые доходят до открытого отверстия кармана 20, и образуют в кольцевом кармане множество криволинейных межлопаточных каналов 40. Входной кольцевой канал 34, выходной кольцевой канал 36 и криволинейные межлопаточные каналы 40 сообщаются с внутренней, в целом цилиндрической полостью 42 корпуса 10, образующей в корпусе основной канал для прохода газа, как это наиболее наглядно показано на фиг.2.

В рассматриваемом варианте задняя стенка 26 и передняя стенка 28 кармана наклонены к продольной оси корпуса 10 под углом I, который обычно составляет от 30 до 90°. Направляющие лопатки 22, также наклонены к продольной оси корпуса, как это показано на фиг.1, и, кроме того, имеют определенный наклон и в радиальном направлении, как это показано на фиг.3. Угол S наклона лопаток в радиальном направлении, который может меняться и по высоте Н, и по длине криволинейных лопаток 22, лежит в диапазоне от 10 до 90°.

Для повышения эффективности предлагаемого в изобретении антисрывного устройства отношение ширины межлопаточного канала к шагу направляющих лопаток в поперечном сечении следует выбирать в пределах от 0,3 до 1,0, отношение высоты Н выступающей в радиальном направлении лопатки к общей в осевом направлении ширине L кольцевого кармана следует выбирать в пределах от 0,2 до 1,0, отношение ширины в осевом направлении кольцевого кармана к осевой хорде направляющей лопатки следует выбирать в пределах от 0,4 до 1,0, а угол ТА поворота направляющих лопаток 22, который может меняться по высоте Н лопаток, следует выбирать в пределах от 15 до 175°.

Образующийся во время работы турбокомпрессора у стенок корпуса 10 поток газа с низким количеством движения, который в конечном счете может привести к срыву потока с лопаток ротора и помпажу компрессора, всасывается в карман 20 через входной кольцевой канал 34, проходит через криволинейные межлопаточные каналы 40, в которых образовавшиеся в нем вихри ослабляются, и, ускоряясь в выходном кольцевом канале 36 кармана, возвращается во внутреннюю полость корпуса, в которой он смешивается с основным потоком газа, который с большой скоростью движется в осевом направлении в цилиндрическом канале 42 корпуса между лопатками статора и лопатками ротора.

В варианте, показанном на фиг.1-3, антисрывное устройство в корпусе турбокомпрессора выполнено таким образом, что при работе компрессора в расчетном режиме в карман 34 попадает минимальное количество газа с низким количеством движения. Аэродинамические характеристики компрессора рассчитываются таким образом, что при работе компрессора в нормальном режиме массовый расход газа, который из основного потока попадает в кольцевой карман 34, не отличался существенно от расхода газа, перетекающего поверх концов лопаток ротора из полости высокого давления в полость низкого давления в компрессоре, не имеющем антисрывного устройства. Однако в тот момент, когда давление в компрессоре достигает своей максимальной величины, т.е. когда в компрессоре возникает помпаж и во внешней области лопаток ротора у стенки 44 корпуса 10 происходит расслоение основного потока А, отделяющийся от основного потока газ через входной кольцевой канал 34 попадает в кольцевой карман 20 и, пройдя через межлопаточные каналы направляющих лопаток и выходной кольцевой канал 36, с большей скоростью возвращается во внутреннюю полость корпуса, в которой он смешивается с основным потоком газа. Проходящее в это время через кольцевой карман 20 количество газа достигает своего максимального значения и стабилизирует работу компрессора, а также обеспечивает возможность увеличения его рабочего давления.

При вращении ротора компрессора со скоростью, большей номинальной, газ попадает в кольцевой карман 20 через выходной кольцевой канал 36 и выходит из кармана через его входной кольцевой канал 34, увеличивая запас аэродинамической устойчивости компрессора. И, наоборот, при вращении ротора компрессора со скоростью меньше номинальной течение газа через карман 20 происходит таким же образом, как и при дросселировании компрессора во время работы в режиме, близком к помпажу, когда происходит увеличение массового количества газа, попадающего во входной кольцевой канал 34 из зазора между корпусом и концами лопаток ротора.

Таким образом, хотя предлагаемое в изобретении антисрывное устройство и ускоряет процесс рециркуляции газа и на низких, и на расчетных скоростях, близких к критической скорости (на которой происходит помпаж и срыв потока с лопаток ротора), оно одновременно минимизирует эффект рециркуляции газа и сводит до минимума падение коэффициента полезного действия при работе компрессора на расчетном режиме, т.е. на режиме с максимальным коэффициентом полезного действия.

На фиг.4 показано влияние предлагаемого в изобретении антисрывного устройства 18 на работу компрессора и обусловленное наличием такого устройства улучшение его внешних характеристик.

Два других варианта выполнения предлагаемого в изобретении антисрывного устройства, выполненного в корпусе компрессора, показаны на фиг.5-8. В варианте, показанном на фиг.5 и 6, антисрывное устройство 118 выполнено в корпусе 110 компрессора в виде кольцевого кармана 120, в котором с определенным окружным шагом расположено множество направляющих лопаток 122. Направляющие лопатки 122 имеют криволинейную форму (см. фиг.6) и образуют в кольцевом кармане 120 кольцевой входной канал 134 и множество выходных каналов 136, расположенных перед входным кольцевым каналом 134 между соседними лопатками 122. Как и в рассмотренном выше варианте, направляющие лопатки 122, которые примыкают к наружной стенке 132 кармана и выступают внутрь корпуса в направлении свободных концов 138, расположенных у открытой стороны 130 кармана 120, образуют внутри кармана множество криволинейных межлопаточных каналов 140. Входной кольцевой канал 134, выходные каналы 136 и криволинейные межлопаточные каналы 140 сообщаются с цилиндрической внутренней полостью 142 корпуса 10, образующей основной канала для прохода газа.

В этом варианте свободные концы 138 направляющих лопаток 122 оканчиваются в месте расположения кольцевого канала 120 на небольшом расстоянии от внутренней поверхности корпуса 110, как это наиболее наглядно показано на фиг.5. Выполненные таким образом свободные концы 138 направляющих лопаток утоплены внутрь корпуса 110 и не доходят до выполненного в нем основного канала 142 для прохода газа. Такое выполнение направляющих лопаток в некоторых случаях, например при их изготовлении из сравнительно твердых материалов, обладает определенным преимуществом, поскольку исключает трение между направляющими лопатками и лопатками ротора и позволяет отказаться от нанесения на направляющие лопатки 122 сравнительно дорогих, трудоемких и обладающих склонностью к разрушению специальных покрытий.

Вариант, показанный на фиг.7 и 8, отличается от варианта, показанного на фиг.5 и 6, тем, что предлагаемое в этом варианте осуществления изобретения антисрывное устройство 218 выполнено в корпусе 210 компрессора в виде кольцевого кармана 220, внутри которого с определенным окружным шагом расположено множество криволинейных направляющих лопаток 222, которые образуют множество расположенных между лопатками 222 входных каналов 234 и расположенный перед ними выходной кольцевой канал 236. Кроме того, в отличие от варианта, показанного на фиг.5 и 6, свободные концы направляющих лопаток 222 в месте расположения кольцевого кармана 220 не утоплены внутрь корпуса 210.

В настоящем изобретении предлагается также еще один, не показанный на чертежах, вариант выполнения антисрывного устройства, которое выполнено по типу устройства, показанного на фиг.1-3, в ступице ротора рядом с лопатками статора.

Рассмотренные выше варианты выполнения антисрывных устройств 18, 118 и 218, выполненных непосредственно в корпусе 10, 110 и 210 компрессора, не исключают возможности их выполнения в отдельных кольцах, которые крепятся с противоположных сторон к двум частям "многослойного" корпуса рядом с лопатками ротора компрессора. Кроме того, настоящее изобретение относится не только к компрессорам с расположенными перед ротором и антисрывным устройством лопатками статора, но и к компрессорам, не имеющим лопаток статора.

Одним из преимуществ предлагаемого в изобретении антисрывного устройства является расширение диапазона рабочих аэродинамически устойчивых режимов работы компрессора без заметного снижения его коэффициента полезного действия. Кроме того, предлагаемое в изобретении антисрывное устройство, которое позволяет повысить, не снижая коэффициента полезного действия, порог помпажа и увеличить аэродинамическую устойчивость компрессора, не чувствительно к шероховатости поверхности и допускам на изготовление и поэтому может служить сравнительно дешевой заменой используемых в настоящее время в компрессорах устройств регулирования, ограничивающих возможность срыва потока и возникновение в компрессоре помпажа, таких как поворотные лопатки статора с механизмом привода и определенными алгоритмами регулирования. Кроме того, поднутрение направляющих лопаток предлагаемого в изобретении антисрывного устройства и отсутствие трения между направляющими лопатками и лопатками ротора позволяет отказаться от трудоемкого нанесения на лопатки сравнительно дорогих и обладающих склонностью к разрушению специальных покрытий. Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении антисрывного устройства связано с его сравнительно небольшими размерами и возможностью применения в авиационных турбокомпрессорных двигателях. Кроме того, при очень больших скоростях вращения ротора, например в авиационных двигателях, предлагаемое в изобретении антисрывное устройство не только повышает запас аэродинамической устойчивости компрессора, но и увеличивает, как показано на фиг.4, его коэффициент полезного действия.