ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F04D29/58 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к осевому компрессору турбомашины, оснащенному устройством центростремительного отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора. При этом указанный компрессор содержит два венца рабочих лопаток, которые выступают радиально наружу от периферии двух последовательно установленных дисков, соединенных наружной обечайкой, снабженной отверстиями. Компрессор содержит также венец неподвижных спрямляющих лопаток, расположенный в проточной части компрессора между указанными двумя венцами рабочих лопаток. При этом указанные отверстия в обечайке служат в качестве входных отверстий для подачи воздуха в указанное устройство отбора и выходят в кольцевую канавку, предусмотренную под зазором, отделяющим внутренние полки спрямляющих лопаток от обода входного диска. Данная кольцевая канавка сообщается с указанной проточной частью посредством указанного зазора.

Уровень техники

Роль устройства центростремительного отбора воздуха, расположенного внутри рабочего колеса высокого давления, заключается в том, чтобы направлять воздух с определенным расходом, отобранный на одной ступени компрессора, к ступеням турбины для их охлаждения. Важно, чтобы охлаждающий воздух при его подводе к лопаткам турбины высокого давления, которые подвержены воздействию высоких температур, имел достаточное давление, чтобы обеспечить образование защитной воздушной пленки вокруг лопаток турбины, а также их возможно низкую температуру.

Устройство отбора может содержать каналы отбора, выполненные в переднем или входном диске, как это раскрыто в патентных документах Франции №№2609500 и 2614654. Оно может также содержать трубки отбора, расположенные в кольцевой полости, разделяющей два диска, как это раскрыто в патенте США №5475313.

Воздух, отбираемый в проточной части, проходит в кольцевую канавку через зазор, отделяющий внутренние полки спрямляющих лопаток от обода входного диска, по существу в осевом направлении и затем проходит через отверстия в вращающейся обечайке. Очевидно, что на входе в отверстия относительные скорости воздуха по отношению к вращающимся дискам имеют довольно высокие величины, что приводит к повышению общей относительной температуры воздуха в отверстиях и существенным потерям напора в этой зоне. Повышение температуры очевидным образом отражается на расходе воздуха, подводимого к лопаткам турбины. Потеря напора преобразуется в снижение расхода отбираемого воздуха.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании простых в осуществлении и недорогих средств, позволяющих значительно снизить температуру воздуха, подводимого к турбине высокого давления, и уменьшить потери напора при прочих равных условиях.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет того, что кольцевая канавка оснащена неподвижными направляющими средствами, придающими воздуху, циркулирующему в кольцевой канавке, турбулентное центростремительное движение в направлении вращения компрессора для снижения относительной скорости воздуха, входящего в отверстия, относительно указанных отверстий, приводимых во вращение.

Благодаря такому решению общая относительная температура воздуха в отверстиях значительно снижается по сравнению с температурой в известных компрессорах, что улучшает охлаждение лопаток турбины при равном расходе воздуха и повышает их долговечность.

Потери напора также снижаются, что положительно влияет на расход отбираемого воздуха по сравнению с идентичными отверстиями и устройствами отбора, известными из уровня техники, и увеличивает степень избыточного давления в лопатках турбины.

Сочетание двух преимуществ, получаемых благодаря изобретению, позволяет снизить расход воздуха, потребный для охлаждения лопаток турбины, и, за счет самого этого факта, снизить удельное потребление топлива для равного срока службы охлаждаемых лопаток турбины.

Указанные направляющие средства расположены по меньшей мере частично под внутренними полками спрямляющих лопаток.

В оптимальном примере осуществления направляющие средства, задающие направление движения воздуха в кольцевой канавке, содержат несколько лопаточных профилей, равномерно распределенных вокруг оси вращения компрессора.

Предпочтительно передние кромки лопаточных профилей по меньшей мере частично входят в указанный зазор, отделяющий внутренние полки спрямляющих лопаток от обода входного диска.

Угол атаки профилей определен как функция тангенциальной скорости и местной радиальной скорости воздуха, проходящего в зазоре.

Это позволяет не модифицировать скорость воздуха в кольцевой канавке и за счет этого не модифицировать статическое давление.

Лопаточные профили повышают коэффициент подсоса или затягивания воздуха в канавку, что позволяет при той же общей температуре воздуха снизить общую относительную температуру.

Улучшение коэффициента затягивания за счет лопаточных профилей составляет примерно 30% по сравнению с известными решениями, что соответствует снижению общей относительной температуры примерно на 40°С. Это позволяет вдвое увеличить срок службы лопаток турбины при том же расходе воздуха на охлаждение.

Перечень фигур чертежей

Пример осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает на виде в осевой плоскости компрессор турбомашины, оснащенный устройством центростремительного отбора воздуха в соответствии с известным решением, соответствующим уровню техники,

фиг.2 изображает на виде в осевой плоскости компрессор турбомашины, оснащенный устройством центростремительного отбора воздуха в соответствии с изобретением,

фиг.3 представляет диаграмму скоростей воздуха возле отверстий при отсутствии средств направления воздуха,

фиг.4 представляет диаграмму скоростей воздуха возле отверстий, получаемую благодаря средствам направления воздуха по изобретению,

фиг.5 изображает на виде в направлении оси лопаточные профили для направления воздуха в кольцевой канавке,

фиг.6 изображает на виде в перспективе спереди полки спрямляющих лопаток, оснащенные лопаточными профилями по изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показан компрессор 1 турбомашины, имеющий ось Х и оснащенный устройством 2 центростремительного отбора воздуха в соответствии с известным решением.

Компрессор 1 содержит передний или входной диск 3, оснащенный на своей периферии первым венцом рабочих лопаток 4, расположенным в проточной части 5 компрессора, задний или выходной диск 6, оснащенный на своей периферии вторым венцом рабочих лопаток 7, расположенным в проточной части 5 со смещением вдоль оси, и венец неподвижных спрямляющих лопаток 8, который расположен в проточной части 5 между первым и вторым венцами рабочих лопаток.

Входной диск 3 и выходной диск 6 соединены между собой наружной обечайкой 9, снабженной лабиринтным уплотнением 10, которое взаимодействует с внутренней поверхностью внутренних полок 11 спрямляющих лопаток 8. Под зазором 13, который отделяет обод входного диска 3 от внутренних полок 11, выполнена кольцевая канавка 12. Отверстия 14, выполненные в наружной обечайке 9, выходят в кольцевую канавку 12. Эти отверстия 14 допускают ввод потока отбираемого воздуха в устройство 2 центростремительного отбора воздуха, которое в примере выполнения по фиг.1 содержит радиальные каналы 15, выполненные в стенке входного диска 3. Отобранный воздух направляется радиально внутрь по радиальным каналам 15, отклоняется внутренней радиальной частью 16 входного диска 3 в сторону задней части компрессора и течет в осевом направлении к ступеням турбины, приводящим компрессор 1 во вращение.

Диаграмма скоростей на фиг.3 показывает, что относительная скорость Vr₁ воздуха вблизи отверстий 14 по отношению к периферии входного диска 3 относительно высока. На диаграмме Va₁ обозначает абсолютную скорость воздуха, а Ve представляет окружную скорость обода диска 3.

На фиг.2 показан тот же компрессор 1, оснащенный неподвижными направляющими средствами 20, предназначенными для придания воздуху, циркулирующему в кольцевой канавке 12 между зазором 13 и отверстиями 14, турбулентного центростремительного движения в направлении вращения компрессора 1.

На выходе этих направляющих средств воздух имеет абсолютную скорость Va₂. Эта скорость равна по величине абсолютной скорости Va₁, но скорость Va₂ направлена по существу тангенциально периферии наружной обечайки 9. В результате, как это видно из фиг.4, относительная скорость Vr₂ воздуха по отношению к входному диску 3 значительно ниже относительной скорости Vr₁ в известном решении, соответствующем уровню техники.

Как показано на фиг.2, 5 и 6, направляющие средства 20 расположены в кольцевой канавке 12 под входной частью внутренних полок 11 спрямляющих лопаток 8.

Эти направляющие средства 20 содержат множество лопаточных профилей 21 или лопаток, которые равномерно распределены вокруг оси Х вращения компрессора 1 и передние кромки 22 которых входят по меньшей мере частично в зазор 13. Угол α атаки этих профилей 21 определен, как функция тангенциальной скорости и местной радиальной скорости воздуха, проходящего через зазор 13.

Лопаточные профили 21 спроектированы таким образом, что воздух, входящий через зазор 13 и текущий между лопаточными профилями 21, выходит из профилей со скоростью Va₂, представленной стрелкой или вектором на фиг.4 и 6. Эта скорость Va₂ направлена по существу тангенциально окружной скорости Ve обода диска для того, чтобы значительно снизить относительную скорость воздуха Vr₂, проходящего в отверстия 14.

Изобретение относится к осевому компрессору турбомашины, оснащенному устройством (2) центростремительного отбора воздуха в проточной части (5) указанного компрессора, причем этот воздух предназначен для охлаждения турбины. Компрессор содержит два венца рабочих лопаток (4, 7), которые проходят радиально наружу к периферии двух последовательных дисков (3, 6), соединенных наружной обечайкой (9), снабженной отверстиями (14), и венец неподвижных спрямляющих лопаток (8), расположенный в проточной части (5) между указанными двумя венцами рабочих лопаток. Эти отверстия служат воздушными впусками указанного устройства отбора и выходят в кольцевую канавку (12), предусмотренную под зазором (13), отделяющим внутренние полки (11) спрямляющих лопаток (8) от обода входного диска, а указанная кольцевая канавка сообщается с проточной частью посредством указанного зазора. Кольцевая канавка (12) оснащена неподвижными направляющими средствами (20), придающими воздуху, циркулирующему в кольцевой канавке (12), турбулентное центростремительное движение в направлении вращения компрессора для снижения относительной скорости воздуха, входящего в отверстия (14), относительно указанных вращающихся отверстий. Эти направляющие средства содержат лопаточные профили, укрепленные под внутренними полками (11) спрямляющих лопаток (8). 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Осевой компрессор турбомашины, оснащенный устройством (2) центростремительного отбора воздуха для охлаждения турбины, расположенным в проточной части (5) указанного компрессора, причем указанный компрессор содержит два венца рабочих лопаток (4, 7), которые выступают радиально наружу от периферии двух последовательно установленных дисков (3, 6), соединенных наружной обечайкой (9), снабженной отверстиями (14), и венец неподвижных спрямляющих лопаток (8), расположенный в проточной части (5) компрессора между указанными двумя венцами рабочих лопаток, при этом указанные отверстия служат в качестве входных отверстий для подачи воздуха в указанное устройство отбора и выходят в кольцевую канавку (12), предусмотренную под зазором (13), отделяющим внутренние полки (11) спрямляющих лопаток (8) от обода входного диска, и сообщающуюся с указанной проточной частью посредством указанного зазора, отличающийся тем, что кольцевая канавка (12) оснащена неподвижными направляющими средствами (20), придающими воздуху, циркулирующему в кольцевой канавке (12), турбулентное центростремительное движение в направлении вращения компрессора для снижения относительной скорости воздуха, входящего в отверстия (14), относительно указанных отверстий, приводимых во вращение.2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что указанные направляющие средства расположены по меньшей мере частично под внутренними полками (11) спрямляющих лопаток (8).3. Компрессор по п.2, отличающийся тем, что указанные направляющие средства в кольцевой канавке содержат множество лопаточных профилей (21), равномерно распределенных вокруг оси (X) вращения указанного компрессора.4. Компрессор по п.3, отличающийся тем, что передние кромки (22) лопаточных профилей (21) по меньшей мере частично входят в указанный зазор (13).5. Компрессор по п.4, отличающийся тем, что угол (а) атаки профилей определен, как функция тангенциальной скорости и местной радиальной скорости воздуха, проходящего в зазоре.6. Компрессор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что указанное устройство (2) отбора содержит каналы (15) отбора, выполненные во входном диске (3).