НАДРОТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к надроторным устройствам с рециркулирующим потоком текучей среды в ступенях осевых турбомашин, преимущественно для энергоустановок и газоперекачивающих станций.

Известна ступень осевого компрессора, содержащая направляющие и рабочие лопатки, последовательно размещенные с осевым зазором в корпусе, имеющем кольцевую замкнутую полость, ограниченную со стороны проточной части ступени статорным кольцом с щелями, расположенными наклонно к радиусу корпуса по направлению вращения рабочих лопаток и сообщающими кольцевую полость с проточной частью. Каждая щель имеет форму дуги с закругленными краями, а в плоскости, перпендикулярной радиусу статорного кольца, углы, образованные продольной осью ступени осевого компрессора и касательными к средней линии щели, в точках пересечения линии с диаметральными сечениями кольца на противоположных концах щели соответственно равны углам установки лопаток предыдущего направляющего аппарата и рабочих лопаток [1].

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей увеличения КПД и расширения диапазона устойчивой работы при снижении потерь полного давления и сохранения расхода воздуха. Использование известной конструкции для первых по потоку роторных ступеней осевой турбомашины, т. е. без предыдущих направляющих аппаратов, увеличивает потери давления в межлопаточных каналах роторной ступени и в полости вне тракта. Это объясняется несовпадением конфигурации щелей к траекториям движения воздушного потока и к линиям равного статического давления, повышенной турбулизацией воздушного потока, увеличением сопротивления рециркулирующих течений во внетрактовой полости и течений потока в межлопаточных каналах.

Известна перепускная часть кожуха осевого газотурбинного двигателя, обеспечивающая улучшенную работу роторных лопаток компрессора, содержащая кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и роторный лопаточный венец, между верхними торцевыми частями роторных лопаток которого и трактовой стенкой имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены ряды отверстий, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта и расположенные выше и ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток [2].

Недостатком известной конструкции является то, что внутренняя поверхность трактовой стенки, полости вне тракта и пластины в полости вне тракта образуют конфузорное по потоку сечение, что уменьшает перепад рециркулирующего течения, повышает потери давления за счет повышенной турбулизации потока и увеличения сопротивления во внетрактовой полости. Недостатком конструкции также является неполное использование возможностей снижения уровня шума и настройки тональности (спектра) шума от первой по потоку роторной ступени компрессора.

Известно устройство для активного перепуска текучей среды по каналу кожуха вблизи вентиляторных лопастей. В известной конструкции в неподвижном кожухе выполнен снабженный статорными лопатками канал. При определенных рабочих режимах двигателя или самолета регулируют или блокируют рециркулирующий в канале поток. В другом варианте для уменьшения или предотвращения создаваемых роторными лопастями срывных волн используют устройство (анероидный клапан), которое управляет течением во внетрактовой полости [3].

Недостатком известной конструкции является высокая стоимость и сложность изготовления кожуха со статорными лопатками в его стенках, а также уменьшение перепада давлений рециркулирующего течения вследствие меньшего расстояния между входом и выходом каналов над периферией торцовой части лопасти. Это повышает потери давления, требует повышенного уровня шумоизоляции входного тракта, особенно для наземных турбомашин.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция надроторного устройства турбомашины, содержащая кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и роторный лопаточный венец, между периферийными торцами лопаток которого и трактовой стенкой имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены ряды отверстий, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта и расположенные выше и ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток. Трактовая стенка выполнена перфорированной отверстиями малого диаметра и толщиной, пропорциональной диаметру отверстия, а оси отверстий направлены внутрь газовоздушного тракта в сторону передних кромок лопаточного венца под рассчитанным углом к образующей трактовой стенки в диаметральной плоскости и в окружном направлении [4].

Недостатком известной конструкции является узкий диапазон устойчивой работы, снижение КПД ступени компрессора и повышенный уровень шума при ее использовании в качестве первой по потоку диагональной ступени компрессора низкого давления без входных направляющих аппаратов преимущественно для наземных турбомашин. Наличие перфорированных рядов отверстий в трактовой стенке, расположенных выше и ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, оказывает повышенное сопротивление рециркулирующему потоку текучей среды во внетрактовую полость, что приводит к повышенной турбулизации вращающихся вихрей над торцами роторных лопаток, уменьшая расход воздуха через компрессор и способствуя помпажу. Недостатком известной конструкции являются также высокие потери давления в межлопаточных каналах роторных лопаток вследствие малого времени сообщения тракта с внетрактовой полостью перфорированными отверстиями, а также сложность расширения диапазона устойчивой работы и снижения уровня шума.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении диапазона устойчивой работы, в повышении КПД и в уменьшении уровня компрессорного шума осевой турбомашины за счет снижения потерь давления рециркулирующего потока текучей среды и образования резонаторной полости вне тракта, которая поглощает звуковые колебания, возникающие при вращении роторной ступени.

Сущность технического решения заключается в том, что в надроторном устройстве турбомашины, содержащем кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и роторный лопаточный венец, между периферийными торцами лопаток которого и трактовой стенкой имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены ряды отверстий, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта и расположенные выше и ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, согласно изобретению отверстия в трактовой стенке, расположенные выше по потоку от входных кромок роторных лопаток, выполнены в виде рядов щелей, ориентированных в окружном направлении по вращению роторных лопаток, а отверстия в трактовой стенке, расположенные ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, выполнены в виде щелей, ориентированных по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, при этом кромки каждого ряда щелей трактовой стенки, ориентированные в окружном направлении, размещены в полости тракта ниже по потоку, чем кромки каждого из соответствующих рядов щелей, ориентированные в окружном направлении в полости вне тракта, и на меньшем радиальном расстоянии от оси вращения роторного лопаточного венца, чем расстояние от оси вращения до периферийных торцев роторных лопаток, а в трактовой стенке, в каждой щели, ориентированной по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, кромки в полости тракта, в окружном направлении по вращению роторных лопаток расположены выше по потоку, чем кромки каждой соответствующей щели в полости вне тракта.

Выполнение отверстий в трактовой стенке, расположенных выше по потоку от входных кромок роторных лопаток, в виде рядов щелей, ориентированных в окружном направлении по вращению роторных лопаток, уменьшает мгновенные значения пульсаций давления и амплитуд импульсов рециркулирующего потока текучей среды, вдуваемого в тракт перед входными кромками роторных лопаток. Это снижает потери давления, устраняет неравномерности давления на входе в роторную ступень, расширяет диапазон устойчивой работы динамических компрессоров (низкого и высокого давлений), а также снижает уровень шума от роторной ступени.

Выполнение отверстий в трактовой стенке, расположенных ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток в виде щелей, ориентированных по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, т.е. под углами, равными мгновенной абсолютной скорости в каждом межлопаточном канале, позволяет производить отбор вращающихся вихрей вдоль линий равных уровней статического давления в межлопаточных каналах над периферийной частью роторной ступени. Это уменьшает сопротивление рециркулирующему потоку текучей среды на входе во внетрактовую полость, уменьшает турбулизацию вращающихся вихрей над периферийными торцами роторных лопаток, снижает потери давления в межлопаточных каналах роторных лопаток. Кроме того, такое выполнение щелей увеличивает время сообщения посредством щелей трактовой и внетрактовой полостей, которые периодически закрываются и открываются роторными лопатками, и позволяет синхронизировать волновое перемещение сжатого воздуха в поперечном сечении тракта из зон межлопаточных каналов, расположенных ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, через полость вне тракта и далее на вход роторной ступени.

Выполнение кромок каждого ряда щелей трактовой стенки, ориентированных в окружном направлении по вращению роторных лопаток, в полости тракта ниже по потоку, чем кромок каждого из соответствующих рядов щелей, ориентированных в окружном направлении в полости вне тракта, а также на меньшем радиальном расстоянии от оси вращения роторного лопаточного венца, чем расстояние от оси вращения до периферийных торцев роторных лопаток, обеспечивает безотрывное течение потока воздуха вдоль трактовой стенки перед периферийной частью входных кромок роторных лопаток. Это снижает потери давления за счет синхронизации волнового перемещения сжатого роторными лопатками воздуха в поперечном сечении тракта по отношению к скорости волн, зависящей от частоты вращающегося срыва над первой по потоку ступенью роторных лопаток. Кроме того, потери давления снижаются за счет увеличения перепада давлений рециркулирующего во внетрактовой полости потока воздуха. Перепад давлений увеличивается за счет диффузорности контура, образованного трактовой стенкой, что дополнительно снижает уровень шума от первой по потоку ступени роторных лопаток.

Выполнение в трактовой стенке кромок каждой щели, ориентированной по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, расположенными выше по потоку, чем кромок каждой соответствующей щели в полости вне тракта, уменьшает сопротивление при прохождении воздушного потока с вращающимися вихрями над роторными лопатками через щели.

На фиг.1 изображено надроторное устройство турбомашины.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1.

На фиг.3 - вид А на фиг.2.

На фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.

Надроторное устройство турбомашины содержит кольцевую трактовую стенку 1 с полостью вне тракта 2 и роторный лопаточный венец 3, между периферийными торцами 4 лопаток 5 которого и трактовой стенкой 1 имеется радиальный зазор d. В трактовой стенке 1 выполнены ряды отверстий 6 и 7 (см. фиг.3), сообщающие проточный тракт 8 с полостью вне тракта 2 и расположенные выше и ниже по потоку 9 от входных кромок 10 роторных лопаток 5 (см. фиг.2). Полость вне тракта 2 образована корпусом 11 компрессора низкого давления и кольцевой трактовой стенкой 1. Отверстия 6 в трактовой стенке 1, расположенные выше по потоку 9 от входных кромок 10 роторных лопаток 5, выполнены в виде рядов щелей 12, 13, 14, 15, ориентированных в окружном направлении 16 по вращению роторных лопаток 5. Отверстия 7 в трактовой стенке 1, расположенные ниже по потоку 9 от входных кромок 10 роторных лопаток 5, выполнены в виде щелей 17, ориентированных по потоку 18 в межлопаточных каналах роторных лопаток 5. Кромки 19 каждого ряда 12, 13, 14 или 15 щелей трактовой стенки 1, ориентированные в окружном направлении 16, размещены в полости тракта 8 ниже по потоку 9, чем кромки 20 каждого из соответствующих рядов 12, 13, 14 или 15 щелей, ориентированные в окружном направлении 16 в полости вне тракта 2, и на меньшем радиальном расстоянии r от оси вращения 21 роторного лопаточного венца 3, чем расстояние R от оси вращения 21 до периферийных торцев 4 роторных лопаток 5 (см. фиг.2, 3). В трактовой стенке 1, в каждой щели 17, ориентированной по потоку 18 в межлопаточных каналах роторных лопаток 5, кромки 22 в полости тракта 8 в окружном направлении 16 по вращению роторных лопаток 5 расположены выше по потоку 23 (окружная составляющая потока 16), чем кромки 24 каждой соответствующей щели 17 в полости вне тракта 2 (см. фиг. 4). Кроме того, поз. 25 - направление потока воздуха на входе в полость вне тракта 2, а поз. 26 - направление потока воздуха из полости вне тракта 2 на вход роторных лопаток 5.

Работает устройство следующим образом. Пульсации давления в проточном тракте 8 вниз по потоку 9 от роторных лопаток 5 имеют вид сложных колебаний, спектр частот которых состоит из сплошной части и отдельных составляющих в виде лопаточной частоты, модулированной частотой вращающегося срыва. Вращающийся вихрь над периферийными кромками 4 роторных лопаток 5 отбирается в направлении поз. 25 за счет перепада давлений через ряд щелей 17, ориентированных по потоку 18 в межлопаточных каналах между лопатками 5 роторной ступени 3, т.е. в абсолютном движении. Наклонные щели 17 за счет острых кромок 22 на одной из боковых сторон снижают сопротивление вращающимся вихрям над торцами 4 роторных лопаток, уменьшают турбулизацию воздушного потока и увеличивают пропускную способность щелей. Во внетрактовой полости 2 происходит демпфирование вращающихся вихрей и вдувание рециркулирующего потока воздуха по стрелке 26 в поток воздуха 9 перед входными кромками 10 роторных лопаток 5. Полость вне тракта 2 является камерой Гельмгольца, резонансно настраиваемой на частоту вращающегося срыва над периферийными торцами 4 роторных лопаток 5 при помощи определенного соотношения проходных площадей и числа рядов 12, 13, 14 и 15 щелей, ориентированных в окружном направлении 16 по вращению роторных лопаток 5, и щелей 17, ориентированных по потоку 18 в межлопаточных каналах роторных лопаток 5, а также за счет диффузорности кольцевой трактовой стенки 1. При этом "запирания", т.е. уменьшения расхода воздуха, предшествующего помпажу, не происходит, потери давления рециркулирующего потока не превышают величины потерь без срывных явлений над торцами 4 роторных лопаток 5, повышается КПД и снижается уровень шума роторной ступени осевой турбомашины.

Источники информации
1. Патент RU 2066402, МКИ F 04 D 19/00, 1993 г.

2. Патент US 5474417, МКИ F 01 D 1/12, 1994 г.

3. Патент WO 9510692, МКИ F 01 D 11/08, 1995 г.

4. Заявка RU 98108515/06, МКИ F 04 D 29/66, 1998 г. - прототип.

Изобретение относится к надроторным устройствам с рециркулирующим потоком текучей среды в ступенях осевых турбомашин. Устройство содержит кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и роторный лопаточный венец, между периферийными торцами лопаток которого и трактовой стенкой имеется радиальный зазор. В трактовой стенке выполнены ряды отверстий, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта и расположенные выше и ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток. Отверстия в трактовой стенке, расположенные выше по потоку от входных кромок роторных лопаток, выполнены в виде рядов щелей, ориентированных в окружном направлении по вращению роторных лопаток. Отверстия в трактовой стенке, расположенные ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, выполнены в виде щелей, ориентированных по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток. Кромки каждого ряда щелей трактовой стенки, ориентированные в окружном направлении, размещены в полости тракта ниже по потоку, чем кромки каждого из соответствующих рядов щелей, ориентированные в окружном направлении в полости вне тракта, и на меньшем радиальном расстоянии от оси вращения роторного лопаточного венца, чем расстояние от оси вращения до периферийных торцев роторных лопаток. В трактовой стенке каждой щели, ориентированной по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, кромки в полости тракта в окружном направлении по вращению роторных лопаток расположены выше по потоку, чем кромки каждой соответствующей щели в полости вне тракта. Изобретение позволяет расширить диапазон устойчивой работы, повысить КПД и уменьшить уровень компрессорного шума. 4 ил.

Надроторное устройство турбомашины, содержащее кольцевую трактовую стенку с полостью вне тракта и роторный лопаточный венец, между периферийными торцами лопаток которого и трактовой стенкой имеется радиальный зазор, а в трактовой стенке выполнены ряды отверстий, сообщающие проточный тракт с полостью вне тракта и расположенные выше и ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, отличающееся тем, что отверстия в трактовой стенке, расположенные выше по потоку от входных кромок роторных лопаток, выполнены в виде рядов щелей, ориентированных в окружном направлении по вращению роторных лопаток, а отверстия в трактовой стенке, расположенные ниже по потоку от входных кромок роторных лопаток, выполнены в виде щелей, ориентированных по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, при этом кромки каждого ряда щелей трактовой стенки, ориентированные в окружном направлении, размещены в полости тракта ниже по потоку, чем кромки каждого из соответствующих рядов щелей, ориентированные в окружном направлении в полости вне тракта, и на меньшем радиальном расстоянии от оси вращения роторного лопаточного венца, чем расстояние от оси вращения до периферийных торцев роторных лопаток, а в трактовой стенке в каждой щели ориентированной по потоку в межлопаточных каналах роторных лопаток, кромки в полости тракта в окружном направлении по вращению роторных лопаток расположены выше по потоку, чем кромки каждой соответствующей щели в полости вне тракта.