СБОРКА ТРУБЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ, ОБВОДНАЯ ТРУБА И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК F01D25/30 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей. Более конкретно, оно относится к управлению потоком в газотурбинных двигателях.

В газотурбинных двигателях существует предпочтительное соотношение между диаметрами каскада турбины высокого давления и каскада турбины низкого давления. В частности, каскад турбины низкого давления имеет больший диаметр, чем каскад турбины высокого давления для обеспечения оптимальной работы двигателя. Из-за этой разности в радиальном размере переходная труба, соединяющая турбину высокого давления и турбину низкого давления, должна быть приспособлена к этому изменению в радиусе.

Однако увеличение размера трубы на относительно коротком расстоянии может привести к разделению пограничного слоя потока внутри трубы, неблагоприятно воздействуя на работу турбины низкого давления. Поэтому газотурбинные двигатели часто выполняют с удлиненными переходными трубами или переходными трубами, которые не достигают оптимального соотношения между размером турбины высокого давления и размером турбины низкого давления (см., например, патент США №4448019).

Поэтому существует необходимость в дальнейшем усовершенствовании конструкции таких межтурбинных переходных труб.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создана сборка трубы для использования в газотурбинном двигателе, включающая в себя: трубу, содержащую входную часть и выходную часть, причем труба включает в себя внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, а также труба образует магистральный путь потока текучей среды между турбиной высокого давления, расположенной внутри входного конца трубы, и турбиной низкого давления, расположенной внутри выходного конца трубы; камеру сгорания, присоединенную к входному участку трубы, причем труба выполнена с возможностью принятия потока из камеры сгорания; всасывающее отверстие, расположенное до турбины высокого давления на внешней поверхности трубы; сопло, расположенное после турбины высокого давления и соединенное с трубой; и обводной канал, имеющий входной конец и выходной конец, причем входной конец обводного канала находится в соединении по текучей среде с всасывающим отверстием, а выходной конец обводного канала находится в соединении по текучей среде с соплом, причем обводной канал образует обводной путь потока текучей среды между всасывающим отверстием и соплом.

Предпочтительно, сопло расположено до точки отделения в пограничном слое потока текучей среды вдоль внешней поверхности трубы после турбины высокого давления.

Предпочтительно, обводной путь потока текучей среды не проходит через турбину высокого давления.

Предпочтительно, всасывающее отверстие представляет собой отверстие во внешней поверхности.

Предпочтительно, сопло примыкает к пограничному слою потока текучей среды внутри магистрального пути потока текучей среды, который прилегает к внешней поверхности трубы.

Предпочтительно, сопло расположено до точки отделения в пограничном слое потока текучей среды вдоль внешней поверхности трубы после турбины высокого давления.

Предпочтительно, первое давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у всасывающего отверстия, больше, чем второе давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у сопла.

Предпочтительно, разность между первым давлением текучей среды и вторым давлением текучей среды заставляют текучую среду протекать обводным путем потока текучей среды от всасывающего отверстия к соплу.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создана обводная труба, включающая в себя всасывающее отверстие, выполненное на поверхности магистрального пути потока через газотурбинный двигатель, причем всасывающее отверстие расположено до турбины высокого давления в магистральном пути потока и после камеры сгорания газотурбинного двигателя; сопло, расположенное на поверхности магистрального пути потока после турбины высокого давления; и обводной канал, соединенный по текучей среде как с всасывающим отверстием, так и соплом, при этом обводной канал образует обводной путь потока, который не проходит через турбину высокого давления.

Предпочтительно, первое давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у всасывающего отверстия, больше, чем второе давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у сопла.

Предпочтительно, разность между первым давлением текучей среды и вторым давлением текучей среды заставляет текучую среду протекать через обводную трубу от всасывающего отверстия к соплу.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан газотурбинный двигатель, включающий: трубу, имеющую входной конец и выходной конец и содержащую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем труба образует магистральный путь потока текучей среды между областью относительно высокого давления, связанной с входным концом трубы, и областью относительно низкого давления, связанной с выходным концом трубы; камеру сгорания, присоединенную к входному участку трубы, причем труба выполнена с возможностью принятия потока из камеры сгорания; турбину высокого давления, расположенную внутри трубы; турбину низкого давления, расположенную внутри трубы после турбины высокого давления; всасывающее отверстие, расположенное внутри внешней поверхности трубы до турбины высокого давления, сопло, расположенное внутри внешней поверхности трубы до турбины низкого давления; и обводной канал, имеющий входной конец и выходной конец, причем входной конец обводного канала соединен со всасывающим отверстием, а выходной конец обводного канала соединен с соплом.

Вышеупомянутые и другие отличительные признаки изобретения будут описаны с использованием чертежа варианта воплощения конструкции межтурбинной трубы. Чертеж предназначен для пояснения и не ограничивает изобретение.

На чертеже показано схематическое поперечное сечение варианта воплощения конструкции межтурбинной переходной трубы в соответствии с настоящим изобретением.

Описанные системы, сборки и способы основаны на использовании инжекции высокоэнергетического воздуха в пограничный слой потока, проходящий через межтурбинную переходную трубу в газотурбинном двигателе, для предупреждения начала разделения пограничного слоя вдоль внешней поверхности трубы. Для возбуждения пограничного слоя, текущего по внешней поверхности трубы, может использоваться более интенсивно расширяющаяся труба, позволяющая выполнять турбины для двигателей более компактными, а также более эффективными. Высокоэнергетический воздух, вводимый в переходную трубу, выдувается из потока вдоль внешней стенки турбины высокого давления и входит в инжекционное сопло. Поскольку давление до турбины высокого давления больше, чем в области инжекции после турбины высокого давления, то естественный перепад давлений между входом во всасывающее отверстие и выходом у инжекционного сопла заставляет поток перемещаться через инжекционный канал без необходимости прокачивать через него текучую среду. Таким образом, высокоэнергетическое вдувание воздуха представляет собой самовсасывание.

Далее в описании термин "осевой" в основном относится к направлению, параллельному оси, вокруг которой вращаются вращающиеся компоненты газотурбинного двигателя. Эта ось проходит от передней части двигателя к задней части двигателя. Термин "радиальный" относится в основном к направлению, перпендикулярному оси вращения вращающихся компонентов газотурбинного двигателя, и указывает на положение: близкое или дальнее от оси двигателя. "Периферийное" направление в данной точке представляет собой направление по нормали к локальному радиальному направлению и также по нормали к осевому направлению.

Направление "входа" относится к направлению, по которому поступает локальный поток, в то время как направление "выхода" относится к направлению, по которому локальный поток выходит. В целом, поток через двигатель имеет тенденцию проходить от передней к задней части двигателя так, что "направление входа" будет в основном относиться к направлению по ходу движения, в то время как "направление выхода" будет относиться к обратному направлению.

Газотурбинный двигатель приводится в действие сжатием потока воздуха, входящего в двигатель, добавлением топлива к сжатому воздушному потоку, сжиганием топливовоздушной смеси в камере сгорания и затем расширением потока от камеры сгорания через одну или более турбин. Такие газовые турбины могут использоваться для создания осевого давления посредством выталкивания отработанных газов, создания механической энергии, вращающей вал, соединенный с одной из турбин, или создания в комбинации осевого давления и механической энергии. Например, компрессор со стороны входа двигателя в основном обеспечивается энергией вала, который запускает одну или более турбинных ступеней двигателя.

Как только топливовоздушная смесь сгорает в камере сгорания газотурбинного двигателя, ее температура увеличивается и выходящий через заднюю часть камеры сгорания поток нагревается до высокой температуры. Далее воспламененный магистральный поток проходит в сборку трубы, которая включает турбинные ступени двигателя.

Пример сборки 10 трубы показан на чертеже (также упоминаемой здесь просто как "труба 10"). Поперечное сечение выполнено по оси газотурбинного двигателя с осевыми и радиальными направлениями, обозначенными на чертеже, и с указанием направления входа, находящегося слева. Выхлоп из камеры сгорания (не показана) входит в трубу 10 через передний канал 15, который образует направление входа в сборке трубы 10. После прохождения переднего канала 15 магистральный поток проходит через трубу 10, сквозь турбину высокого давления 20. Турбина высокого давления 20 может включать в себя, по меньшей мере, один турбинный статор 22 и, по меньшей мере, один турбинный ротор 24.

Магистральный поток далее проходит через межтурбинную переходную область или переходную трубу 30 сборки 10 трубы до достижения первого сопла турбины низкого давления 40. Как видно, пример сборки трубы включает в себя внутреннюю поверхность 50 и внешнюю поверхность 60, представляя собой внутреннюю и внешнюю поверхность сборки 10 трубы относительно оси двигателя. Эти поверхности проходят через передний канал 15, турбину 20 высокого давления, переходную трубу 30 и турбину 40 низкого давления.

Как описано выше, существует предпочтительное соотношение между радиальными размерами турбины 20 высокого давления и турбины 40 низкого давления. В основном для турбины 40 низкого давления желательно, чтобы она имела больший радиальный размер для оптимизации соотношения площадей турбины высокого давления и турбины низкого давления и улучшения работы газотурбинного двигателя. Турбина 40 низкого давления может также быть расположена на большем радиальном расстоянии от оси двигателя, чем турбина 20 высокого давления. Конструкция, учитывающая эти особенности, имеет переходную трубу 30 с относительно крутым наклоном внешней поверхности корпуса 60 относительно оси двигателя. Такая переходная труба 30 с крутым наклоном приводит к большему противолежащему градиенту давления вдоль внешней поверхности 60 переходной трубы 30.

В переходной трубе 30 с большим противолежащим градиентом давления поток пограничного слоя может отделяться от внешней поверхности 60 трубы, в результате чего происходит потеря энергии в потоке и ухудшение работы двигателя. Поэтому переходная труба 30 может быть выполнена с меньшим наклоном и/или большей длиной, чтобы обеспечить благоприятное соотношение площадей без возникновения разделения потока пограничного слоя в переходной трубе 30. Такие переходные трубы 30 часто используются, хотя в них вообще не достигается оптимальное соотношение.

Когда наклон внешней поверхности переходной трубы 30 достаточно крут, противолежащий градиент давления приводит к отделению пограничного слоя в переходной трубе 30 в области отделения пограничного слоя 65. Обычно, в предшествующем уровне техники, этого отделения часто избегали посредством удлинения переходной трубы 30 или уменьшения для определенной длины трубы радиального смещения турбины низкого давления 40 при имеющейся проблеме с весом и неоптимальных соотношениях, которые из этого следуют. В качестве примера, одной из особенностей переходной трубы предшествующего уровня техники является то, что она могла иметь длину, приблизительно равную двум высотам ротора, и наклон, приблизительно равный 31 градусу.

Чтобы достичь лучшей работы двигателя, используя более короткую переходную трубу 30, желательно найти способ удерживания потока пограничного слоя через переходную трубу 30 прижатым к внешней поверхности 60 с более крутым наклоном и более резко расходящейся трубой 30. Чтобы сохранить прижатие пограничного слоя к внешней поверхности, высокоэнергетический воздух может быть введен в поток пограничного слоя в переходной трубе 30 со стороны входа в области отделения потока пограничного слоя от внешней поверхности 60. В другом примере осуществления системы, как показано на чертеже, воздух походит через передний канал 15 около внешней поверхности 60 до турбины высокого давления 20 и может протекать через всасывающее отверстие 70 в обводной канал 80, который соединяется с инжекционным отверстием 90 (также упоминаемым здесь как сопло 90), расположенным вдоль внешней поверхности 60 после турбины высокого давления 20.

Естественный статический перепад давлений между всасывающим и инжекционным отверстиями приводит к самовсасыванию потока через обводной канал 80. В действительности, падение давления поперек турбины 20 высокого давления приводит поток в инжекционном канале в состояние самовсасывания. Таким образом, часть смежного потока с внешней поверхностью 60 в переднем канале 15 вовлекается в обводной канал 80 и удаляется из инжекционного сопла 90. Этот инжекционный поток текучей среды в пограничном слое потока переходной трубы 30 помогает предотвратить отделение пограничного слоя в переходной трубе 30 и позволяет изготавливать и использовать переходную трубу 30 с относительно крутым наклоном ее внешней поверхности 60 по сравнению с существующими конструкциями. Это, в свою очередь, позволяет использовать относительно короткую в аксиальном направлении переходную трубу 30, что позволяет достичь оптимальное соотношение площадей. Это позволяет разработчикам минимизировать вес и оптимизировать работу двигателя до известной степени, когда отделение ограничивает основную конструкцию переходной трубы 30. Например, одна система, использующая такой обводной канал, может иметь переходную трубу 30 с длиной, равной приблизительно двойной высоте ротора турбины высокого давления, и с наклоном приблизительно 40 градусов.

В описанном выше примере варианта воплощения конструкции с использованием подавления отделения пограничного слоя, самовсасывающая труба 10 большого уширения включает в себя канал для отклонения определенной части магистрального потока текучей среды в переднем канале 15 вокруг турбины 20 высокого давления и подачи этой части к входу переходной трубы 30. Эта заданная часть магистрального потока текучей среды упомянута здесь как обводная текучая среда. В частности, обводной канал 80 включает в себя первую часть 75, расположенную в радиальном направлении наружу от переднего канала 15. Первая часть 75 канала соединена с всасывающим отверстием 70, расположенным на внешней поверхности 60 внутри переднего канала 15. Обводной канал 80 также включает в себя вторую часть 85, выполненную параллельно внешней поверхности 60 трубы 10 и связанную по текучей среде с первой частью 75. Обводной канал 80 включает в себя третью часть 95, соединенную со второй частью 85 и проходящую в радиальном направлении внутри и по внешней поверхности 60 внутри переходной трубы 30. Сопло 90 соединено с третьей частью 95 канала.

Как было описано выше, всасывающее отверстие 70 (также упоминаемое как втягивающее отверстие 70) используется для вовлечения в обводной канал 80 части потока, проходящего через передний канал 15 трубы 10 и обходящего турбину 20 высокого давления. Обводной поток вовлекается вдоль внешней поверхности 60 в передний канал 15 до статора 22 турбины высокого давления.

Поскольку поток, входящий в передний канал 15, поступает из камеры сгорания, этот поток является горячим и перемещается с высокой скоростью. Во многих конструкциях этот поток является достаточно горячим, чтобы повредить материалы, из которых выполнен двигатель. Для предотвращения такого повреждения подается более холодный воздух по внешней стенке камеры сгорания, что охлаждает поверхность камеры сгорания, изолирует ее и ускоряет отвод тепла продуктов сгорания.

Всасывающее отверстие 70 желательно выполнено с возможностью всасывания более холодного воздуха из переднего канала 15 быстрее, чем всасывания центрального горячего потока выхлопных газов из камеры сгорания. Температура потока выхлопных газов, вероятно, превышает возможности материалов, из которых выполнен обводной канал 80. Хотя возможно использование активных способов охлаждения для защиты материалов канала от этих температур, эти способы повышают сложность и стоимость конструкции двигателя, чего можно избежать посредством использования втягивания, как правило, более холодного воздуха рядом с поверхностью.

Посредством размещения всасывающего отверстия 70 до турбины 20 высокого давления холодный смежный поток отделяется и отклоняется от поверхности переднего канала 15 в обводной канал 80, прежде чем он эффективно смешивается с центральным горячим потоком выхлопных газов из камеры сгорания. При этом более горячий поток сразу же смешивается в турбине с более холодным потоком около внешней поверхности 60. В результате, холодный воздух, находящийся около стенок переднего канала 15, будет смешан с центральным горячим потоком, а воздух, находящийся до турбины 20 высокого давления, будет более горячим, чем поток около поверхности переднего канала 15.

Всасывающее отверстие 70 выполнено с возможностью втягивания части потока от внешней поверхности 60 из переходной трубы 30 в обводной канал 80 за счет перепада давлений по ширине турбины высокого давления. В одном варианте воплощения, соответствующая конструкция всасывающего отверстия 70 представляет собой паз во внешней поверхности 60. В различных вариантах воплощения, может быть использовано несколько пазов, расположенных по периметру переднего канала 15. В другом варианте воплощения, может быть использован один непрерывный кольцевой паз. В других вариантах воплощения, пазы могут быть расположены более чем в одном осевом положении вдоль переднего канала 15. Кроме того, в другом варианте воплощения, пазы могут иметь другую форму, отличную от формы кольцевого сегмента, такую как формы высверленных отверстий, ′V′-образную форму, форму в виде камерной проточки (такой как труба с профилем NACA), а также другие известные из уровня техники формы.

В другом варианте воплощения, часть внешней поверхности 60 переднего канала 15 может быть выполнена с использованием пористого материала, который позволяет потоку просачиваться сквозь пористый материал в первую часть 75 обводного канала 80. Как и с пазами, описанными выше, такие области пористости могут быть образованы в виде одного или более кольцевых сегментов, полностью или частично ограниченных осевой частью переднего прохода 15. В других вариантах воплощения, могут быть использованы другие формы кольцевых сегментов из пористого материала: типа высверленных отверстий, ′V′-образной формы, формы трубы с профилем NACA или любой другой формы, известной из области техники.

В другом варианте воплощения, всасывающее отверстие 70 может иметь одну или более камер или подобную камере форму, которые расширяют передний канал 15 для физического поворота части осевого потока, проходящего в переднем канале 15, в радиальный поток в первой части 75 обводного канала 80. Такие камеры могут использоваться вместе или вместо пазов или областей из пористого материала по внешней поверхности 60 переднего канала 15. Когда они используются вместо пазов или пористого материала, эти камеры располагаются в конце первого канала 75 так, что камера образует вход в первый канал. В дополнение к тому, что поток поступает в обводной канал 80 за счет собственного давления, камера также позволяет захватывать и использовать часть динамического давления потока для его прохождения через обводной канал 80.

Поток по длине обводного канала 80 активизируется за счет разности давлений между входным концом и первой частью 75 обводного канала 80, то есть всасывающим отверстием 70 и выходным концом третьей части 95 канала, то есть инжекционного сопла 90. Поскольку имеется падение давления поперек турбины 20 высокого давления, давление в трубе 10 до турбины высокого давления больше, чем после нее. Естественный перепад давлений между концами канала 80, расположенными с противоположных сторон турбины 20 обводного высокого давления, позволяет обводному каналу 80 быть самовсасывающим, то есть для прохождения потока через обводной канал 80 не требуется ничего, кроме существующего перепада давления поперек трубы 10.

По меньшей мере, одно инжекционное отверстие 90 (также упомянутое здесь как сопло 90) используется для прохода потока по обводному каналу назад в магистральный поток в переходной трубе 30. Для наиболее эффективного возбуждения потока пограничного слоя вдоль внешней поверхности 60 переходной трубы 30 обводной поток вдоль поверхности переходной трубы должен быть высокоскоростным. В одном варианте воплощения скорость вводимого потока превышает звуковую.

Сопло 90 может быть расположено и отрегулировано различными способами для наиболее эффективного возбуждения потока пограничного слоя вдоль внешней поверхности 60 переходной трубы 30. Примерами некоторых параметров, которые характеризуют инжекционные сопла, являются угол сгиба (угол в периферийном направлении) и угол наклона (угол в радиальном направлении), в котором сопло расположено относительно касательной плоскости к внешней поверхности, размер отверстия сопла, форма и конфигурация сопла или сопел.

В одном варианте воплощения, в качестве выхода сопла может использоваться кольцевой сегмент. Такие кольцевые сегменты могут образовывать единый непрерывный выход или несколько дискретных пазов по периметру переходной трубы 30. В других вариантах воплощения, отверстия на конце сопла 90 могут быть выполнены в виде отдельных дискретных отверстий различных размеров и форм. Например, отверстия могут быть круговыми, овальными или могут иметь любую другую форму, известную из уровня техники.

В одном варианте воплощения, направление вводимого потока может быть коллинеарным или параллельным внешней поверхности 60. Такое расположение может быть эффективным при использовании шаговой щелевой инжекции с использованием эффекта Коанда. При использовании поверхности, которая проходит плавно от конца сопла 90 к внешней поверхности 60 со стороны выхода сопла, поток будет иметь тенденцию минимального разброса давлений по внешней поверхности 60. Это помогает вводимой струе оставаться прижатой к внешней поверхности 60, проходить параллельно этой поверхности и входить в общий поток через переходную трубу 30 потоком, который коллинеарен магистральному потоку через трубу 30. Также возможно разместить сопла 90 таким образом, что они вводят поток при малой величине расхождения угла наклона относительно локальной внешней поверхности 60. В одном варианте воплощения такой угол составляет менее 30 градусов. Это расположение может быть особенно эффективно, когда выходы сопла обработаны на станке и имеют плавный контур по внешней поверхности.

Как упомянуто выше, перепад давлений поперек турбины 20 высокого давления обеспечивает прохождение потока сквозь обводной канал 80. Давление до турбины высокого давления может быть, как правило, приблизительно в 4 раза больше давления после турбины высокого давления. Падения давления обычно достаточно для обеспечения потока со сверхзвуковой скоростью на выходе из сопла 90, даже принимая во внимание общие потери в трубопроводе и геометрию всасывающего отверстия 70, обводного канала 80 и сопла 90. Чтобы полностью использовать преимущества импульса и энергии потока, проходящего через обводной канал 80, в одном варианте воплощения может использоваться расходящаяся-сходящаяся конструкция сопла 90 для создания полностью расширенного сверхзвукового потока с минимальными потерями ударной волны.

Площадь поперечного сечения сопла 90 может изменяться по его длине для управления скоростью потока через сопло. В расходящейся-сходящейся конструкции площадь поперечного сечения сопла уменьшается по его длине, сужаясь до минимального размера на входе, затем увеличиваясь и снова сужаясь на выходе. В другом варианте воплощения, сходящееся сопло используется для введения потока через обводной канал 80 назад в магистральный поток, проходящий через переходную трубу 30. Для больших перепадов давлений поперек турбины высокого давления используется расходящееся-сходящееся инжекционное сопло, которое минимизирует общие потери на ударную волну и сохраняет большее количество импульса потока по сравнению с простым сходящимся соплом, в котором поток сдавливался бы на выходе.

Использование расходящегося-сходящегося сверхзвукового сопла с неполностью расширяющейся конфигурацией сопла может увеличивать усилие инжекционного импульса до 40% по сравнению с соответственно только сходящейся сдавливающей конфигурацией сопла. В такой конфигурации с неполным расширением сопла сопло устойчиво по отношению к малым изменениям давления поперек обводного канала 80.

В альтернативных вариантах воплощения, могут использоваться различные способы минимизации колебаний давления по длине обводного канала 80 и стабилизации потока, проходящего сквозь инжекционное сопло 90. Например, в одном варианте воплощения, по длине обводного канала 80 может быть выполнена камера для создания объема, который может действовать как буфер для сглаживания изменений давления, возникающих в канале при работе газотурбинного двигателя.

Посредством инжекции высокоскоростного потока вдоль внешней поверхности 60 переходной трубы 30 поток пограничного слоя через переходную трубу усиливается и легче преодолевает крутой поворот внешней стенки и следует вдоль внешней поверхности 60 переходной трубы 30, не отходя от нее. Экспериментально было обнаружено, что требуется 3,5% количества импульса для полного устранения отделения в переходной трубе, имеющей соотношение площадей, большее на 20% по сравнению с обычной конструкцией. Полные потери давления через переходную трубу сравнимы с полными потерями давления, измеренными в базовой, традиционной конструкции трубы.

Для препятствия отделению пограничного слоя вдоль внешней поверхности 60 желательно возбудить поток пограничного слоя до точки 65 ожидаемого отделения. Поэтому в одном варианте воплощения, сопло 90 расположено до точки 65, где предположительно происходит отделение при отсутствии управления пограничным слоем. В другом варианте воплощения, сопло может быть расположено в точке 65 ожидаемого отделения.

Поскольку понятно, что точное место отделения может изменяться в зависимости от режима эксплуатации газотурбинного двигателя, то желательно расположить инжекционное сопло 90 в точке до начала ожидаемого момента отделения, соответствующего ожидаемым условиям работы двигателя.

Разработанная конструкция газотурбинного двигателя, включающая в себя такую самовсасывающую трубу, которая вводит высокоэнергетический воздух во внешний пограничный слой и препятствует отделению пограничного слоя в потоке через переходную трубу 30, имеет несколько преимуществ при работе и в конструкции. Одним из таких преимуществ является снижение удельного расхода горючего в двигателе за счет увеличения эффективности турбины 40 низкого давления. Поскольку внешний радиус турбины низкого давления больше, чем в обычной конструкции, нагрузка на роторы турбины низкого давления может быть более эффективно распределена по длине лопасти. В результате общая эффективность турбины низкого давления увеличивается.

Другим преимуществом по сравнению с обычными конструкциями является то, что переходная труба 30 короче при фиксированном соотношении площадей и радиальном смещении. Это позволяет избежать увеличения веса, нежелательного сопротивления и использования дополнительных технических средств в переходной трубе 30 большей длины. Самовсасывающий обводной канал 80 в обвод турбины высокого давления 20 имеет преимущество над другими подвижными схемами возбуждения переходного пограничного слоя трубы, элементы которых являются относительно простыми и компактно расположены в той же области (то есть около турбины высокого давления), а небольшое усложнение конструкции позволяет увеличить эффективность двигателя.

Относительно компактная естественная схема управления потоком, связанная с всасывающими и инжекционными отверстиями, также обеспечивает возможность выполнения такого обвода на существующих двигателях и конструкциях двигателей с минимальными дополнительными сложностями. В основном, описанные выше способы могут применяться как при разработке нового двигателя для использования преимущества более короткой по длине переходной трубы 30 или при оптимизации соотношения площадей, обеспечивающей управление пограничным слоем, так и для модернизации существующих двигателей или их конструкций для повышения эффективности двигателя при насколько это возможно небольшом изменении конструкции. Как будет оценено, наиболее существенные преимущества описанных систем и технических приемов могут быть наилучшим образом реализованы в новых конструкциях, причем настройка такой компактной схемы управления потоком, обеспечивающей управление пограничным слоем в переходной трубе, может быть особенно выгодна в любой конструкции трубы, в которой в настоящее время происходит отделение пограничного слоя в переходной трубе 30 в процессе особых условий работы. Для таких конструкций использование этих способов может обеспечить эффективное функционирование даже без изменения непосредственно длины или угла переходной трубы.

В дополнение к конструкции и ее вариантам, описанным выше, могут быть использованы и другие пути реализации технических приемов и методов, описанные здесь. Например, в одном из вариантов в переходной трубе 30 может быть концентрично расположено несколько каналов, при этом несколько обводных каналов 80 могут использовать общее всасывающее отверстие 70 или, как вариант, множество отдельных дискретных всасывающих отверстий и общее сопло 90, или, как вариант, множество отдельных, дискретных сопел. Произвольно, самовсасывающая конструкция переходной трубы большого уширения может также включать систему трубопроводов или камеру (не показана), предназначенную для распределения всасывающей силы к каждому из нескольких откачивающих отверстий 70, когда используется несколько откачивающих отверстий.

В другом альтернативном варианте воплощения, самовсасывающая переходная труба большого уширения может быть снабжена кольцевым каналом вместо дискретного обводного канала 80, описанного выше. Кольцевой канал включает в себя первую дисковую часть, проходящую по радиусу и направленную наружу от переднего канала 15. Первая дисковая часть кольцевого канала может быть соединена с кольцевым всасывающим отверстием или несколькими отверстиями 70, такими как паз, камера или пористая пластина, расположенных внутри входного канала внешней поверхности 60 переднего канала 15. Как вариант, кольцевое всасывающее отверстие может включать в себя пористый подобный фильтру элемент, расположенный внутри и на части внешней поверхности 60 переднего канала 15. Кольцевой канал также включает в себя вторую цилиндрическую часть, выполненную, в основном, параллельно и концентрично внешней поверхности 60 трубы 10. Кольцевой канал дополнительно включает в себя третью дисковую часть, проходящую по радиусу внутри переходной трубы 30. Выпускное сопло или несколько сопел 90 соединены с третьей дисковой частью кольцевого канала.

Варианты воплощения могут включать другие изменения, в которых используется одно всасывающее отверстие 70 и одно сопло 90, связанные посредством нескольких отдельных соединительных каналов. Другими изменениями конструкции могут быть несколько всасывающих отверстий 70, соединенных с несколькими инжекционными соплами 90 через один цилиндрический соединительный канал второй части 85. В другом варианте воплощения, по длине второй части 85 обводного канала 80 может быть расположена камера, предназначенная для смягчения колебаний давления поперек всех всасывающих и инжекционных отверстий и стабилизации потока через инжекционные отверстия 90 в пограничном слое, проходящем вдоль внешней стенки поверхности 60.

В другом варианте воплощения может быть использована клапанная система или другая активная или пассивная система, расположенная внутри канала для управления течением по обводному каналу внутри обводного канала 80 или объемом потока через обводной канал 80. В таком варианте воплощения обводной канал 80 может использоваться для обеспечения управления пограничным слоем, при необходимости, и для устранения любых потерь потока, когда двигатель работает в условиях, при которых такое вдувание пограничного слоя не желательно или не нужно. В другом варианте воплощения, может использоваться клапан, управляющий массовым потоком через обводной канал 80, который оптимизирует действие пограничного слоя, вдуваемого с извлечением только заданного количества потока, достаточного для управления отделением в переходной трубе. Таким образом, расход потерь магистрального потока через турбину высокого давления при работе двигателя минимален.

В дополнительном варианте воплощения, описанные правила могут использоваться на практике в способе оптимизации работы газотурбинного двигателя посредством оптимизации соотношения между диаметром каскада турбины высокого давления и диаметром соединительного каскада турбины низкого давления и/или оптимизации длины газотурбинного двигателя. Эта оптимизация заключается в отклонении части магистрального потока текучей среды, проходящего через трубу 10 газотурбинного двигателя, в обводной канал 80. Предпочтительно, этот обводной поток текучей среды отделяется от потока вдоль внешней стенки переднего канала 15. Обводной поток текучей среды вводится в переходную трубу 30 к входу в область, где, как ожидается, происходит отделение пограничного слоя в переходной трубе 30. Вводимый в переходную трубу 30 поток выходит через сопло 90. В одном варианте воплощения сопло может быть расходящимся-сходящимся, как описано выше.

Специалисту в данной области техники очевидно, что описанная конструкция не ограничивается авиационными двигателями, а скорее относится к любым газотурбинным двигателям, в которых необходимо оптимизировать соотношение площадей и соотношение диаметров турбинной переходной трубы 30 без увеличения габаритов конструкции двигателя. Такие примеры вариантов воплощения могут быть применены без ограничения в двигательных установках для наземных транспортных средств, таких как локомотивы или танки, систем получения энергии или вспомогательных силовых самолетных установок.

Различные варианты воплощения обводного канала для трубы газотурбинного двигателя, описанные выше, таким образом, обеспечивают достижение более оптимальных соотношений площадей и соотношений диаметров между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления без удлинения переходной трубы между турбинами до степени, когда происходит снижение производительности. Эти способы и системы также позволяют проектировщику газотурбинного двигателя конструировать переходную трубу, в которой достигается более оптимальное соотношение площадей и соотношение диаметров без необходимости сохранения ухудшения характеристик, связанных с разделением потока пограничного слоя в переходной трубе, с чем сталкиваются при использовании большого количества осевых компактных конструкций.

Конечно, следует понимать, что не обязательно все цели или преимущества, описанные выше, могут быть достигнуты в соответствии с любым конкретным вариантом воплощения. Таким образом, например, специалисту в данной области техники очевидно, что системы и способы, описанные здесь, могут быть воплощены или выполнены так, чтобы достичь или оптимизировать одно преимущество или группу преимуществ, также раскрываемых и предлагаемых здесь без обязательного достижения других целей или преимуществ.

Кроме того, специалисту в данной области техники очевидна взаимозаменяемость различных особенностей различных вариантов воплощения. Например, использование камеры совместно с всасывающим отверстием, описанным для одного варианта воплощения, может быть применено в другой описанной конструкции с использованием кольцевого канала. Точно так же различные описанные выше отличительные признаки, так же как и другие известные эквиваленты для каждого отличительного признака, могут быть скомпонованы и согласованы с одним из обычных устройств, известных из уровня техники, для конструирования сборки трубы в соответствии с целями настоящего описания.

Хотя здесь были раскрыты системы в контексте некоторых предпочтительных вариантов воплощения и примеров, специалисту в данной области техники очевидно, что изобретение применимо не только для раскрытых вариантов воплощения, но и для других возможных вариантов воплощения и/или систем и способов с их использованием, очевидных изменений и их эквивалентов. Таким образом, область применения раскрытого изобретения не должна быть ограничена описанными выше вариантами воплощения, но при этом должна определяться только справедливой трактовкой приведенных пунктов формулы изобретения.

Сборка трубы для использования в газотурбинном двигателе включает трубу, камеру сгорания, всасывающее отверстие, сопло и обводной канал. Труба содержит входную часть и выходную часть, а также внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность. Труба образует магистральный путь потока текучей среды между турбиной высокого давления, расположенной внутри входного конца трубы, и турбиной низкого давления, расположенной внутри выходного конца трубы. Камера сгорания присоединена к входному участку трубы, а труба выполнена с возможностью принятия потока из камеры сгорания. Всасывающее отверстие расположено до турбины высокого давления на внешней поверхности трубы. Сопло расположено после турбины высокого давления и соединено с трубой. Обводной канал имеет входной конец и выходной конец, причем входной конец обводного канала находится в соединении по текучей среде с всасывающим отверстием, а выходной конец обводного канала находится в соединении по текучей среде с соплом. Обводной канал образует обводной путь потока текучей среды между всасывающим отверстием и соплом. Другие изобретения группы относятся к обводной трубе, включающей обводной канал, соединенный по текучей среде с всасывающим отверстием и соплом, и газотурбинному двигателю, включающему описанную выше сборку трубы. Изобретения позволяют снизить потери энергии при работе двигателя за счет исключения отрыва потока после турбины высокого давления на межтурбинном участке и сокращения при этом длины этого участка и/или увеличения угла наклона его стенки. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сборка трубы для использования в газотурбинном двигателе, включающая в себя:
трубу, содержащую входную часть и выходную часть, причем труба включает в себя внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, а также труба образует магистральный путь потока текучей среды между турбиной высокого давления, расположенной внутри входного конца трубы, и турбиной низкого давления, расположенной внутри выходного конца трубы;
камеру сгорания, присоединенную к входному участку трубы, причем труба выполнена с возможностью принятия потока из камеры сгорания;
всасывающее отверстие, расположенное до турбины высокого давления на внешней поверхности трубы;
сопло, расположенное после турбины высокого давления и соединенное с трубой; и
обводной канал, имеющий входной конец и выходной конец, причем входной конец обводного канала находится в соединении по текучей среде с всасывающим отверстием, а выходной конец обводного канала находится в соединении по текучей среде с соплом, причем обводной канал образует обводной путь потока текучей среды между всасывающим отверстием и соплом.

2. Сборка трубы по п.1, в которой сопло расположено до точки отделения в пограничном слое потока текучей среды вдоль внешней поверхности трубы после турбины высокого давления.

3. Сборка трубы по п.1, в которой обводной путь потока текучей среды не проходит через турбину высокого давления.

4. Сборка трубы по п.1, в которой всасывающее отверстие представляет собой отверстие во внешней поверхности.

5. Сборка трубы по п.1, в которой сопло примыкает к пограничному слою потока текучей среды внутри магистрального пути потока текучей среды, который прилегает к внешней поверхности трубы.

6. Сборка трубы по п.5, в которой сопло расположено до точки отделения в пограничном слое потока текучей среды вдоль внешней поверхности трубы после турбины высокого давления.

7. Сборка трубы по п.1, в которой первое давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у всасывающего отверстия, больше, чем второе давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у сопла.

8. Сборка трубы по п.7, в которой разность между первым давлением текучей среды и вторым давлением текучей среды заставляют текучую среду протекать обводным путем потока текучей среды от всасывающего отверстия к соплу.

9. Обводная труба, включающая в себя всасывающее отверстие, выполненное на поверхности магистрального пути потока через газотурбинный двигатель, причем всасывающее отверстие расположено до турбины высокого давления в магистральном пути потока и после камеры сгорания газотурбинного двигателя;
сопло, расположенное на поверхности магистрального пути потока после турбины высокого давления; и
обводной канал, соединенный по текучей среде как с всасывающим отверстием, так и соплом,
при этом обводной канал образует обводной путь потока, который не проходит через турбину высокого давления,

10. Обводная труба по п.9, в которой первое давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у всасывающего отверстия больше, чем второе давление текучей среды, связанное с магистральным потоком текучей среды через трубу у сопла.

11. Обводная труба по п.10, в которой разность между первым давлением текучей среды и вторым давлением текучей среды заставляет текучую среду протекать через обводную трубу от всасывающего отверстия к соплу.

12. Газотурбинный двигатель, включающий:
трубу, имеющую входной конец и выходной конец и содержащую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем труба образует магистральный путь потока текучей среды между областью относительно высокого давления, связанной с входным концом трубы, и областью относительно низкого давления, связанной с выходным концом трубы;
камеру сгорания, присоединенную к входному участку трубы, причем труба выполнена с возможностью принятия потока из камеры сгорания;
турбину высокого давления, расположенную внутри трубы;
турбину низкого давления, расположенную внутри трубы после турбины высокого давления;
всасывающее отверстие, расположенное внутри внешней поверхности трубы до турбины высокого давления;
сопло, расположенное внутри внешней поверхности трубы до турбины низкого давления; и
обводной канал, имеющий входной конец и выходной конец, причем входной конец обводного канала соединен со всасывающим отверстием, а выходной конец обводного канала соединен с соплом.