ТУРБОМАШИНА С ДИФФУЗОРОМ Российский патент 2012 года по МПК F02C3/08 

Изобретение касается турбомашины. Оно относится к любому типу турбомашины, наземному или авиационному, и, в частности, турбореактивному двигателю для самолета.

В настоящей заявке вход и выход определены относительно нормального направления течения газа (от входа к выходу) через турбомашину. Кроме того, осью турбомашины называют ось вращения ротора турбомашины. Аксиальное направление соответствует направлению оси турбомашины, а радиальное направление является направлением, перпендикулярным этой оси. Кроме того, аксиальная плоскость является плоскостью, в которой размещена ось турбомашины, а радиальная плоскость является плоскостью, перпендикулярной этой оси. Наконец, за исключением противоположных случаев, прилагательные «внутренний» и «наружный» используются в отношении радиального направления таким образом, что внутренняя часть или поверхность (т.е. радиально внутренняя) элемента является более близкой к оси турбомашины, чем внешняя часть или поверхность (т.е. радиально внешняя) того же элемента.

Изобретение касается турбомашины типа, содержащего:

- кольцевую камеру сгорания;

- центробежный компрессор;

- кольцевой диффузор, позволяющий рассеивать газовый поток, выходящий из компрессора, и направлять этот газовый поток к камере сгорания, при этом диффузор содержит: радиально ориентированную входную часть, которая содержит диффузорные каналы, соединенные с выходом компрессора; промежуточную изогнутую часть; и выходную часть, содержащую ряд спрямляющих лопаток, размещенных с промежутками по кругу; и

- внешний кожух, окружающий снаружи камеру сгорания и выходную часть диффузора.

Центробежный компрессор содержит центробежное колесо, которое позволяет ускорять проходящий через него газ и, таким образом, увеличивать кинетическую энергию этого газа.

Диффузор представляет собой кольцевое пространство, окружающее компрессор. Диффузор служит для уменьшения скорости газа, выходящего из компрессора и, вследствие этого, для увеличения его статического давления. Диффузоры могут быть лопаточного типа и трубчатого типа.

Эти два типа диффузоров содержат входную кольцевую часть, ориентированную радиально, которая содержит ряд диффузорных каналов, соединенных с выходом компрессора, для рекуперации ускоренного газа, выходящего из последнего. Эти диффузорные каналы имеют сечение, которое прогрессивно увеличивается изнутри наружу для того, чтобы рассеивать поток газа, выходящего из компрессора. Диффузоры лопаточного типа используют ряд диффузорных лопаток, размещенных с промежутками по кругу и образующих между собой диффузорные каналы. В диффузорах трубчатого типа диффузорные каналы образованы элементами трубок или трубопроводов.

На выходе упомянутой входной части диффузоры содержат промежуточную изогнутую кольцевую часть для изгиба траектории потока из диффузора и направления газового потока к камере сгорания.

На выходе этой промежуточной части диффузоры содержат выходную кольцевую часть с рядом спрямляющих лопаток, размещенных с промежутками по кругу, обеспечивающих спрямление потока газа, и, таким образом, уменьшение вращения газового потока, выходящего из диффузорных каналов, перед входом этого потока в камеру сгорания.

Фиг.1 представляет известный пример турбомашины вышеупомянутого типа, содержащего в направлении потока газа: центробежный компрессор 110, кольцевой диффузор 120 с диффузорными лопатками 123 и кольцевую камеру сгорания 140. Внешний кожух 132 окружает снаружи камеру сгорания 140 и диффузор 120.

Диффузор 120 содержит: радиально ориентированную входную часть 121 с диффузорными каналами 122; изогнутую промежуточную часть 124; и выходную часть 125, содержащую ряд спрямляющих лопаток 126, расположенных с промежутками по кругу.

Проточный тракт определяется как оболочка, которая ограничивает пространство течения газа и, следовательно, газового потока.

Проточный тракт во входной 121 и промежуточной 124 частях ограничен между первым фланцем 127 и вторым фланцем 128. Проточный тракт в выходной части 126 ограничен изнутри первым фланцем 127 и снаружи внешней обечайкой 129.

Выходная часть 125 диффузора ориентирована параллельно оси А турбомашины. Другими словами, в плоскости разреза, содержащей ось А турбомашины, средняя ось М проточного тракта на выходе из выходной части 125 диффузора параллельна оси А турбомашины. В соответствии с такой конструкцией основной газ, выходящий из диффузора, окружает с внешней стороны камеру сгорания 140.

Для того чтобы основной газ, выходящий из диффузора 120, был направлен к камере сгорания 140, и, таким образом, лучше насыщал ее газом, выходная часть 125 диффузора в соответствии с непредставленным вариантом наклонена относительно оси А турбомашины и ориентирована к камере сгорания 140. Другими словами, в плоскости разреза, содержащей ось А турбомашины, средняя ось М проточного тракта на выходе из выходной части 125 диффузора образует острый угол (не нулевой) с осью А.

Недостатки известных диффузоров состоят в том, что детали, которые их образуют, трудно соединить. В частности, когда выходная часть 125 наклонена относительно оси А, крепление внешней обечайки 129 пайкой или фальцовкой на выходной части 125 особенно затруднительно, так как внешняя поверхность выходной части 125 является конической, и внешняя обечайка 129 имеет тенденцию соскальзывать к свободному концу выходной части 126.

Изобретение имеет целью предложить турбомашину упомянутого выше типа, диффузор которой собирается гораздо легче, чем известные диффузоры.

Для достижения этой цели, объектом изобретения является турбомашина, содержащая:

- кольцевую камеру сгорания;

- центробежный компрессор;

- кольцевой диффузор, позволяющий рассеивать газовый поток, выходящий из компрессора, и направлять этот газовый поток к камере сгорания, при этом диффузор содержит: радиально ориентированную входную часть с диффузорными каналами, соединенными с выходом компрессора; изогнутую промежуточную часть; и выходную часть, содержащую ряд спрямляющих лопаток, расположенных с промежутками по кругу; и

- внешний кожух, окружающий снаружи камеру сгорания и выходную часть;

в которой проточный тракт в выходной части ограничен снаружи внешним кожухом.

Изобретение, таким образом, заключается в использовании внешнего кожуха для формирования наружной стенки выходной части. Таким образом, исключают обычно используемую внешнюю обечайку и избегают проблемы, связанные с креплением этой обечайки. Кроме того, факт отсутствия внешней обечайки позволяет, в общем, уменьшить массу диффузора.

Более того, в соответствии с изобретением внешний кожух имеет плечо, в которое упирается внешний выходной край промежуточной части диффузора. Благодаря этому плечу легко и точно позиционируют промежуточную часть относительно кожуха. Сборка диффузора облегчается.

В соответствии с частным вариантом осуществления изобретения спрямляющие лопатки не закреплены на внешнем кожухе, что еще более упрощает сборку диффузора. В этом случае, предпочтительно, для исключения недостатков, связанных с феноменами объемного расширения, которые возникают при работе турбомашины, предусматривают в холодном состоянии зазор между спрямляющими лопатками и внешним кожухом. В горячем состоянии этот зазор уменьшается и, предпочтительно, становится нулевым или немного отрицательным.

В соответствии с частным вариантом осуществления изобретения противоположные стенки входной и промежуточной частей образованы первым фланцем и вторым фланцем, причем эти первый и второй фланцы отделены от кожуха и ограничивают проточный тракт во входной и промежуточной частях.

Изобретение и его преимущества будут более понятны при чтении подробного описания, которое следует, примеров осуществления изобретения, приведенных в качестве иллюстрации, а не ограничения. Это описание ссылается на приложенные фигуры, на которых:

- фиг.1 схематично изображает в аксиальном полуразрезе компрессор, диффузор и модуль камеры сгорания известного примера авиационного турбореактивного двигателя;

- фиг.2 изображает вид в перспективе диффузора по фиг.1;

- фиг.3 схематично изображает в аксиальном полуразрезе компрессор, диффузор и модуль камеры сгорания примера авиационного турбореактивного двигателя в соответствии с изобретением;

- фиг.4 изображает часть диффузора по фиг.3;

- фиг.5 схематично изображает в аксиальном полуразрезе компрессор, диффузор и модуль камеры сгорания другого примера авиационного турбореактивного двигателя в соответствии с изобретением; и

- фиг.6 изображает часть диффузора по фиг.5.

Фиг.1 и 2 изображают вышеописанный известный уровень техники.

Фиг.3 изображает частично пример турбомашины по изобретению. Точнее говоря, речь идет об авиационном турбореактивном двигателе. Газом, проходящим через турбореактивный двигатель, является воздух.

Турбореактивный двигатель содержит центробежный компрессор 10 высокого давления, кольцевой диффузор 20, соединенный на выходе из компрессора 10, причем этот диффузор открывается в пространство 30, окружающее кольцевую камеру 40 сгорания. Это пространство 30 ограничено концентрическими внешним кожухом 32 и внутренним кожухом 34. Камера 40 сгорания скреплена с помощью фиксирующих фланцев с кожухами 32 и 34.

Центробежный компрессор 10 содержит центробежное колесо. Это колесо содержит ряд приводимых во вращение подвижных лопаток. Эти лопатки аксиально получают воздух, ускоряют его и выпускают его радиально в диффузор 20.

Диффузор 20 представляет собой кольцевое пространство, окружающее компрессор 10. Диффузор 20 служит для уменьшения скорости воздуха, выходящего из компрессора 10 и, вследствие этого, для повышения статического давления. Диффузор 20 на чертежах является лопаточного типа.

Этот диффузор 20 содержит входную кольцевую часть 21, ориентированную радиально, которая имеет ряд диффузорных каналов 22, соединенных с выходом компрессора 10, для рекуперации ускоренного воздуха, выходящего из компрессора 10. Эти диффузорные каналы 22 имеют сечение, которое прогрессивно увеличивается в радиальном направлении изнутри наружу, для того чтобы рассеять газовый поток, выходящий из компрессора 10. Эти диффузорные каналы 22 образованы рядом диффузорных лопаток 23, размещенных с промежутками по кругу. На уровне входа входной части 21 эти лопатки 23 размещены близко одни к другим. Эти диффузорные лопатки 23 расходятся по окружности по мере того, как они приближаются к выходу входной части 21.

На выходе входной части 21 диффузор 20 содержит кольцевую изогнутую промежуточную часть 24 для изгиба траектории потока из диффузора и подвода воздушного потока к камере 40 сгорания.

На выходе этой промежуточной части 24 диффузор 20 содержит кольцевую выходную часть 25 с рядом спрямляющих лопаток 26, размещенных с промежутками по кругу для уменьшения вращения газового потока, выходящего из диффузорных каналов 22, перед тем как этот газовый поток войдет в пространство 30.

Первый фланец 27 образует внутреннюю стенку выходной части 25 таким образом, что проточный тракт в выходной части 25 ограничен внутри первым фланцем 27. Этот фланец 27 несет спрямляющие лопатки 26 (т.е. лопатки 26 жестко соединены с фланцем 27).

Противоположные входная 21 и промежуточная 24 части образованы первым фланцем 27 и вторым фланцем 28. Таким образом, эти первый и второй фланцы 27 и 28 ограничивают проточный тракт во входной 21 и выходной 24 частях.

Второй фланец 28 несет диффузорные лопатки 23, и при сборке диффузора 20 первый фланец 27 припаивается к диффузорным лопаткам 23.

Камера 40 сгорания содержит внутреннюю кольцевую стенку 42, внешнюю кольцевую стенку 43 и кольцевое дно 41 камеры, размещенное между упомянутыми стенками 42, 43 во входной области упомянутой камеры. Это дно 41 камеры имеет отверстия 44 впрыска, распределенные по окружности вокруг оси А. В дно камеры установлены системы 45 впрыска в упомянутых отверстиях 44 впрыска (по одной системе 45 впрыска на отверстие 44 впрыска). Эти системы 45 впрыска обеспечивают впрыскивание топливовоздушной смеси, которая сгорает в камере 40 сгорания. Топливо для этой смеси поступает к системам 45 впрыска по топливопроводу 46, проходящему через пространство 30.

Камера 40 сгорания (т.е. главная ось Р этой камеры) наклонена относительно оси А турбореактивного двигателя под острым углом В (не нулевым). Чем больше этот острый угол В, тем меньше аксиальные габаритные размеры модуля камеры сгорания.

В примере по фиг.3 выходная часть 25 диффузора ориентирована аксиально в том смысле, что средняя ось М проточного тракта на выходе из выходной части 25 диффузора параллельна оси А.

Внешний кожух 32 размещен радиально снаружи камеры 40 сгорания и выходной части 25 диффузора 20.

В соответствии с изобретением внешний кожух 32 образует внешнюю стенку выходной части 25 так, что снаружи он ограничивает проточный тракт воздуха в этой выходной части 25. Точнее говоря, внутренняя сторона внешнего кожуха 32 ограничивает этот тракт.

Как детально показано на фиг.4, спрямляющие лопатки 26 не прикреплены к внешнему кожуху 32.

В холодном состоянии существует зазор J между спрямляющими лопатками 26 и внешним кожухом 32. Этот зазор J по мере нагрева турбореактивного двигателя уменьшается вследствие разности объемных расширений между первым фланцем 27 и лопатками 26 с одной стороны и внешним кожухом 32 с другой стороны. В горячем состоянии зазор J может быть нулевым либо немного отрицательным так, что лопатки 26 выходят на один уровень или входят в легкий контакт с внешним кожухом 32. Этот контакт малозаметен, чтобы не повредить лопатки 26 или кожух 32.

Внешний кожух 32 содержит плечо 36, в которое упирается внешний выходной край 37 промежуточной части 24 при сборке диффузора. Таким образом, плечо 36 используется как репер и помощь для хорошего позиционирования промежуточной части 24.

Во всяком случае, с целью облегчения позиционирования промежуточной части 24 внешняя стенка 39 промежуточной части 24 упирается во внешний кожух 32, при этом опорная поверхность 35 между внешней стенкой 39 и кожухом является круглой цилиндрической поверхностью, со значительной аксиальной шириной.

Далее со ссылками на фиг.5 и 6 будет описан другой пример турбореактивного двигателя по изобретению. Одинаковые элементы этого примера и примера по фиг.3 и 4 имеют одинаковые цифровые обозначения.

Этот турбореактивный двигатель отличается от турбореактивного двигателя по фиг.3 и 4 тем, что выходная часть 25 диффузора наклонена относительно оси А турбомашины в направлении камеры 40 сгорания таким образом, что в плоскости сечения, включающей ось А турбомашины, средняя ось М проточного тракта на выходе выходной части 25 диффузора образует острый угол, не нулевой, с осью А, при этом эта средняя ось М проходит, предпочтительно, через дно 41 камеры.

Такой наклон выходной части 25 диффузора 20 относительно оси А турбомашины позволяет уменьшить потери напора газов между выходом диффузора 20 и камерой 40 сгорания. Он позволяет также осуществлять симметричное питание газом зоны внешнего и внутреннего окружения камеры 40, причем лучше питать газом зону внутреннего окружения. Кроме того, питание газом систем 45 впрыска также становится более симметричным.

В этом примере внешний кожух 32 имеет часть внутренней поверхности 50 в форме усеченного конуса напротив спрямляющих лопаток 26 таким образом, что эта часть поверхности 50 в форме усеченного конуса охватывает (с зазором J) внешний контур спрямляющих лопаток 26. В примере часть поверхности 50 в форме усеченного конуса выполнена в утолщении 52 внешнего кожуха 32.

Турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания; центробежный компрессор; кольцевой диффузор, позволяющий рассеивать выходящий из компрессора газовый поток и направлять этот газовый поток к камере сгорания. Диффузор содержит радиально ориентированную входную часть, имеющую диффузорные каналы, соединенные с выходом компрессора; изогнутую промежуточную часть, и выходную часть, содержащую ряд спрямляющих лопаток, расположенных с промежутками по кругу; и внешний кожух, окружающий снаружи камеру сгорания и выходную часть. Проточный тракт в выходной части ограничен снаружи внешним кожухом. Внешний кожух имеет плечо, в которое упирается внешний выходной край промежуточной части. Изобретение направлено на ускорение сборки диффузора. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Турбомашина, содержащая кольцевую камеру (40) сгорания; центробежный компрессор (10); кольцевой диффузор (20), позволяющий рассеивать выходящий из компрессора газовый поток и направлять этот газовый поток к камере сгорания, при этом диффузор содержит: радиально ориентированную входную часть (21), имеющую диффузорные каналы (22), соединенные с выходом компрессора; изогнутую промежуточную часть (24); и выходную часть (25), содержащую ряд спрямляющих лопаток (26), расположенных с промежутками по кругу; и внешний кожух (32), окружающий снаружи камеру сгорания и выходную часть; отличающаяся тем, что проточный тракт в выходной части (25) ограничен снаружи внешним кожухом (32), при этом внешний кожух (32) имеет плечо (36), в которое упирается внешний выходной край (37) промежуточной части (24).

2. Турбомашина по п.1, в которой спрямляющие лопатки (26) не закреплены на внешнем кожухе (32).

3. Турбомашина по п.2, в которой существует зазор (J), в холодном состоянии между спрямляющими лопатками (26) и внешним кожухом (32).

4. Турбомашина по п.1, в которой противоположные стенки входной (21) и промежуточной (24) частей образованы первым фланцем (27) и вторым фланцем (28), причем эти первый и второй фланцы (27, 28) отделены от кожуха (32) и ограничивают проточный тракт во входной (21) и промежуточной (24) частях.

5. Турбомашина по п.1, в которой внешняя стенка (39) промежуточной части (24) опирается на внешний кожух (32), при этом опорная поверхность (35) между внешней стенкой (39) и кожухом (32) является цилиндрической поверхностью.

6. Турбомашина по п.1, в которой внешний кожух (32) имеет часть внутренней поверхности (50) в форме усеченного конуса напротив спрямляющих лопаток (26).

7. Турбомашина по п.1, в которой проточный тракт в выходной части (25) ограничен изнутри фланцем (27), причем этот фланец ограничивает также проточный тракт во входной (21) и промежуточной (24) частях.

8. Турбомашина по п.7, в которой упомянутый фланец (27) несет спрямляющие лопатки (26).

9. Турбомашина по п.7, в которой входная часть (21) содержит ряд диффузорных лопаток (23), расположенных с промежутками по кругу и образующих между собой диффузорные каналы (22), и в которой фланец (27) припаян к этим диффузорным лопаткам (23).