РЕЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА, АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СТАЦИОНАРНАЯ ТУРБИНА, ИМЕЮЩИЕ ТУРБОКОМПРЕССОР С ТАКОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2007 года по МПК F04D27/02 

Настоящее изобретение относится к рециркуляционной структуре для турбокомпрессора, а также к авиационному двигателю и стационарной газовой турбине, имеющим турбокомпрессор с такой рециркуляционной структурой.

Рециркуляционные структуры для турбокомпрессоров известны уже достаточно давно и среди специалистов обычно называются устройствами типа "casing treatment" (встроенными в корпус рециркуляционными устройствами). Основное назначение таких устройств состоит в расширении области аэродинамически устойчивой работы компрессора за счет смещения так называемой границы помпажа в сторону более высоких значений создаваемого компрессором давления, т.е. в сторону более высоких значений нагрузки компрессора. Возмущения, ответственные за возникновение локального срыва потока и в конечном итоге за возникновение помпажа компрессора, со стороны корпуса возникают на концах лопаток рабочего колеса одной, соответственно нескольких ступеней компрессора, а со стороны ступицы - на радиально внутренних концах лопаток рабочего колеса, поскольку в этих зонах аэродинамическая нагрузка достигает максимальной величины. Возврат находящихся между вершинами лопаток и вращающихся с частотой их вращения, обладающих пониженной энергией "воздушных масс" обратно в основной поток с увеличением их энергии позволяет вновь стабилизировать поток в зоне концов лопаток. Поскольку возмущения в потоке обычно возникают неравномерно в окружном направлении ступени компрессора, в дополнение к преимущественно осевой рециркуляции с аэродинамической точки зрения следует обеспечить компенсацию таких возмущений и в окружном направлении ступени компрессора. Основной недостаток известных устройств типа "casing treatment" заключается в том, что они несмотря на обеспечиваемую ими возможность повышения порога помпажа одновременно с этим снижают кпд компрессора.

В патенте DE 3322295 С3 описан осевой вентилятор с устройством "casing treatment" указанного в начале описания типа. Такое устройство имеет кольцевую камеру (поз.8) с неподвижно установленными в ней направляющими элементами (поз.9). На заднем по ходу потока участке над концами рабочих лопаток расположена открытая по всей окружности зона, до которой направляющие элементы не доходят. Характерной особенностью подобного устройства типа "casing treatment" является наличие у него замкнутого кольца (поз.7), контур которого лежит примерно на одной линии с контуром основного проточного канала и которое отделяет заднюю входную часть рециркуляционной структуры от ее передней выходной части и образует гладкий сплошной участок поверхности.

Во многом схожее с описанным выше устройство типа "casing treatment" известно из DE 3539604 С1, причем в этом случае в передней и задней частях кольцевой камеры (поз.7) имеется открытая по всей ее окружности зона. У описанного в указанной публикации устройства также предусмотрено радиально внутреннее кольцо (поз.6).

Более современное устройство типа "casing treatment" известно из патента US 5282718. У описанного в этом патенте устройства аэродинамически усовершенствованы его кольцевая камера (поз.18, 28) и направляющие элементы (поз.24). Однако и в этом случае входной и выходной рециркуляционные потоки отделены друг от друга массивным, гладким со стороны лопаток замкнутым кольцом. Обычно такие кольца на случай касания с ними вершин лопаток необходимо снабжать на расположенном напротив лопаток участке специальным покрытием, защищающим их от повреждения при соприкосновении с ними вершин лопаток, соответственно способствующим их прирабатыванию.

Существуют и иные устройства типа "casing treatment" с проходящими параллельно оси, соответственно под углом к ней канавками, как это, описано, например, в US 5137419. Однако такие устройства в настоящем описании не рассматриваются, поскольку они из-за наличия у них не соединяющихся между собой канавок не позволяют обеспечить выравнивание потока в окружном направлении.

С учетом присущих известным из уровня техники решениям недостатков в основу настоящего изобретения была положена задача разработать рециркуляционную структуру для турбокомпрессора, которая позволяла бы значительно повысить порог помпажа и за счет этого существенно расширить область устойчивой работы турбокомпрессора без заметного снижения его кпд.

Эта задача решается в рециркуляционной структуре для турбокомпрессора, имеющей расположенную концентрично оси турбокомпрессора в зоне свободных концов лопаток лопаточного венца кольцевую камеру, которая в радиальном направлении граничит с контуром основного проточного канала, так называемого кольцевого пространства, и с ее граничащей с контуром основного проточного канала стороны по всей ее осевой длине и по всей ее окружности открыта в сторону этого основного проточного канала и которая снабжена множеством расположенных внутри нее и распределенных по ее окружности направляющих элементов, которые за счет их соответствующего размещения и придания им соответствующей формы обеспечивают в задней в осевом направлении части кольцевой камеры аэродинамически рациональное поступление в нее рециркуляционного потока, а в передней в осевом направлении части кольцевой камеры обеспечивают выход из нее рециркуляционного потока в заданном направлении, а также необязательно его закручивание в определенном направлении относительно расположенного далее по ходу потока лопаточного венца, при этом в передней и/или задней части кольцевой камеры между ее передней, соответственно задней стенкой и направляющими элементами имеются выемки для прохода потока в окружном направлении кольцевой камеры.

В предлагаемой в изобретении рециркуляционной структуре свободные кромки направляющих элементов по всей их осевой длине лежат на или вблизи линии, ограничивающей контур основного проточного канала, а осевая середина кольцевой камеры расположена по ходу потока перед осевой серединой свободных концов лопаток. Эти признаки в сочетании с выполнением кольцевой камеры с расположенными в ней направляющими элементами полностью открытой по всей ее осевой длине и по всей ее окружности позволяют отказаться от применения кольцевых элементов, снабженных покрытиями, защищающими их от повреждения при соприкосновении с вершинами лопаток, и иных элементов. При этом повышается граница помпажа без заметного уменьшения кпд компрессора. Из приведенных выше патентных публикаций следует, что в данной области техники до настоящего времени основные усилия были направлены на выполнение рециркуляционных структур с их обращенной к основному проточному каналу, т.е. к так называемому кольцевому пространству, стороны гладкими, с минимальным количеством щелей и сплошными на участке максимально возможной осевой протяженности с целью наиболее рационального с точки зрения аэродинамики и связанного лишь с минимальными потерями удлинения контура основного проточного канала. В отличие от этого предлагаемое в изобретении решение приводит к появлению в основном проточном канале щелей, рельефных поверхностей и т.д. и поэтому на первый взгляд кажется неудачным и нецелесообразным. Однако по результатам проведенных опытов было установлено, что предлагаемая в изобретении рециркуляционная структура превосходит известные технические решения как с точки зрения повышения порога помпажа, так и с точки зрения кпд турбокомпрессора. С точки зрения аэродинамики подобный эффект можно объяснить тем, что свободное, естественное формирование рециркуляционного потока в открытой кольцевой камере со свободно выступающими в ней направляющими элементами и проточными соединениями в ее окружном направлении имеет гораздо более важное значение, чем удлинение контура основного проточного канала при минимально возможном количестве щелей. Дополнительное преимущество, связанное с отсутствием в предлагаемой в изобретении рециркуляционной структуре сплошного кольца, состоит в отсутствии необходимости снабжать направляющие элементы специальным покрытием, защищающим их от повреждения при соприкосновении с ними лопаток, соответственно способствующим их прирабатыванию, а также в уменьшении радиальных размеров турбокомпрессора и в снижении его массы, что связано с определенными конструктивно-механическими преимуществами.

Предлагаемая в изобретении рециркуляционная структура она в количестве одной или нескольких штук может быть расположена неподвижно относительно корпуса турбокомпрессора, т.е. выполнена статической, в зоне одного или нескольких рабочих колес и/или в количестве одной или нескольких штук может быть расположена неподвижно относительно ступицы рабочего колеса турбокомпрессора, т.е. выполнена вращающейся, в зоне одного или нескольких направляющих аппаратов.

Применение предлагаемой в изобретении рециркуляционной структуры возможно в одно- или многоступенчатом турбокомпрессоре осевого, диагонального или центробежного типа.

В частном варианте выполнения предлагаемой в изобретении рециркуляционной структуры передняя в осевом направлении стенка и задняя в осевом направлении стенка кольцевой камеры могут быть наклонены начиная от их кромок, лежащих на линии, ограничивающей контур основного проточного канала, на одинаковый или различный угол навстречу потоку, т.е. наклонены вперед. При этом угол α наклона передней и задней в осевом направлении стенок кольцевой камеры, отсчитываемый от радиального направления, может составлять от 30 до 60°.

Кроме того, направляющие элементы могут быть выполнены в виде ровных или искривленных металлических пластин постоянной толщины либо в виде пространственно искривленных лопаток с переменной толщиной и с определенным профилем сечения. Такие направляющие элементы, если смотреть в осевом направлении, могут быть радиально наклонены или искривлены в окружном направлении, при этом в случае их наклона или искривления углы β подбираются с таким расчетом, чтобы облегчить с аэродинамической точки зрения, т.е. обеспечить аэродинамически рациональное, поступление рециркуляционного потока в кольцевую камеру.

Соотношение между общим объемом потока и общим объемом направляющих элементов в пределах рециркуляционной структуры может быть подобрано максимально возможным, т.е. направляющие элементы предпочтительно выполнять минимально возможной толщины, соответственно профилировать их как можно более тонкими.

Направляющие элементы в осевом направлении могут доходить вплоть до зоны свободных концов лопаток, при этом свободные кромки направляющих элементов по меньшей мере на участке, расположенном радиально напротив свободных концов лопаток, целесообразно радиально удалить от них на такое расстояние, при котором при нормальной работе турбокомпрессора исключается соприкосновение концов лопаток с направляющими элементами.

Направляющие элементы могут быть выполнены из металла, такого как сталь или сплав на основе Ni либо Со, из легкого металла, такого как Al, или из синтетического материала, такого как термопласт, реактопласт или эластомер. Если направляющие элементы выполнены из легкого металла или синтетического материала, их свободные кромки направляющих элементов могут доходить вплоть до зоны свободных концов лопаток с возможностью соприкосновения с ними.

Объектами изобретения являются также авиационный двигатель и стационарная газовая турбина, снабженные турбокомпрессором по меньшей мере с одной предлагаемой в изобретении рециркуляционной структурой.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые упрощенные и выполненные без соблюдения масштаба чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - фрагмент изображенного в продольном разрезе компрессора осевого типа на участке, на котором расположена встроенная в его корпус рециркуляционная структура,

на фиг.2 - аналогичный показанному на предыдущем чертеже фрагмент изображенного в продольном разрезе компрессора на участке, на котором расположена встроенная в ступицу рециркуляционная структура,

на фиг.3 - фрагмент изображенной в поперечном разрезе рециркуляционной структуры, показанной на фиг.1,

на фиг.4 - фрагмент показанной на фиг.1 и 3 рециркуляционной структуры в виде радиально изнутри,

на фиг.5 - фрагмент изображенного в продольном разрезе компрессора на участке, на котором расположена встроенная в его корпус рециркуляционная структура, несколько модифицированная по сравнению с показанной на фиг.1 рециркуляционной структурой, и

на фиг.6 - фрагмент изображенного в продольном разрезе компрессора на участке, на котором расположена встроенная в его корпус рециркуляционная структура, модифицированная по сравнению с показанными на фиг.1 и 5 рециркуляционными структурами.

Показанная на фиг.1 рециркуляционная структура 1 встроена в корпус 5 турбокомпрессора и поэтому может быть названа устройством типа "casing treatment" (встроенное в корпус устройство, англ. "casing" - корпус). Направление потока в основном проточном канале 9, в котором расположена система лопаток, обозначено показанной на чертеже слева стрелкой, т.е. поток движется через этот канал слева направо. На показанном на чертеже участке поток сначала набегает на направляющий аппарат 13 (входной), затем на рабочее колесо 20 и затем еще на один направляющий аппарат 14 (выходной). Радиально внешний контур 11 основного проточного канала 9 соответствует внутреннему контуру корпуса 5 и для наглядности условно обозначен на чертеже продолжающими его слева и справа от основного изображения штрихпунктирными линиями. Статическая рециркуляционная структура 1 взаимодействует с рабочим колесом 20 и в осевом направлении большей частью расположена перед ним, т.е. впереди по ходу потока. С радиально внешней стороны к основному проточному каналу 9 примыкает открытая с его стороны кольцевая камера 29, которая совместно с направляющими элементами 37 и образует рециркуляционную структуру 1. Свободные кромки 41 направляющих элементов 37 лежат на одной линии с линией, ограничивающей контур 11 основного проточного канала 9, или вблизи нее, т.е. по меньшей мере приблизительно лежат на линии, ограничивающей внутренний контур корпуса. Эти направляющие элементы 37 могут быть выполнены из металла, например никелевого сплава, из легкого металла, например алюминия, либо из синтетического материала, такого как термопласты, реактопласты или эластомеры. Передняя 33 и задняя 34 стенки кольцевой камеры 29 для уменьшения их аэродинамического сопротивления обозначенному маленькой стрелкой рециркуляционному потоку выполнены наклоненными вперед начиная от их радиально внутренних краев 35, 26.

Угол наклона передней стенки обозначен через α и может равняться углу наклона задней стенки 34 либо отличаться от него. Между передней стенкой 33, направляющими элементами 37 и задней стенкой 34 предусмотрены выемки 45, 46, которые в дополнение к происходящей преимущественно в осевом направлении рециркуляции потоков допускают их движение в кольцевой камере в ее окружном направлении. Позицией 25 обозначены свободные концы лопаток рабочего колеса 20, в зоне которых наиболее вероятно возникновение возмущений в потоке.

В отличие от показанного на фиг.1 варианта на фиг.2 показана интегрированная во вращающуюся ступицу 8 рециркуляционная структура 2. В показанном на этом чертеже варианте в основном проточном канале 10 расположены, если смотреть слева направо, рабочее колесо 21, направляющий аппарат 15, свободные концы 26 лопаток которого обращены радиально внутрь, и рабочее колесо 22. В соответствии с этим подобную рециркуляционную структуру при таком ее новом расположении следовало бы обозначить как устройство типа "hub treatment" (встроенное в ступицу устройство, англ. "hub" - ступица). Эта состоящая из кольцевой камеры 30 и направляющих элементов 38 рециркуляционная структура 2 с передними и задними выемками 47, 48 взаимодействует с направляющим аппаратом 15, который большей частью расположен по ходу потока за ней. Поскольку в этом случае устройство типа "hub treatment" вращается, а направляющий аппарат 15 остается неподвижным, частота вращения ротора полностью соответствует относительной частоте вращения. По своему принципу действия устройство типа "hub treatment" no существу ничем не отличается от устройства типа "casing treatment". Устройства обоих типов "hub treatment" и "casing treatment" можно также совместно использовать в одном и том же турбокомпрессоре, в том числе и в нескольких его ступенях. В рассматриваемом случае радиально внутренний контур 12 основного проточного канала соответствует наружному контуру ступицы 8.

На фиг.3 более детально в разрезе показан фрагмент изображенной на фиг.1 конструкции. Направляющие элементы 37 наклонены под таким углом β к радиусу, при котором концы 25 лопаток вращающегося (в обозначенном стрелкой направлении) рабочего колеса 20 без существенных потерь направляют рециркуляционный поток в кольцевую камеру 29. При соответствующей кривизне направляющих элементов угол их наклона β может уменьшаться в радиальном направлении изнутри наружу до нулевого значения.

В принципе существует возможность строго радиального расположения направляющих элементов, т.е. с углом их наклона β, равным 0°, однако такое их расположение менее целесообразно с точки зрения создаваемого ими аэродинамического сопротивления.

Более наглядное представление об аэродинамическом профиле и кривизне направляющих элементов 37 позволяет получить показанная на фиг.4 проекция, где в дополнение к фиг.3 показан профиль лопаток рабочего колеса 20 вместе с направлением его вращения (обозначенным стрелкой). Для специалиста представляется очевидным, что на выходе из кольцевой камеры 29 в зоне ее передней по ходу потока кромки 35 рециркуляционный поток в этом случае должен закручиваться против вращения рабочего колеса 20. Позицией 36 обозначена задняя по ходу потока кромка кольцевой камеры. Следует отметить, что в более простых вариантах осуществления изобретения направляющие элементы 37 могут быть выполнены и в виде ровных либо искривленных "металлических пластин" (листовых деталей).

Показанная на фиг.5 рециркуляционная структура 3 представляет собой устройство типа "casing treatment" с интегрированной в корпус 6 турбокомпрессора кольцевой камерой 31. В этом случае направляющие элементы 39 доходят до передней стенки кольцевой камеры 31, в задней части которой непосредственно вблизи концов 27 лопаток рабочего колеса 23 имеются выемки 49. Свободные кромки 43 направляющих элементов 39 несколько не доходят до окружности, описываемой концами 27 лопаток при их вращении. Позициями 16 и 17 обозначены направляющие аппараты.

Показанная на фиг.6 рециркуляционная структура 4 с кольцевой камерой 32 и направляющими элементами 40 также представляет собой устройство типа "casing treatment", интегрированное в корпус 7 турбокомпрессора и взаимодействующее с рабочим колесом 24. В отличие от показанного на фиг.5 варианта направляющие элементы 40 в данном случае доходят до задней стенки кольцевой камеры 32. Выемки же 50 в рассматриваемом варианте расположены в передней части кольцевой камеры. Помимо этого свободные кромки 44 направляющих элементов 40, поскольку они доходят до окружности, описываемой концами 28 лопаток при их вращении, во избежание их соприкосновения с этими лопатками выполнены на их заднем участке укороченными радиально наружу, т.е. выполнены ступенчатой формы. Очевидно, что кромки можно укоротить на соответствующую величину и по всей их длине.

Во всех вариантах выполнения рециркуляционной структуры свободные кромки 41-44 направляющих элементов 37-40 при условии их изготовления из мягкого легкого металла или из синтетического материала (пластика) необязательно должны иметь укороченное радиально наружу исполнение, поскольку в этом случае вполне можно допустить их соприкосновение с концами 25-28 лопаток без опасности их повреждения.

Рециркуляционная структура для турбокомпрессора имеет расположенную концентрично оси турбокомпрессора в зоне свободных концов лопаток лопаточного венца кольцевую камеру, которая в радиальном направлении граничит с контуром основного проточного канала. Кольцевая камера с ее граничащей с контуром основного проточного канала стороны по всей ее осевой длине и по всей ее окружности открыта в сторону этого основного проточного канала и снабжена множеством расположенных внутри нее и распределенных по ее окружности направляющих элементов. В передней в осевом направлении части кольцевой камеры обеспечивают выход из нее рециркуляционного потока в заданном направлении. В передней и/или задней части кольцевой камеры между ее передней соответственно задней стенкой и направляющими элементами имеются выемки для прохода потока в окружном направлении кольцевой камеры. Свободные кромки направляющих элементов по всей их осевой длине лежат на или вблизи линии, ограничивающей контур основного проточного канала. Осевая середина кольцевой камеры расположена по ходу потока перед осевой серединой свободных концов лопаток. Изобретение расширяет область устойчивой работы турбокомпрессора. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Рециркуляционная структура для турбокомпрессора, имеющая расположенную концентрично оси турбокомпрессора в зоне свободных концов лопаток лопаточного венца кольцевую камеру, которая в радиальном направлении граничит с контуром основного проточного канала так называемого кольцевого пространства, и с ее граничащей с контуром основного проточного канала стороны по всей ее осевой длине и по всей ее окружности открыта в сторону этого основного проточного канала и которая снабжена множеством расположенных внутри нее и распределенных по ее окружности направляющих элементов, которые за счет их соответствующего размещения и придания им соответствующей формы обеспечивают в задней в осевом направлении части кольцевой камеры аэродинамически рациональное поступление в нее рециркуляционного потока, а в передней в осевом направлении части кольцевой камеры обеспечивают выход из нее рециркуляционного потока в заданном направлении, а также необязательное его закручивание в определенном направлении относительно расположенного далее по ходу потока лопаточного венца, при этом в передней и/или задней части кольцевой камеры между ее передней соответственно задней стенкой и направляющими элементами имеются выемки для прохода потока в окружном направлении кольцевой камеры, отличающаяся тем, что свободные кромки (41-44) направляющих элементов (37-40) по всей их осевой длине лежат на или вблизи линии, ограничивающей контур (11, 12) основного проточного канала (9, 10), а осевая середина кольцевой камеры (29-32) расположена по ходу потока перед осевой серединой свободных концов (25-28) лопаток.2. Рециркуляционная структура по п.1, отличающаяся тем, что она в количестве одной или нескольких штук расположена неподвижно относительно корпуса турбокомпрессора, т.е. выполнена статической, в зоне одного или нескольких рабочих колес (20, 23, 24) и/или в количестве одной или нескольких штук расположена неподвижно относительно ступицы рабочего колеса турбокомпрессора, т.е. выполнена вращающейся, в зоне одного или нескольких направляющих аппаратов (15).3. Рециркуляционная структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она расположена в одно- или многоступенчатом турбокомпрессоре осевого, диагонального или центробежного типа.4. Рециркуляционная структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что передняя в осевом направлении стенка (33) и задняя в осевом направлении стенка (34) кольцевой камеры (29) наклонены, начиная от их кромок (35, 36), лежащих на линии, ограничивающей контур (11) основного проточного канала (9), на одинаковый или различный угол α навстречу потоку, т.е. наклонены вперед.5. Рециркуляционная структура по п.4, отличающаяся тем, что угол α наклона передней и задней в осевом направлении стенок кольцевой камеры, отсчитываемый от радиального направления, составляет от 30 до 60°.6. Рециркуляционная структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что направляющие элементы (37-40) выполнены в виде ровных или искривленных металлических пластин постоянной толщины либо в виде пространственно искривленных лопаток с переменной толщиной и с определенным профилем сечения.7. Рециркуляционная структура по п.6, отличающаяся тем, что направляющие элементы (37-40), если смотреть в осевом направлении, радиально наклонены или искривлены в окружном направлении, при этом в случае их наклона или искривления углы β подобраны с таким расчетом, чтобы облегчить с аэродинамической точки зрения, т.е. обеспечить аэродинамически рациональное поступление рециркуляционного потока в кольцевую камеру (29-32).8. Рециркуляционная структура по п.6, отличающаяся тем, что соотношение между общим объемом потока и общим объемом направляющих элементов (37-40) в пределах рециркуляционной структуры (1-4) подобрано максимально возможным, т.е. направляющие элементы (37-40) выполнены минимально возможной толщины, соответственно спрофилированы минимально тонкими.9. Рециркуляционная структура по п.6, у которой ее направляющие элементы в осевом направлении доходят вплоть до зоны свободных концов лопаток, отличающаяся тем, что свободные кромки (44) направляющих элементов (40) по меньшей мере на участке, расположенном радиально напротив свободных концов (28) лопаток, радиально удалены от них на такое расстояние, при котором при нормальной работе турбокомпрессора исключается соприкосновение концов (28) лопаток с направляющими элементами (40).10. Рециркуляционная структура по п.6, отличающаяся тем, что направляющие элементы (37-40) выполнены из металла такого, как сталь или сплав на основе Ni либо Со, из легкого металла такого, как Al, или из синтетического материала такого, как термопласт, реактопласт или эластомер.11. Рециркуляционная структура по п.10, отличающаяся тем, что свободные кромки (41-44) направляющих элементов (37-40), если они выполнены из легкого металла или синтетического материала, доходят вплоть до зоны свободных концов (25-28) лопаток и допускают возможность соприкосновения с ними.12. Авиационный двигатель, снабженный турбокомпрессором по меньшей мере с одной рециркуляционной структурой по одному из пп.1-11.13. Стационарная газовая турбина, снабженная турбокомпрессором по меньшей мере с одной рециркуляционной структурой по одному из пп.1-11.