ДИФФУЗОР ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК F04D29/44 

Изобретение касается турбомашины. Оно предназначено для любого типа турбомашины как наземной, так и авиационной, и, в частности, для турбореактивного двигателя самолета.

В настоящей заявке «вход» и «выход» определены по отношению к направлению нормального потока газов (от входа к выходу) через турбомашину. Кроме того, осью турбомашины называют ось вращения ротора турбомашины. Осевое направление соответствует направлению оси турбомашины, а радиальное направление является направлением, перпендикулярным к этой оси. Точно также осевая плоскость является плоскостью, содержащей ось турбомашины, а радиальная плоскость является плоскостью, перпендикулярной к этой оси. Наконец, если только не будет специального уточнения, прилагательные «внутренний» и «наружный» использованы относительно радиального направления таким образом, что внутренняя часть (то есть радиально внутренняя часть) элемента находится ближе к оси турбомашины, чем наружная часть (то есть радиально наружная часть) этого элемента.

Настоящее изобретение касается турбомашины, содержащей:

- кольцевую камеру сгорания с дном камеры, содержащим отверстия впрыска, в которых установлены системы впрыска;

- компрессор, содержащий выходную центробежную ступень; и

- кольцевой диффузор, позволяющий рассеивать газовый поток, выходящий из компрессора, и направлять этот газовый поток к упомянутым системам впрыска.

Компрессор, содержащий выходную центробежную ступень, обычно содержит вращающееся рабочее колесо. Это рабочее колесо содержит ряд приводимых во вращение лопаток и выполнен с возможностью ускорения проходящего через него газа.

Диффузор имеет кольцевое пространство, окружающее вращающееся рабочее колесо. Диффузор служит для снижения скорости газа, выходящего из вращающегося рабочего колеса, тем самым, для повышения его статического давления. Диффузоры могут быть лопаточного типа или трубчатого типа.

Эти два типа диффузора, как правило, содержат радиально направленную кольцевую входную часть, которая содержит ряд диффузорных каналов, соединенных с выходом компрессора для отбора выходящего из него ускоренного газа. Эти диффузорные каналы имеют сечение, которое постепенно увеличивается от входа к выходу, чтобы рассеивать газовый поток, выходящий из компрессора. Диффузоры лопаточного типа используют ряд лопаток, размещенных с промежутками по кругу и образующих между собой эти диффузорные каналы. В диффузорах трубчатого типа эти каналы образованы элементами трубок, образованных, например, между двумя соединенными противоположными пластинами.

На выходе этой входной части диффузоры обычно содержат изогнутую кольцевую промежуточную часть для изгиба пути потока от диффузора и отведения газового потока в направлении камеры сгорания.

На выходе этой промежуточной части диффузоры обычно содержат выходную кольцевую часть, содержащую ряд спрямляющих лопаток, размещенных с промежутками по кругу, позволяющую спрямить газовый поток и за счет этого уменьшить или устранить окружное завихрение газового потока, выходящего из диффузорных каналов, до того как этот поток войдет в камеру сгорания.

Как правило, центры отверстий впрыска камеры сгорания распределены вокруг оси турбомашины на окружности с радиусом R1, причем средний радиус R2 выходной части диффузора больше радиуса R1.

В некоторых известных турбомашинах выходная часть диффузора следует по линии наружного кожуха камеры и направлена в сторону внешней зоны, огибающей камеру (то есть зоны прохода между камерой и наружным кожухом). Иначе говоря, в плоскости сечения, содержащей ось турбомашины, средняя ось проточного тракта на выходе выходной части диффузора параллельна средней оси внешнего потока, огибающего камеру. Это решение не является удовлетворительным, так как весь основной газовый поток, выходящий из диффузора, огибает камеру сгорания снаружи, перед тем как разделиться на внешний поток и поток, поступающий в дно камеры и внутреннюю огибающую зону камеры (то есть зону прохода между камерой и внутренним кожухом). Системы впрыска и внутренняя огибающая зона в этом случае питаются вторичным потоком, отклоненным от основного потока, и это отклонение приводит к существенной потере напора (то есть к потере давления) между выходом диффузора и входом системы впрыска и между выходом диффузора и внутренней огибающей зоной.

Такая потеря напора приводит к следующим последствиям:

- Большую потерю напора между выходом диффузора и системой впрыска необходимо компенсировать во время разработки турбомашины за счет общего увеличения потери напора модуля между выходом диффузора и выходом камеры таким образом, чтобы сохранить достаточное падение давления при прохождении через систему впрыска для обеспечения смешивания между воздухом и топливом и сгорания смеси. Это увеличение потери напора модуля приводит к увеличению расхода топлива.

- Поступление газа между внешней огибающей зоной и внутренней огибающей зоной камеры в большой степени является асимметричным (первичные газовые струи и разбавляющие струи больше проникают в наружную зону, чем во внутреннюю), что затрудняет контроль над температурным профилем на выходе камеры.

- Плохое питание газом внутренней огибающей зоны приводит к снижению скорости газовых потоков в устройствах охлаждения внутренней стенки камеры сгорания, что снижает коэффициенты конвекционного обмена и, следовательно, общую эффективность этого охлаждения.

- Плохое питание газом внутренней огибающей зоны приводит к понижению степени избыточного давления, снижая эффективность охлаждения направляющего аппарата турбины, расположенного на выходе камеры.

Чтобы избежать этих недостатков, в других известных турбомашинах, например в турбомашине, описанной в FR 2372965, выходная часть диффузора наклонена по отношению к оси турбомашины в направлении камеры сгорания таким образом, что в плоскости сечения, содержащей ось турбомашины, средняя ось проточного тракта на выходе выходной части диффузора проходит через дно камеры между максимальным радиусом и минимальным радиусом дна камеры. Проточный тракт определяют как огибающую, которая ограничивает пространство прохождения газа, то есть газовый поток. На уровне выходной части диффузора этот тракт ограничен внутренним контуром этой выходной части.

Такой наклон выходной части диффузора по отношению к оси турбомашины в направлении дна камеры является усовершенствованием, так как он позволяет уменьшить потерю напора между выходом диффузора и входом системы впрыска и обеспечивает более прямое питание этих систем. Он обеспечивает также более симметричное поступление газа во внутреннюю и внешнюю огибающие зоны камеры и лучшее питание газом внутренней огибающей зоны. Кроме того, питание газом различных впускных каналов каждой системы впрыска становится более равномерным.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование этого последнего типа турбомашины, чтобы еще больше улучшить питание систем впрыска.

Для решения этой задачи изобретением предлагается турбомашина вышеуказанного последнего типа (то есть с выходной частью диффузора, наклоненной по отношению к оси турбомашины в направлении дна камеры), в котором спрямляющие лопатки выходной части диффузора располагают относительно отверстий впрыска (то есть относительно систем впрыска, установленных в этих отверстиях) таким образом, что в плоскости сечения, содержащей ось турбомашины и проходящей через центр одного из упомянутых отверстий впрыска, расстояние по криволинейной абсциссе вдоль линии потока между серединой проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток и упомянутым центром больше или равно трехкратной высоте упомянутого проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток.

Во время исследований, которые привели к изобретению, авторы изобретения установили, что спрямляющие лопатки выходной части диффузора порождают возмущения в газовом потоке за их задней кромкой ниже по потоку (речь идет о спутных струях) и что эти возмущения отрицательно сказываются на питании газом систем впрыска. В частности, это питание газом является менее симметричным вокруг оси впрыска этих систем. Однако по мере удаления от задней кромки спрямляющих лопаток эти возмущения ослабевают. Таким образом, изобретением предлагается в достаточной степени удалить отверстия впрыска (а следовательно, системы впрыска) от задней кромки спрямляющих лопаток, чтобы эти отверстия находились в зоне слабого возмущения и даже ничтожного возмущения и чтобы улучшить, таким образом, питание систем впрыска.

Благодаря изобретению улучшается питание системы впрыска (в частности, оно становится более симметричным вокруг оси впрыска), что позволяет, в частности, повысить стабильность горения на низком режиме, лучше контролировать профиль температур на выходе камеры и ограничить риск нестационарной связи между потоком на выходе диффузора и горением.

С другой стороны, отверстия впрыска не должны быть слишком удалены от спрямляющих лопаток, чтобы ограничить потерю напора разрывом между выходом диффузора и входом системы впрыска. Поэтому, согласно варианту выполнения изобретения, в плоскости сечения, содержащей ось турбомашины и проходящей через центр одного из упомянутых отверстий впрыска, расстояние по криволинейной абсциссе вдоль линии потока между серединой проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток и упомянутым центром меньше или равно 9-кратной высоте упомянутого проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток.

Для улучшения спрямления газового потока, проходящего через выходную часть диффузора, предпочтительно, чтобы число спрямляющих лопаток было большим, но не приводящим к аэродинамической блокировке, отрицательно сказывающейся на запасе по помпажу центробежной ступени. Поэтому, согласно варианту выполнения изобретения, число спрямляющих лопаток превышает число систем впрыска. Предпочтительно число спрямляющих лопаток, по меньшей мере, в 4 раза больше числа систем впрыска. Чем больше число спрямляющих лопаток, тем больше эти лопатки создают завихрений (хотя их размер снижается), поэтому изобретение представляет особый интерес, поскольку позволяет рассеивать эти завихрения на рекомендованном расстоянии между задней кромкой спрямляющих лопаток и отверстиями впрыска.

Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания не ограничительных примеров выполнения. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1-3 - схематичный вид в осевом полуразрезе компрессора, диффузора и модуля камеры сгорания согласно трем примерам выполнения авиационного турбореактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - модуль камеры сгорания, показанный на фиг.1, и линии газового потока, проходящего через модуль.

Фиг.5 - частичный вид выходной части диффузора турбомашины, показанного на фиг.1, в радиальном сечении по плоскости разреза V-V.

На фиг.1-3 показан пример турбореактивного двигателя в осевом полуразрезе по плоскости разреза, содержащей ось вращения А ротора турбореактивного двигателя.

Газом, проходящим через турбореактивный двигатель, является воздух.

Турбореактивный двигатель содержит компрессор 10 высокого давления, выходная часть (показана на фиг.1-3) которого образована центробежной ступенью, при этом кольцевой диффузор 20 соединен на выходе с компрессором 10, причем этот диффузор выходит в пространство 30, окружающее кольцевую камеру 40 сгорания. Это пространство 30 ограничено концентрическим наружным кожухом 32 и внутренним кожухом 34. Камера 40 сгорания удерживается крепежными фланцами, соединенными с кожухами 32 и 34.

Центробежный компрессор 10 содержит вращающееся рабочее колесо 12. Это рабочее колесо 12 содержит ряд подвижных вращающихся лопаток 14. Рабочее колесо 12 выполнено с возможностью ускорения проходящего через него воздуха и за счет этого позволяет увеличить кинетическую энергию этого воздуха.

Диффузор 20 содержит кольцевое пространство, окружающее рабочее колесо. Диффузор 20 служит для снижения скорости воздуха, выходящего из рабочего колеса, и за счет этого для повышения его статического давления. Диффузор 20, показанный на чертежах, является диффузором лопаточного типа.

Этот диффузор 20 содержит кольцевую входную часть 21, выполненную в радиальном направлении, которая содержит ряд диффузорных каналов 22, соединенных с выходом компрессора 10 для отбора ускорившегося воздуха, выходящего из рабочего колеса 12. Эти диффузорные каналы 22 имеют сечение, которое постепенно увеличивается от входа к выходу, чтобы рассеивать воздушный поток, выходящий из рабочего колеса. Эти диффузорные каналы 22 образованы рядом лопаток, размещенных с промежутками по кругу. На уровне входа входной части 21 эти лопатки 23 находятся близко друг к другу. Эти лопатки 23 удаляются друг от друга в окружном направлении по мере приближения к выходу входной части 21.

На выходе входной части 21 диффузор 20 содержит изогнутую кольцевую промежуточную часть 24 для изгиба пути потока из диффузора и отведения воздушного потока в направлении камеры 40 сгорания.

На выходе этой промежуточной части 24 диффузор 20 содержит кольцевую выходную часть 25, содержащую ряд спрямляющих лопаток 26, размещенных с промежутками по кругу для устранения или ограничения кругового завихрения воздушного потока, выходящего из диффузорных каналов 22, прежде чем этот воздушный поток достигнет пространства 30. На фиг.5 показаны спрямляющие лопатки 26 в разрезе по плоскости разреза, перпендикулярной к средней оси X проточного тракта на выходе выходной части 25 диффузора. Как показано на этом чертеже, спрямляющие лопатки 26 выполнены в радиальном направлении между внутренней и наружной стенками выходной части 25 диффузора.

Камера 40 сгорания содержит кольцевую внутреннюю стенку 42, кольцевую наружную стенку 43 и кольцевое дно 41 камеры, расположенное между упомянутыми стенками 42, 43 в передней по потоку области упомянутой камеры. Это дно 41 камеры содержит отверстия 44 впрыска, распределенные в окружном направлении вокруг оси А. На дне камеры установлены системы 45 впрыска в упомянутых отверстиях 44 впрыска (из расчета одной системы 45 впрыска на одно отверстие 44 впрыска). Эти системы 45 впрыска обеспечивают впрыск смеси воздух/топливо, которая сгорает в камере 40 сгорания. Топливо этой смеси подается к системам 45 впрыска через трубопровод 4 6 подачи топлива, проходящий через пространство 30.

Обычно узел, образованный камерой 40 сгорания, ее кожухами и ближайшими к ней элементами, называют модулем камеры сгорания.

Камера 40 сгорания наклонена по отношению к оси А турбореактивного двигателя под острым углом В (не равным нулю). Чем больше этот острый угол В, тем меньше осевые габариты модуля камеры сгорания.

Чтобы воздушный поток, выходящий их диффузора 20, был направлен в сторону систем 45 впрыска, выходная часть 25 диффузора 20 наклонена по отношению к оси А турбореактивного двигателя в направлении камеры сгорания таким образом, что в плоскости разреза, содержащей ось турбореактивного двигателя, средняя ось X проточного тракта на выходе выходной части 25 диффузора проходит через дно 41 камеры между максимальным радиусом R и минимальным радиусом r дна 41 камеры. Поскольку дно 41 камеры является кольцевым с центром на оси А, радиусы r и R начинаются от оси А и проходят в радиальном направлении. Это проиллюстрировано на фиг.1-3, где показаны три примера камеры 40 сгорания, в которых соблюдается вышеуказанный критерий наклона. На фиг.2 средняя ось X проточного тракта на выходе выходной части 25 диффузора проходит через дно 41 камеры вблизи минимального радиуса R. На фиг.3 средняя ось X проточного тракта на выходе выходной части 25 диффузора проходит через дно 41 камеры вблизи минимального радиуса r. На фиг.1 средняя ось X проточного тракта на выходе выходной части 25 диффузора проходит через дно 41 камеры на уровне центра С отверстия 44 впрыска.

Согласно изобретению и как показано на фиг.4, где представлены модуль камеры сгорания, показанный на фиг.1, и линии воздушного потока, проходящего через этот модуль, если смотреть в плоскости фиг.1 и 4, которая содержит ось А турбореактивного двигателя и которая проходит через центр С отверстия 44 впрыска, расстояние по криволинейной абсциссе вдоль линии L потока между серединой О проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток 26 и упомянутым центром С (то есть длина участка кривой, принадлежащего линии L потока и проходящего от О к С) больше или равно 3-кратной высоте h упомянутого проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток (эта высота h соответствует высоте спрямляющих лопаток 26). С другой стороны, это расстояние по криволинейной абсциссе меньше или равно 9-кратной высоте упомянутого проточного тракта по задней кромке спрямляющих лопаток.

Турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания с дном камеры, компрессор, содержащий выходную центробежную ступень и кольцевой диффузор, позволяющий рассеивать газовый поток, выходящий из компрессора, и направлять этот газовый поток к упомянутым системам впрыска. Дно камеры сгорания содержит отверстия впрыска, в которых установлены системы впрыска. Диффузор содержит радиально направленную входную часть, изогнутую промежуточную часть и выходную часть. Входная часть содержит диффузорные каналы, соединенные с выходом компрессора. Выходная часть содержит ряд спрямляющих лопаток, размещенных с промежутками по кругу. Выходная часть наклонена по отношению к оси турбомашины в направлении камеры сгорания таким образом, что в плоскости сечения, содержащей ось турбомашины, средняя ось проточного тракта на выходе выходной части диффузора проходит через дно камеры между максимальным радиусом и минимальным радиусом дна камеры. Расстояние по криволинейной абсциссе вдоль линии потока между серединой проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток и упомянутым центром больше или равно трехкратной высоте упомянутого проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток. Число спрямляющих лопаток, по меньшей мере, в четыре раза больше числа систем впрыска. Изобретение позволяет рассеивать завихрения на рекомендованное расстояние между задней кромкой спрямляющих лопаток и отверстиями впрыска. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбомашина, содержащая:
кольцевую камеру (40) сгорания с дном (41) камеры, содержащим отверстия (44) впрыска, в которых установлены системы (45) впрыска;
компрессор (10), содержащий выходную центробежную ступень; и
кольцевой диффузор (20), позволяющий рассеивать газовый поток, выходящий из компрессора (10), и направлять этот газовый поток к упомянутым системам впрыска, при этом диффузор содержит радиально направленную входную часть (21), которая содержит диффузорные каналы (22), соединенные с выходом компрессора; изогнутую промежуточную часть (24); и выходную часть (25), содержащую ряд спрямляющих лопаток (26), размещенных с промежутками по кругу, при этом выходная часть (25) наклонена по отношению к оси (А) турбомашины в направлении камеры сгорания таким образом, что в плоскости сечения, содержащей ось (А) турбомашины, средняя ось (X) проточного тракта на выходе выходной части (25) диффузора (20) проходит через дно (41) камеры между максимальным радиусом (R) и минимальным радиусом (r) дна (41) камеры, отличающаяся тем, что в плоскости сечения, содержащей ось (А) турбомашины и проходящей через центр (С) одного из упомянутых отверстий (44) впрыска, расстояние по криволинейной абсциссе вдоль линии (L) потока между серединой (О) проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток (26) и упомянутым центром (С) больше или равно трехкратной высоте (h) упомянутого проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток (26), и тем, что число спрямляющих лопаток (26), по меньшей мере, в четыре раза больше числа систем (45) впрыска.

2. Турбомашина по п.1, в которой в плоскости сечения, содержащей ось (А) турбомашины и проходящей через центр (С) одного из упомянутых отверстий (44) впрыска, расстояние по криволинейной абсциссе вдоль линии (L) потока между серединой (О) проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток (26) и упомянутым центром (С) меньше или равно 9-кратной высоте (h) упомянутого проточного тракта на задней кромке спрямляющих лопаток (26).