КОМПРЕССОР ТУРБОМАШИНЫ, А ТАКЖЕ ТУРБОМАШИНА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ ТАКОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2010 года по МПК F04D27/02 

Настоящее изобретение относится к конкретной области турбомашин, и, более точно, оно относится к устройству для отбора воздуха из канала для прохода воздуха в осевом компрессоре высокого давления такой турбомашины.

Известно, что в осевых компрессорах высокого давления турбореактивных двигателей для турбовинтовых устройств (называемых ниже "турбомашинами") зазор, который существует между концами движущихся лопаток компрессора и корпусом, образующим внутреннюю стенку канала для прохода воздуха, вызывает снижение эффективности привода турбомашины. Кроме того, этот зазор может привести к существенному изменению и ухудшению работы компрессора до уровня, характеризующегося появлением так называемого явления "пульсации". Одно решение данной проблемы раскрыто в патенте Франции №2564533, в котором описан конкретный способ выполнения корпуса с определенной формой, связанной с определенной конструкцией системы для прохода воздуха, для устранения пульсации в осевом компрессоре. Тем не менее, данная конструкция является довольно сложной, и ее трудно реализовать.

Задачей настоящего изобретения является создание компрессора турбомашины, позволяющего добиться существенного повышения эффективности и запаса эксплуатационной надежности по сравнению с устройствами согласно предшествующему уровню техники в отношении пульсации, также называемого "запасом по пульсации".

Указанная задача решается посредством создания компрессора турбомашины, включающего подвижные лопатки и отстоящее от них в осевом направлении относительно центральной продольной оси турбомашины множество неподвижных лопастей и неподвижный корпус, окружающий множество подвижных лопаток, характеризующегося тем, что неподвижный корпус включает в себя множество отверстий для отбора, отцентрированных в диапазоне от 5% до 50% длины хорды лопатки и имеющих диаметр, меньший или равный 30% длины хорды лопатки, при этом каждое из отверстий для отбора наклонено под двумя углами относительно продольной центральной оси.

Таким образом, при такой конструкции, предназначенной для отбора воздуха от концов движущихся лопаток, увеличивается запас по пульсации и существенно повышается эффективность.

Предпочтительно, отношение между полным расходом воздуха, проходящего через турбомашину, и интенсивностью отбора воздуха находится в диапазоне от 0,1% до 5%.

В предпочтительном варианте осуществления указанный неподвижный корпус дополнительно включает в себя наклонные выступы, расположенные с совмещением их с множеством подвижных лопаток с каждой стороны каждого отверстия для отбора и расположенные под углом φ.

Предпочтительно, каждое из отверстий для отбора имеет первую ось наклона, образующую угол φ относительно центральной продольной оси, находящийся в диапазоне от 30° до 90°, и вторую ось наклона, перпендикулярную к первой и образующую угол θ относительно центральной продольной оси, находящийся в диапазоне от 30° до 90°.

В предлагаемом варианте осуществления указанные отверстия для отбора могут быть расположены в шахматном порядке или они могут быть образованы аксиально симметричными пазами. Кроме того, отверстия для отбора могут быть некруглыми.

Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после прочтения нижеприведенного описания, выполненного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематический частичный вид секции компрессора в соответствии с изобретением, содержащего множество ступеней с подвижными лопатками, каждая из которых находится между двумя ступенями с неподвижными лопастями;

фиг.2 - вид сверху корпуса с фиг.1 согласно первому варианту осуществления изобретения;

фиг.3 - вид сверху корпуса с фиг.1 согласно второму варианту осуществления изобретения;

фиг.4 - вид сверху корпуса с фиг.1 согласно третьему варианту осуществления изобретения;

фиг.5 и 6 - графики, иллюстрирующие изменение степени сжатия в зависимости, соответственно, от кпд и расхода на входе для компрессора согласно предшествующему уровню техники и для компрессора согласно изобретению;

фиг.7 - вид внутренней стороны корпуса с фиг.1 согласно разновидности первого варианта осуществления изобретения;

фиг.8 - сечение по плоскости III-III с фиг.7;

фиг.9 - сечение, аналогичное сечению с фиг.7, для первого варианта осуществления корпуса; и

фиг.10 и 11 - виды, аналогичные виду с фиг.9, для двух других вариантов осуществления корпуса.

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение сечения осевого компрессора 10 высокого давления, расположенного вокруг продольной центральной оси (оси 12 привода) турбомашины, при этом наружная граница компрессора 10 образована корпусом 14, образующим поверхность вращения вокруг центральной продольной оси. Компрессор содержит множество ступеней сжатия, расположенных последовательно (в осевом направлении), при этом каждая ступень содержит множество распределенных по всей окружной периферии подвижных или рабочих лопаток 16, выполненных с возможностью вращения вокруг оси привода, и множество неподвижных лопастей 18, или лопастей "статора". Между наружным концом 20 каждой подвижной лопатки и неподвижным корпусом 14, который окружает компрессор, существует зазор е. Данный зазор может представлять собой место сильной турбулентности, которая может ухудшить конфигурацию потока между различными ступенями и может соответственно привести к ухудшенным эксплуатационным характеристикам компрессора, или в крайнем случае может привести к явлению, которое известно как "пульсация" или "разделение", представляющее собой немедленное снижение степени сжатия и изменение на обратное направление потока воздуха, проходящего через компрессор, что приводит к последующему выходу потока из расположенного выше по потоку конца компрессора.

Согласно изобретению запас эксплуатационной надежности по отношению к пульсации увеличивается посредством добавления устройства для отбора воздуха, расположенного у концов подвижных лопаток, то есть по существу вблизи их передних кромок 22.

Это устройство для отбора содержит множество отверстий 24, которые предпочтительно являются цилиндрическими, и образованы как сквозные в неподвижном корпусе 14; при этом они отцентрированы в диапазоне от 5% до 50% длины хорды лопатки и имеют диаметр, который меньше или равен 30% длины хорды лопатки, при этом хорда лопатки представляет собой отрезок прямой линии, соединяющий переднюю кромку с задней кромкой подвижной лопатки. Количество отверстий для отбора определяется в зависимости от соотношения интенсивности отбора воздуха с общим расходом воздуха, проходящего через компрессор. Как правило, отбор воздуха с интенсивностью, находящейся в диапазоне от 0,1% до 5% от общего расхода воздуха, обеспечивает то, что устройство работает эффективно, как было определено с помощью различных измерений, выполненных авторами изобретения.

Данные отверстия для отбора наклонены под двумя углами, определяемыми первой осью, спроецированной на межлопаточную плоскость, которая образует угол φ относительно оси привода, находящийся в диапазоне от 30° до 90° (см. фиг.2); и второй осью, спроецированной на меридиональную плоскость (перпендикулярную первой плоскости), которая образует угол θ относительно оси привода, находящийся в диапазоне от 30° до 90°. Оптимальные углы φ и θ выбирают, в частности, в зависимости от заданной аэродинамической нагрузки (то есть работы по сжатию воздуха, выполненной ротором), заданной следующим соотношением:

ψ=ΔН/V²,

где ΔН - увеличение энтальпии при проходе через ротор и V - скорость вращения компрессора.

Естественно, также цилиндрическая конфигурация отверстий для отбора и линейное расположение в одном ряду не являются ограничивающими.

На фиг.3 показан пример расположения отверстий для отбора в два ряда, при этом отверстия расположены в шахматной конфигурации в вышеуказанных границах от 5% до 50% длины хорды лопатки. На фиг.4 отверстия для отбора имеют некруглую форму, например, имеют квадратную или продолговатую.

Кроме того, существует возможность предусмотреть наличие отверстий для отбора в виде аксиально симметричных пазов. При использовании упомянутых вариантов осуществления настоящего изобретения воздух, который обычно проходит через зазор е над концами 20 движущихся лопаток вследствие перепада давлений, который существует между вогнутой и выпуклыми сторонами лопаток, вместо этого частично всасывается через отверстия 24 для отбора. Это уменьшение мешающего потока между двумя поверхностями одной лопатки сразу же дает эффект, проявляющийся в повышении стабильности и улучшении эксплуатационных характеристик компрессора. Кроме того, отобранный воздух может быть отведен, возможно, через системы защитных металлических листов (непоказанных), и снова соединен с воздухом, отобранным существующими перепускными коллекторами турбомашины, предназначенной для привода или других целей, например, для авиационной электроники.

Таким образом, улучшение, достигаемое посредством данного устройства для отбора, является особенно важным и обеспечивает существенное повышение эффективности лопатки и увеличение рабочего диапазона компрессора, как показано на фиг.5, где проиллюстрировано изменение степени сжатия в зависимости от кпд компрессора для компрессора согласно предшествующему уровню техники (кривая 30) и для компрессора, снабженного устройством согласно изобретению (кривая 32), и как показано на фиг.6, где проиллюстрировано изменение степени сжатия в зависимости от расхода (скорости потока) на входе компрессора для компрессора согласно предшествующему уровню техники (кривая 40) и для компрессора, снабженного устройством согласно изобретению (кривая 42).

Эффективность устройства может быть дополнительно повышена за счет направления воздуха непосредственно к отверстиям для отбора, как показано на фиг.7 и 8, на которых можно видеть дополнительные наклонные выступы 50, расположенные на неподвижном корпусе с совмещением их с множеством подвижных лопаток и с обеих сторон от каждого отверстия 24 для отбора. Данные выступы могут быть получены путем механической обработки непосредственно на корпусе, или они могут быть установлены на нем и ориентированы под тем же углом φ относительно оси 12 привода, что и отверстия для отбора.

Следует отметить, что подобно остальным конфигурациям данная конфигурация может быть предусмотрена на корпусе 14, имеющем уступ, совмещенный с лопатками (называемый "углублением" 52), как показано на фиг.9, или может иметь канавки 54, совмещенные с лопатками (называемые обработкой корпуса), как показано на фиг.10 и 11. На фиг.10 показано, что канавки распределены вокруг отверстия 24 для отбора, в то время как на фиг.11 отверстие для отбора открыто в нижнюю часть канавки.

Естественно, несмотря на то, что приведенное выше описание относится по существу к осевому компрессору высокого давления, устройство согласно изобретению также может быть применено для одной или нескольких околозвуковых ступеней компрессора высокого давления или для компрессора низкого давления. Аналогичным образом, настоящее изобретение не ограничено конструкцией для установки и привода подвижных лопаток, показанной на фиг.1, и вполне возможно предусмотреть использование конструкции, в которой используются средства для крепления лопаток в виде штифтов или заклепок.

Компрессор турбомашины содержит, по меньшей мере, одно множество подвижных лопаток и отстоящее от него в осевом направлении относительно центральной продольной оси турбомашины множество неподвижных лопастей и неподвижный корпус, окружающий множество подвижных лопаток. Неподвижный корпус включает в себя множество отверстий для отбора, отцентрированных в диапазоне от 5% до 50% длины хорды лопатки и имеющих диаметр, меньший или равный 30% длины хорды лопатки. Каждое из отверстий для отбора наклонено под двумя углами относительно продольной центральной оси. Изобретение направлено на повышение эффективности и запаса эксплуатационной надежности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Компрессор турбомашины, содержащий, по меньшей мере, одно множество подвижных лопаток (16) и отстоящее от него в осевом направлении относительно центральной продольной оси турбомашины (12) множество неподвижных лопастей (18), и неподвижный корпус (14), окружающий множество подвижных лопаток, отличающийся тем, что неподвижный корпус включает в себя множество отверстий (24) для отбора, отцентрированных в диапазоне от 5 до 50% длины хорды лопатки и имеющих диаметр, меньший или равный 30% длины хорды лопатки, при этом каждое из отверстий для отбора наклонено под двумя углами относительно продольной центральной оси.

2. Компрессор турбомашины по п.1, отличающийся тем, что каждое из отверстий для отбора имеет первую ось наклона, образующую угол φ относительно центральной продольной оси, находящийся в диапазоне от 30 до 90°, и вторую ось наклона, перпендикулярную к первой и образующую угол θ относительно центральной продольной оси, находящийся в диапазоне от 30 до 90°.

3. Компрессор турбомашины по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение между полным расходом воздуха, проходящего через турбомашину, и интенсивностью отбора воздуха находится в диапазоне от 0,1 до 5%.

4. Компрессор турбомашины по п.1 или 2, отличающийся тем, что неподвижный корпус дополнительно включает в себя наклонные выступы (50), расположенные с совмещением их с множеством подвижных лопаток с каждой стороны каждого отверстия для отбора и расположенные под углом φ.

5. Компрессор турбомашины по п.1 или 2, отличающийся тем, что неподвижный корпус дополнительно включает в себя канавки (54), расположенные вокруг каждого отверстия для отбора.

6. Компрессор турбомашины по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия для отбора расположены в шахматном порядке.

7. Компрессор турбомашины по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия для отбора выполнены некруглыми.

8. Компрессор турбомашины по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия для отбора образованы аксиально симметричными пазами.

9. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит осевой компрессор высокого давления по любому из пп.1-8.