КОЛЬЦЕВОЙ ДИФФУЗОР ДЛЯ ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ МАШИНЫ, СИСТЕМА ДЛЯ ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ МАШИНЫ, А ТАКЖЕ ОСЕВАЯ ТУРБИННАЯ МАШИНА Российский патент 2014 года по МПК F04D29/54 

Изобретение относится к кольцевому диффузору для осевой турбинной машины, содержащему круговую наружную стенку и коаксиальную ей круговую внутреннюю стенку, между которыми кольцеобразно проходит канал диффузора в осевом направлении от расположенного на стороне входа потока конца к расположенному на стороне выхода потока конца, при этом внутренняя стенка и наружная стенка содержат каждая ограничивающую канал диффузора поверхность стенки. Кроме того, изобретение относится к системе для осевой турбинной машины, содержащей кольцеобразный проточный канал, который ограничен поверхностями наружной стенки и внутренней стенки, между которыми предусмотрена по меньшей мере одна предназначенная для прохождения потока среды решетка направляющих лопаток. Наконец, изобретение относится также к осевой турбинной машине, содержащей указанную выше систему.

Кольцевые диффузоры известны из уровня техники и используются, например, в газовых турбинах. Газовые турбины служат, как правило, для стационарного генерирования энергии или в качестве привода самолетов, при этом указанный в начале кольцевой диффузор часто предусмотрен на выходе компрессора газовой турбины, называемого коротко компрессором, с целью замедления всасываемого и сжимаемого воздуха и преобразования содержащейся в нем кинетической энергии в статическое давление. При этом выходной диффузор компрессора образован наружной и коаксиально расположенной также круговой внутренней стенкой, между которыми предусмотрен кольцеобразный канал диффузора. При этом диффузорный канал расширяется от конца на стороне входа потока к концу на стороне выхода потока.

Альтернативный диффузор газовой турбины известен, например, из US 5 592 820. Раскрытый в нем диффузор составлен из множества квадратных в поперечном сечении труб, которые расположены лежащими на окружности. На стороне впуска трубы заканчиваются на идентичном радиусе, в то время как на стороне выпуска трубы заканчиваются на различных радиусах, что приводит к многократно отклоняющемуся в различных направлениях вокруг круговой линии распределению концов труб. С помощью этого расположения поставляемый компрессором воздух должен сравнительно просто направляться к различным конструктивным элементам.

Наряду с этим известен кольцевой диффузор для каталитического преобразователя автомобиля, который на стороне выхода имеет волнообразную оболочку, с целью предотвращения возможно возникающих в этом месте отрывов потоков.

В газовых турбинах, как известно, выход, выполненный в большинстве случаев осевым компрессором, совпадает с входом кольцевого диффузора. На выходе компрессора или по потоку непосредственно перед ним предусмотрена решетка направляющих лопаток. При этом решетка направляющих лопаток выполнена в виде решетки направляющих лопаток последней ступени компрессора и/или в виде выходного направляющего аппарата и служит, как известно, для раскрутки проходящего в кольцеобразном проточном канале компрессора потока воздуха.

При этом в зависимости от конструкции известно выполнение направляющих лопаток решетки направляющих лопаток свободно стоящими. Однако применение свободно стоящих направляющих лопаток в последней ступени компрессора и в возможно имеющемся выходном направляющем аппарате приводит, в частности, при больших радиальных зазорах между вершинами свободно стоящих направляющих лопаток и противоположно лежащей внутренней стенкой к заметно неравномерному распределению скоростей, соответственно, полного давления по периферии на выходе компрессорной ступени, соответственно, выходного направляющего аппарата, обусловленному влиянием создаваемых за счет зазора вихревых потоков. В зависимости от отклонения выходного направляющего аппарата или направляющих лопаток последней ступени компрессора образуется за счет также возникающего вторичного потока возможно также на наружной стенке соответствующая неравномерность выходной скорости. Это приводит к тому, что при входе в диффузор имеется изменяющееся в окружном направлении, периодическое с числом прохождения через выходной направляющий аппарат распределение величины потока. Это неравномерное распределение кинетической энергии обуславливает соответствующую пространственно различную способность потока преодолевать относительно равномерные градиенты статического давления в диффузоре.

Известно также применение вместо свободно стоящих направляющих лопаток, закрепленных на обоих концах платформ, перьев направляющих лопаток для решетки лопаток. В таких решетках направляющих лопаток нет радиальных зазоров на стороне вершин перьев лопаток, так что здесь возникают небольшие неравномерности распределения величин потока.

Однако неравномерные распределения приводят к аэродинамическим потерям в диффузоре, что приводит к задаче изобретения.

Задачей изобретения является создание системы для осевой турбинной машины, содержащей решетку направляющих лопаток, которая расположена выше по потоку от кольцевого диффузора, причем в системе обеспечиваются особенно небольшие аэродинамические потери. Дополнительно к этому, другой задачей изобретения является создание такой осевой турбинной машины.

Направленная на указанный в начале кольцевой диффузор задача решена с помощью системы для осевой турбинной машины с признаками пункта 1 формулы изобретения.

В основе изобретения лежит понимание того, что в кольцевых диффузорах указанного в начале вида до настоящего времени не учитывается неравномерность приходящего потока в окружном направлении. За счет этого невозможна наилучшая работа диффузора, поскольку либо невозможно полное преобразование потенциала пограничного слоя относительно замедления без отрыва в зонах более высокого полного давления, либо в зонах более низкого полного давления нагрузка является слишком большой и тем самым может возникать сопровождаемый экстремально высокими потерями отрыв потока.

Дополнительно к этому, изобретение основывается на понимании того, что невозможно любое уменьшение или даже предотвращение неравномерности потока в окружном направлении, поскольку она является результатом преднамеренного отклонения лежащей выше по потоку решетки направляющих лопаток. Изобретение скорее основывается на идее учета неравномерности входящего потока воздуха в окружном направлении и соответствующего согласования с кольцевым диффузором. Для этого предлагается, что кольцевой диффузор имеет на стороне впуска ротационно-несимметричную форму, к которой примыкает ротационно-симметричный участок по потоку ниже относительно направления потока через диффузор. Другими словами, имеющая форму оболочки поверхность внутренней стенки и/или имеющая форму оболочки поверхность наружной стенки кольцевого диффузора выполнена на стороне входа потока ротационно-несимметричной. Таким образом возможен улучшенный ход изменения поперечного сечения, который преобразует действительно имеющуюся кинетическую энергию потока в каждом положении окружности наилучшим образом в статическое давление. Тем самым распределение величины потока точно учитывается уже на входе в кольцевой диффузор по периферии кольцеобразного диффузорного канала, что до настоящего времени не учитывалось. В частности, за счет этого возможно согласование замедления с имеющимся на входе распределением кинетической энергии и тем самым максимальное использование полного давления.

Указанная выше неравномерность потока рабочей среды, поступающего в диффузорный канал, является особенно значительной в том случае, если в проточном канале, предшествующем диффузорному каналу, ограниченном поверхностями наружной стенки и внутренней стенки, предусмотрена предназначенная для прохождения потока среды решетка направляющих лопаток. Кроме того, для системы, содержащей выход компрессора и примыкающий к нему кольцевой диффузор, является особенно целесообразным использование предусмотренной изобретением ротационно-несимметричной поверхности стенки, так как указанные выше неравномерности потока особенно сильно проявляются в этой области. Это еще более важно, если выше по потоку от выхода компрессора свободно стоящие направляющие лопатки образуют решетку направляющих лопаток. Ротационная несимметричность в потоке среды встречается особенно в том случае, если выше по потоку от кольцевого диффузора расположена решетка направляющих лопаток, при этом применение кольцевого диффузора в системе согласно изобретению является особенно предпочтительным. Упомянутая система для осевой турбинной машины содержит кольцеобразный проточный канал, который ограничен поверхностями наружной стенки и внутренней стенки, между которыми предусмотрена одна предназначенная для прохождения потока среды решетка направляющих лопаток. При этом решетка направляющих лопаток может быть выполнена в виде решетки направляющих лопаток лопаточной ступени или в виде выходного направляющего аппарата. Естественно, возможно, что система имеет как решетку направляющих лопаток в качестве части лопаточной ступени, так и одну или несколько решеток направляющих лопаток в качестве выходных направляющих аппаратов. Поскольку несимметричность в рабочей среде возникает, в частности, при решетках направляющих лопаток со свободно стоящими перьями лопаток, то применение кольцевого диффузора согласно изобретению по потоку ниже такой решетки направляющих лопаток особенно целесообразно, при этом в этом случае ротационно-несимметричной выполняется, в частности, та поверхность стенки кольцевого диффузора, на которой зазоры расположены дальше вверх по потоку, если перья лопаток решетки направляющих лопаток закреплены радиально снаружи на держателе направляющих лопаток, так что их направленные внутрь вершины перьев лопаток лежат противоположно внутренней стенке проточного канала с образованием зазора, то по меньшей мере поверхность внутренней стенки кольцевого диффузора выполнена на некоторых участках ротационно-несимметричной. Для случая, когда свободно стоящие направляющие лопатки решетки направляющих лопаток лежат противоположно наружной стенке проточного канала с образованием зазора, то по меньшей мере поверхность наружной стенки кольцевого диффузора выполнена ротационно-несимметричной.

В смысле данной заявки наружная поверхность тела является ротационно-симметричной, когда она при повороте вокруг центральной оси (оси симметрии) на любой угол повторяется. Если это требование не выполняется, то наружная поверхность не является ротационно-симметричной. Однако при этом не должна учитываться та часть наружной поверхности тела, которая лишь по причинам крепления тела на несущей структуре и/или по причинам сборки возможно состоящего из нескольких частей тела в трубчатое тело является неротационно-симметричной. Если, например, вдоль окружности в наружной поверхности распределены отверстия под винты крепления, то эти отверстия под винты не учитываются для проверки, является ли наружная поверхность ротационно-симметричной. Поэтому для ротационной симметрии имеет значение лишь та радиально наружная и/или радиально внутренняя поверхность стенки (образующая поверхность), которая способна оказывать влияние на радиально самый наружный, соответственно радиально самый внутренний, поток в смысле изобретения. Также возможно, что имеющиеся распределенные по окружности распорки между внутренней стенкой диффузора и наружной стенкой диффузора не учитываются при проверке ротационной несимметричности соответствующей образующей поверхности.

Направленная на осевую турбинную машину задача решена с помощью признаков пункта 13 формулы изобретения, при этом присущие системе преимущества аналогично обеспечиваются в осевой турбинной машине.

Предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первой предпочтительной модификации соответствующая ротационно-несимметричная, радиально внутренняя и/или радиально наружная поверхность стенки имеет вдоль периферии попеременно возвышения и впадины. Другими словами, ротационно-несимметричная поверхность стенки является в окружном направлении волнистой, при этом возвышения выполнены в виде гребней волны, а впадины - в виде ложбин волны. При этом контур, т.е. переходы между возвышениями и впадинами, может иметь любую форму. При изображении развертки ротационно-несимметричной поверхности стенки контур может быть, например, пилообразным, треугольным или же синусным, возможно с лежащими между ними прямолинейными (ступенчатыми) или же плоскими участками. Указанные выше контуры можно также любым образом комбинировать друг с другом или накладывать друг на друга. Однако в целом контур выбирается так, что он делает ротационно-несимметричный поток возможно более равномерным с целью достижения значительно улучшенного преобразования энергии потока среды в полное давление.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения на стороне входа потока при рассматривании в радиальном направлении между поверхностью внутренней стенки и поверхностью наружной стенки имеется высота канала, при этом максимальная высота, соответственно максимальная глубина, составляет максимально 25% высоты канала. За счет этого можно предотвращать возмущение проходящего посредине между внутренней стенкой и наружной стенкой потока среды. Одновременно достигается значительное выравнивание неравномерного на стороне входа потока.

В зависимости от вида неравномерности потока вдоль периферии диффузорного канала в различных осевых положениях участка возвышения могут иметь различную высоту и/или впадины могут иметь различную глубину. Другими словами, осевой участок, поверхность стенки которого является ротационно-несимметричной, имеет конец участка на стороне входа потока и конец участка на стороне выхода потока, при этом ротационная несимметричность на конце участка на стороне входа потока является наибольшей и уменьшается в направлении конца участка на стороне выхода потока, поскольку неравномерность потока постоянно уменьшается с помощью ротационной несимметричности в направлении потока. Целесообразно, ротационная несимметричность заканчивается на конце участка на стороне выхода потока и при этом непрерывно, т.е. бесступенчато, переходит в ротационно-симметричный участок кольцевого диффузора.

В качестве альтернативного решения или дополнительно возможно, что в одном осевом положении участки возвышения имеют различную высоту и/или впадины имеют различную глубину. Это выполнение предпочтительно, когда подлежащая выравниванию величина потока вдоль окружности имеет несколько имеющих различную величину локальных максимумов или минимумов.

Согласно другому признаку изобретения ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур, который образует с направлением прохождения оси угол α, величина которого составляет между 0° и 40°. Определяющий контур может быть, например, осевым прохождением максимальной точки одного из возвышений или минимальной точки одной из впадин. При этом угол α может быть различным в различных осевых положениях участка, так что при рассматривании в осевом направлении диффузора получается изогнутый контур ротационной несимметричности. Предпочтительно, угол на расположенном на стороне впуска конце кольцевого диффузора является максимальным и уменьшается равномерно или неравномерно в направлении потока.

Предпочтительно, что кольцевой диффузор или по меньшей мере несимметричный участок выполнен в виде осевого диффузора или в виде диагонального диффузора.

Для обеспечения имеющего особенно низкие аэродинамические потери перехода между поверхностью наружной стенки проточного канала и/или поверхностью внутренней стенки проточного канала переход выполнен бесступенчатым.

В зависимости от выполнения системы и возникающего потока может быть необходимо выполнять также поверхность наружной стенки проточного канала и/или поверхность внутренней стенки проточного канала, в котором расположена решетка направляющих лопаток, также по меньшей мере на некоторых участках ротационно-несимметричной.

В целом изобретение целесообразно для устройств, которые в качестве системы содержат по меньшей мере один выход компрессора и один кольцевой диффузор. В частности, в таких устройствах возникают в среде, при рассматривании вдоль окружности проточного канала, неравномерности в приходящем потоке, которые можно учитывать посредством придания формы, согласно изобретению. За счет учета местных условий набегающего потока можно уменьшать нагрузку в зонах низкого полного давления. Одновременно можно лучше преобразовывать потенциал пограничного слоя относительно замедления без отрыва в зонах более высокого полного давления, так что в целом возникает меньше отрывов потока, когда не удается предотвращать их полностью. Таким образом, обычно возникают меньшие аэродинамические потери уже в решетке направляющих лопаток, а также в кольцевом диффузоре, так что возможно более высокое восстановление давления, чем при ротационно-симметричном кольцевом диффузоре. Следовательно, с помощью устройств согласно изобретению лучше преобразуется действительно имеющаяся кинетическая энергия в каждом положении по периферии наилучшим образом в статическое давление.

Ниже приводится более подробное пояснение других признаков и преимуществ изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - продольный разрез выхода осевого компрессора и примыкающего к нему кольцевого диффузора стационарной газовой турбины с осевым потоком;

Фиг. 2 - имеющий форму сектора вырез из кольцевого диффузора согласно фиг. 1 в изометрической проекции;

Фиг. 3 - часть развертки поверхности внутренней стенки диффузора и проточного канала компрессора, на виде сверху;

Фиг. 4 - разрез по линии IV-IV на фиг. 3 и

Фиг. 5 - поперечный разрез внутренней стенки кольцевого диффузора.

На фиг. 1 показан продольный разрез стационарной газовой турбины 10 с осевым потоком на участке выхода 12 компрессора 13 газовой турбины и примыкающего к выходу 12 кольцевого диффузора 14. От компрессора 13 показаны лишь расположенные в нижней по потоку, т.е. задней части компрессора 13, лопаточные решетки 16. Каждая лопаточная решетка 16 содержит по меньшей мере расположенные в виде лучей в имеющем круговое поперечное сечение проточном канале 18 перья 20 лопаток, при этом каждое лопаточное перо 20 является либо составляющей частью рабочей лопатки 22, либо составляющей частью направляющей лопатки 24.

Позицией 25 обозначена ось машины, вокруг которой концентрично проходит круговой в поперечном сечении проточный канал 18. Проточный канал 18 компрессора 13 ограничен снаружи поверхностью 26 стенки, которая является частью держателя 28 направляющих лопаток. Радиально внутреннее ограничение проточного канала 18 образовано по существу роторными дисками 30 и по потоку ниже их неподвижной крышкой 32 вала. На роторном диске 30 закреплены с помощью, например, имеющих форму головки молота крюков 33 рабочие лопатки 22. Их свободно стоящие вершины перьев лопаток лежат противоположно поверхности 26 стенки с образованием зазора. По потоку ниже рабочих лопаток 22 закреплены относящиеся к лопаточной решетке 16 направляющие лопатки 24, также с помощью крюкового сцепления 33 на держателе 28 направляющих лопаток. При этом закрепленные на роторном диске 30 рабочие лопатки 22 образуют вместе с расположенными ниже по потоку направляющими лопатками 24 последнюю компрессорную ступень 34 осевого компрессора 13. Направляющие лопатки 24 последней компрессорной ступени 34 выполнены также в виде свободно стоящих лопаток, так что их свободная вершина 25 пера лопатки лежит с образованием зазора 37 противоположно поверхности 36 стенки, причем поверхность 36 стенки является частью крышки 32 вала.

Дальше ниже по потоку решетки 16 направляющих лопаток последней компрессорной ступени 34 предусмотрена в качестве так называемого выходного направляющего аппарата 38 другая лопаточная решетка 16, которая радиально снаружи неподвижно закреплена на держателе 28 направляющих лопаток также с помощью крюкового сцепления 33. Перья 20 лопаток выходного направляющего аппарата 38 лежат также противоположно поверхности 36 стенки крышки 32 вала с образованием зазора 37.

При рассматривании в направлении потока сжимаемой с помощью перьев 20 лопаток среды 40 за выходным направляющим аппаратом 38 следует кольцевой диффузор 14. Кольцевой диффузор 14 имеет также кольцеобразный проточный канал 42, который радиально снаружи ограничен круговой в поперечном сечении наружной стенкой 44. Точнее говоря, по существу круговая в поперечном сечении поверхность 46 наружной стенки ограничивает радиально снаружи диффузорный канал 42. При этом наружная стенка проточного канала 18 и наружная стенка 44 диффузорного канала 42 образованы одной и той же структурой, а именно держателем 28 направляющих лопаток, что, однако, не является обязательно необходимым.

Кольцевой диффузор 14 содержит дополнительно коаксиальную наружной стенке 44 внутреннюю стенку 48, которая является частью крышки 32 вала. При этом поверхность 50 круговой в поперечном сечении внутренней стенки 48 ограничивает диффузорный канал 42 радиально изнутри. Стенки 44, 48, соответственно их поверхности 46, 50, расходятся в продольном направлении кольцевого диффузора 14 от расположенного на стороне входа потока конца 52 кольцевого диффузора 14 к расположенному на стороне выхода потока концу 54. Измеренное в радиальном направлении в зоне входа потока кольцевого диффузора 14 расстояние между наружной поверхностью 46 стенки и внутренней поверхностью 50 стенки называется высотой КН канала.

За счет применения свободно стоящих направляющих лопаток 24 в последней компрессорной ступени 34 и/или в выходном направляющем аппарате 38 при работе газовой турбины 10 и тем самым при работе компрессора 13 в сжимаемой среде 40 возникает распределение скорости, соответственно полного давления на выходе выходного направляющего аппарата 38, которое неравномерно вдоль периферии. Это обуславливается, в частности, влиянием вихревого потока в зазоре, который в свою очередь вызывается зазором 37 между вершинами 35 перьев направляющих лопаток и лежащей противоположно им поверхностью 36 стенки. Таким образом, приходящий на выход 12 компрессора, соответственно входящий с выхода компрессора во вход кольцевого диффузора, поток 40 является ротационно-несимметричным. Он имеет вдоль периферии, в частности в близких к стенке зонах, различно большие скорости потока и различные направления потока.

Согласно изобретению по потоку ниже той поверхности 36 стенки, у которой вершина 35 пера направляющей лопатки лежит с образованием зазора 37 противоположно поверхности 36 стенки, следует неротационно-симметричная поверхность 50 стенки. Поверхность 50 стенки является частью кольцевого диффузора 14 и проходит по меньшей мере по одному осевому участку. Ротационно-несимметричный контур поверхности 50 стенки в зоне кольцевого диффузора 14 не изображен на фиг. 1.

На фиг. 2 показан в изометрической проекции вырез из соответствующего изобретению расходящегося диффузорного канала 42 кольцевого диффузора 14. При этом расходящийся означает, что предназначенная для прохождения среды площадь поперечного сечения увеличивается в направлении вниз по потоку. Увеличение может происходить в осевых диффузорах, например, за счет уменьшения среднего диаметра внутренней стенки 48 и/или за счет увеличения среднего диаметра наружной стенки 44. В диагональных диффузорах увеличивается как диаметр наружной стенки, так и диаметр внутренней стенки, при этом степень увеличения диаметра наружной стенки больше, чем увеличения диаметра внутренней стенки.

При этом на фиг. 2 показаны лишь ограничивающие диффузорный канал 42 стенки 44, 48. Совпадающий с выходом 12 компрессора конец 52 на стороне входа потока кольцевого диффузора 14 показан на фиг. 2 дальше слева. На фиг. 2 дальше справа показан выход диффузора компрессора, т.е. расположенный на стороне выхода потока конец 54 кольцевого диффузора 14. От расположенного на стороне входа потока конца 52 кольцевого диффузора 14 проходит в осевом направлении Х участок А, в котором поверхность 50 стенки выполнена ротационно-несимметричной. Показанная ротационная несимметричность возникает за счет систем расположенных попеременно вдоль периферии U поверхности 50 стенки возвышений 56 и впадин 58. По потоку ниже участка А примыкает ротационно-симметричный участок В, который проходит до выхода диффузора.

Возвышения 56 и впадины 58 равномерно распределены вдоль U в количестве, соответствующем количеству направляющих лопаток 24 выходного направляющего аппарата 38. В показанном на фиг. 2 варианте выполнения осевая длина участка А составляет примерно 30% всей осевой длины кольцевого диффузора 14. Однако возможно также, что участок А проходит по всей длине кольцевого диффузора 14, т.е. по всем 100%.

Каждое возвышение 56 имеет также проходящую в направлении потока линию 60, которая маркирует максимальную высоту соответствующего возвышения. Эта линия представляет определяющий контур, который образует с осевым направлением Х угол α. Этот угол α может иметь в зависимости от неравномерности приходящего потока величину до 40°, при этом угол α может быть также различным в различных осевых положениях. В соответствии с этим в этом случае линия 60 не была бы прямой линией, а изогнутой, при рассматривании в осевом направлении. Это показано в качестве примера на фиг. 3 с помощью изображенных линий 60. На фиг. 3 показана на виде сверху развертка внутренней стенки 48 при одновременном разрезе направляющих лопаток 24. Изображенные на фиг. 3 дальше вверху перья 20 лопаток являются перьями направляющих лопаток 24 последней компрессорной ступени 34, по потоку ниже их показаны перья 20 направляющих лопаток 24 выходного направляющего аппарата 38.

Возвышения 56 и впадины 58 приводят к отклонению возникающего в диффузором канале 42 радиально внутри потока среды 40, за счет чего происходит постоянное локальное согласование областей потока с различными условиями потока с расположенными промежуточно областями потока в основном с одинаковыми условиями потока. Согласование приводит в целом к выравниванию свойств приходящего на вход 52 кольцевого диффузора потока, так что проходящий в кольцевом диффузоре 14 с преодолением давления поток может быть замедлен более равномерно и, следовательно, с меньшими потерями. За счет этого достигается эффективное преобразование кинетической энергии потока в статическое давление без возникновения связанного с очень большими потерями отрыва потока.

Из фиг. 2 следует, что возвышения 56 и впадины 58 имеют в направлении потока различную высоту, соответственно глубину. На стороне входа потока разница между высотой и глубиной является максимальной. С увеличением осевой длины высота и глубина соседних возвышений 56 и впадин 58 сближаются, пока они на расположенном ниже по потоку конце участка А не соединяются на общем радиусе. Начиная с этого положения, кольцевой диффузор затем проходит к расположенному на стороне выхода потока концу 54 ротационно-симметрично (смотри фиг. 2).

Как показано на фиг. 2, все возвышения 56 и впадины 58 заканчиваются в одном осевом положении. В противоположность этому возможно также, что различные возвышения 56 и впадины 58 заканчиваются в различных осевых положениях. Например, расположенные на стороне входа диффузора возвышения 56 и впадины 58 могут присутствовать в количестве, идентичном количеству направляющих лопаток 24, в то время как затем количество возвышений 56 и впадин 58 уменьшается к выходу 54 диффузора. Это имеет преимущество, например, когда поток диффузора необходимо согласовывать с расположенными ниже по потоку после кольцевого диффузора 14 структурами. Структуры могут быть, например, распорками или опорами, которые в меньшем количестве, чем направляющие лопатки 24, распределены вдоль периферии и соединяют, например, крышку 32 вала с корпусом. Однако структуры могут быть также горелками или трубчатыми камерами сгорания газовой турбины.

Из фиг. 3 также следует, что ротационно-несимметричный участок А кольцевого диффузора 14 может быть предусмотрен не только в диффузорном канале 42. Ротационно-несимметричный участок А может также проходить дальше выше по потоку в проточный канал 18 компрессора 13, если это необходимо. В этом случае там происходит отклонение потока, с одной стороны, с помощью перьев 20 лопаток, что относится, в частности, к удаленному от стенок центральному потоку среды. Ближний к стенкам поток, в частности тот ближний к стенкам поток, на стенке 48 которого расположены радиальные зазоры 37 перьев 20 лопаток, может испытывать влияние уже возвышений 56 и впадин 58 и возможно отклоняться.

На фиг. 4 показан разрез части поперечного сечения проточного канала 18 с расположенными в нем перьями 20 лопаток. Перья 20 лопаток закреплены радиально снаружи, что не изображено на фиг. 4. Вместо этого на фиг. 4 показаны свободно стоящие вершины 35 перьев лопаток, которые лежат противоположно внутренней стенке 48 с образованием зазора. Радиальные зазоры обозначены позицией 37. Как показано на фиг. 4, поверхность 50 внутренней стенки 48 также выполнена ротационно-несимметричной, при этом предусмотрены возвышения 56 и впадины 58 в том же количестве, что и направляющие лопатки 24. При этом при рассматривании в поперечном сечении контур 62 возвышений 56 и впадин 58 имеет форму периодически повторяющихся зубьев пилы с изогнутыми рампами.

Альтернативная форма контура 62 поперечного сечения возвышений 56 и впадин 58, которые могут применяться, например, далее ниже по потоку в диффузорном канале 42, показана на фиг. 5. Здесь контур в принципе приближен к синусной форме, при этом одна из обеих боковых поверхностей 66, которая соединяет одно из возвышений 56 с соседней впадиной 58, выполнена более крутой, чем другая из обеих боковых поверхностей 68. Однако эта форма контура 62 не имеет ограничительного характера, а приведена лишь в качестве примера. Возможны другие контуры, также снабженные острыми вершинами контуры.

Кроме того, на фиг. 5 показан средний радиус r_m относительно оси 25 машины, относительно которого определяется максимальная высота Н возвышения 56 и максимальная глубина Т впадины 58. При этом средний радиус r_m по определению является арифметическим средним из того радиуса, на котором расположена максимальная высота Н, и того радиуса, на котором расположена максимальная глубина Т. При этом максимальная высота Н, соответственно максимальная глубина Т, составляет максимально 25% высоты КН канала на стороне входа потока.

В целом изобретение относится к кольцевому диффузору 14 для осевой турбинной машины, например газовой турбины 10, содержащему наружную стенку 44 и коаксиальную ей внутреннюю стенку 48, между которыми проходит диффузорный канал 42 кольцеобразно вдоль осевой длины от расположенного на стороне входа потока конца 52 с расширением к расположенному на стороне выхода потока концу 54, при этом внутренняя стенка 48 и наружная стенка 44 содержат ограничивающую диффузорный канал 42 поверхность 46, 50 стенки. Для создания согласованного с неравномерным вдоль периферии набегающим потоком диффузорного канала 42, с помощью которого возможно особенно эффективное преобразование кинетической энергии в статическое давление, в соответствии с изобретением предлагается ограничивающая диффузорный канал 42 на стороне входа поверхность 44, 46 стенки, которая является ротационно-несимметричной.

Система осевой турбинной машины содержит проточный канал, ограниченный наружной и внутренней стенками, и решетку направляющих лопаток. Ниже по потоку решетки направляющих лопаток расположен кольцевой диффузор, имеющий наружную и внутреннюю стенки. Наружная стенка кольцевого диффузора расположена ниже по потоку наружной стенки проточного канала и/или внутренняя стенка кольцевого диффузора расположена по потоку ниже внутренней стенки проточного канала. Кольцевой диффузор содержит участок, на котором поверхность внутренней и/или наружной стенки является ротационно-несимметричной. Ротационно- несимметричная поверхность расположена ниже по потоку зазоров, образованных свободно стоящими концами изогнутых перьев лопаток указанной выше решетки и внутренней или наружной стенкой проточного канала. Участок кольцевого диффузора с ротационно-несимметричной поверхностью расположен со стороны входа потока в кольцевой диффузор и переходит в расположенный ниже по потоку ротационно-симметричный участок. Другое изобретение группы относится к осевой турбинной машине, включающей указанную выше систему. Изобретение позволяет снизить аэродинамические потери в диффузоре турбинной машины. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система для осевой турбинной машины, содержащая кольцеобразный проточный канал (18), который ограничен поверхностями (26, 36) наружной стенки (28) и внутренней стенки (32), между которыми предусмотрена по меньшей мере одна предназначенная для прохождения потока среды (40) решетка (16) направляющих лопаток, при этом
решетка (16) направляющих лопаток содержит множество аэродинамически изогнутых перьев (20) лопаток, свободно стоящие концы (35) которых лежат радиально внутри противоположно внутренней стенке (32) проточного канала (18) или радиально снаружи противоположно наружной стенке (28) проточного канала с образованием зазора, причем
по потоку ниже решетки (16) направляющих лопаток расположен кольцевой диффузор (14), имеющий наружную стенку (44) и коаксиальную ей внутреннюю стенку (48), между которыми проходит диффузорный канал (42) кольцеобразно вдоль осевой длины (X) от расположенного на стороне входа потока конца (52) с расширением к расположенному на стороне выхода потока концу (54), при этом
внутренняя стенка (48) и наружная стенка (44) соответственно содержат ограничивающую диффузорный канал (42) поверхность (46, 50) стенки, отличающаяся тем, что
наружная стенка (44) кольцевого диффузора (14) расположена по потоку ниже наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или внутренняя стенка (48) кольцевого диффузора (14) расположена по потоку ниже внутренней стенки (32) проточного канала (18), при этом
по меньшей мере на одном участке (А) кольцевого диффузора (14) поверхность (50) внутренней стенки (48) и/или поверхность (46) наружной стенки (44) является ротационно-несимметричной, причем
та поверхность (50) внутренней стенки (48) кольцевого диффузора (14) выполнена ротационно-несимметричной, на которой зазоры (37) расположены дальше выше по потоку, и причем
участок (А) расположен у расположенного на стороне входа потока конца (52) кольцевого диффузора (14) и переходит в ротационно-симметричный участок (В), который расположен относительно направления прохождения потока кольцевого диффузора (14) по потоку ниже ротационно-несимметричного участка (А).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что ротационно-несимметричная поверхность (46, 50) стенки имеет вдоль периферии возвышения (56) и впадины (58).

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что между поверхностью (50) внутренней стенки (48) и поверхностью (46) наружной стенки (44) имеется высота (КН) канала на стороне входа потока, относительно которой определяется максимальная высота (Н) каждого возвышения (56) и максимальная глубина (Т) каждой впадины (58), при этом максимальная высота (Н), соответственно максимальная глубина (Т), составляет максимально 25% высоты (КН) канала.

4. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в одном осевом положении участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что в одном осевом положении участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

6. Система по любому из пп.1, 2 или 5, отличающаяся тем, что в различных осевых положениях участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

7. Система по п.3, отличающаяся тем, что в различных осевых положениях участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

8. Система по п.4, отличающаяся тем, что в различных осевых положениях участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

9. Система по любому из пп.1, 2, 5, 7 или 8, отличающаяся тем, что участок (А), поверхность стенки которого является ротационно-несимметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

10. Система по п.3, отличающаяся тем, что участок (А), поверхность стенки которого является ротационно-несимметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

11. Система по п.4, отличающаяся тем, что участок (А), поверхность стенки которого является ротационно-несимметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

12. Система по п.6, отличающаяся тем, что участок (А), поверхность стенки которого является ротационно-несимметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

13. Система по любому из пп.2 или 5, 7, 8, 10, 11 или 12, отличающаяся тем, что ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур (60), который образует с направлением прохождения оси угол (α), величина которого составляет между 0° и 40°.

14. Система по п.3, отличающаяся тем, что ротационно-несимметричная поверхность (46, 50) стенки имеет вдоль периферии возвышения (56) и впадины (58), при этом ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур (60), который образует с направлением прохождения оси угол (α), величина которого составляет между 0° и 40°.

15. Система по п.4, отличающаяся тем, что ротационно-несимметричная поверхность (46, 50) стенки имеет вдоль периферии возвышения (56) и впадины (58), при этом ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур (60), который образует с направлением прохождения оси угол (α), величина которого составляет между 0° и 40°.

16. Система по п.6, отличающаяся тем, что ротационно-несимметричная поверхность (46, 50) стенки имеет вдоль периферии возвышения (56) и впадины (58), при этом ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур (60), который образует с направлением прохождения оси угол (α), величина которого составляет между 0° и 40°.

17. Система по п.9, отличающаяся тем, что ротационно-несимметричная поверхность (46, 50) стенки имеет вдоль периферии возвышения (56) и впадины (58), при этом ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур (60), который образует с направлением прохождения оси угол (α), величина которого составляет между 0° и 40°.

18. Система по любому из пп.14-17, отличающаяся тем, что угол (α) имеет различную величину в различных осевых положениях участка (А).

19. Система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере участок (А) выполнен в виде осевого диффузора или диагонального диффузора.

20. Система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что решетка (16) направляющих лопаток выполнена в качестве решетки направляющих лопаток лопаточной ступени (34) или в качестве выходного направляющего аппарата (38).

21. Система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что поверхность (46) наружной стенки (44) кольцевого диффузора (14) переходит в поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (50) внутренней стенки (32) кольцевого диффузора (14) переходит в поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18).

22. Система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18) имеет участок, в котором одна из поверхностей (26, 36) стенки или обе поверхности (26, 36) стенки являются ротационно-несимметричными.

23. Осевая турбинная машина, содержащая систему по любому из пп.1-22.

24. Осевая турбинная машина по п.23, выполненная в виде компрессора (13) стационарной газовой турбины (10).