КОЖУХ КОМПРЕССОРА С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ПОЛОСТЯМИ Российский патент 2014 года по МПК F04D27/02 F04D29/54 F04D29/68 

Настоящее изобретение относится к области силовых установок и, в частности, к области аксиальных или аксиально-центробежных компрессоров для силовой установки (турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, называемые далее в описании турбомашинами), в частности к компрессорам высокого давления, подвергающимся существенным нагрузкам.

Авиационные турбомашины образованы в основном одним или несколькими компрессорами, в которых всасываемый на входе воздух сжимается, камерой сгорания, в которой сгорает впрыскиваемое топливо, турбиной, в которой сгоревшие газы расширяются для привода одного или нескольких компрессоров, и, наконец, выхлопной трубой. Авиационные компрессоры образованы лопастями, или лопатками, которые приводятся во вращение внутри кожуха, который обеспечивает герметичность потока воздуха от внешней части двигателя. Известно, что зазор между концами подвижных лопаток компрессора и кожухом, образующим внутреннюю стенку струи потока воздуха, ухудшает кпд двигателя турбомашины. Кроме того, этот зазор может значительно изменить и ухудшить работу компрессора до возникновения явления "помпажа", который является следствием отрыва потока воздуха от поверхности лопаток. Контроль циркуляции воздуха на концевой части лопаток представляет собой главную цель для одновременного получения хорошего аэродинамического кпд компрессора и достаточного запаса против явления помпажа.

Подход для ограничения влияния этого паразитного потока между концом лопатки и кожухом заключается в образовании полостей, расположенных в стенке кожуха на уровне пути прохода лопаток. Эти полости размещены напротив лопатки или аксиально смещены в направлении входа в двигатель для того, чтобы повторно подать воздух, циркулирующий в зазоре между лопаткой и кожухом, прямо в поток или на вход рассматриваемой лопатки. Для этих полостей было предложено множество форм таких, какие описаны в американском патенте US 5,137,419, который раскрывает оптимальную величину соотношения между цельной частью кожуха между двумя последовательно расположенными полостями и шириной полости. Другие подходы представлены в изобретении US 6,935,833, но они имеют сложную форму и создают неудобство из-за введения специфических деталей, трудны при изготовлении и, таким образом, неприемлемы для промышленного применения идеи. Тем не менее могут быть привнесены другие усовершенствования расположения и возможных форм этих полостей.

Документ US 5762470 описывает кожух с кольцевой полостью, сообщающейся с потоком через последовательность вырезов, и уточняет оптимальную геометрию для полости и для вырезов; но она не уточняет, каково положение полостей относительно лопатки. Он описывает, кроме того, кольцевую полость 3, находящуюся в углублении от потока и перекрываемую рифленой решеткой 3В, целью которой является рассеивание потерь в окружном направлении. Такая конфигурация создает риск паразитной повторной подачи на уровне лопатки, через желобок 5, соседний с рассматриваемым желобком, что ухудшает эксплуатационные качества.

Наконец, документы DE 210330084 и WO 03/072949 описывают кольцевую полость, содержащую последовательность неподвижных лопаток, расположенных в направлении потока.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков с помощью предложенного кожуха компрессора, снабженного полостями, с улучшенными аэродинамическими качествами.

Для достижения этой цели объектом изобретения является компрессор для турбомашины, содержащий кожух, по меньшей мере, одну ступень компрессора, образованную неподвижным лопаточным колесом и подвижным лопаточным колесом, размещенным на выходе упомянутого неподвижного колеса, и полости, выполненные в упомянутом кожухе по пути прохода подвижных лопаток, при этом упомянутые полости имеют длину L2, измеренную по оси и смещенную в сторону входа относительно подвижных лопаток таким образом, чтобы образовать перекрытие длиной L1, отличающийся тем, что длины L1 и L2 составляют соответственно от 35 до 50% и от 80 до 90% осевой хорды С_ах, измеренной на внешнем конце подвижных лопаток, а также тем, что полости не сообщаются между собой.

Такая конфигурация обеспечивает одновременно хорошее всасывание воздуха в полость и повторную подачу насколько возможно близко на вход зазора подвижных лопаток. Кроме того, тот факт, что полости не сообщаются между собой, устраняет любую окружную рециркуляцию и, таким образом, риск паразитной повторной подачи на уровне лопатки, которая могла бы поступать из соседней полости, что ухудшило бы эксплуатационные качества компрессора. Повторная подача осуществляется исключительно насколько возможно ближе ко входу лопаточного зазора.

Предпочтительно входной конец полостей образует в плоскости симметрии воздуха угол φ для повторной подачи воздуха, равный 90±5°, с частью кожуха, размещенной на входе упомянутой полости. Это позволяет исключить внутренние рециркуляции в полости, которые могли бы отрицательно сказаться на кпд компрессора.

В соответствии с предпочтительными характеристиками:

- количество полостей по окружности кожуха, отнесенное к количеству подвижных лопаток соответствующего колеса, составляет от 2 до 4.

- полости выполнены в кожухе с наклоном относительно плоскости, касательной к потоку, составляющим от 45° до 60° в направлении вращения лопаток;

- полости распределены равномерно по окружности кожуха;

- полости распределены по окружности кожуха неравномерно, в особенности на краях двух полуоболочек, которые образуют кожух;

- кожух содержит локальное углубление потока напротив подвижного лопаточного колеса;

- входной конец упомянутого углубления потока расположен на уровне входного конца полости;

- выходной конец упомянутого углубления потока расположен на уровне или находится слегка на выходе задней кромки подвижных лопаток;

- полости выполнены непосредственно в кожухе или в дополнительной детали, присоединенной к упомянутому кожуху.

Изобретение касается также турбомашины, содержащей компрессор, имеющий, по меньшей мере, одну из упомянутых выше характеристик.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 схематично изображает вид в продольном разрезе ступени компрессора, кожух которого содержит полость согласно варианту осуществления изобретения;

- фиг.2 изображает вид полостей кожуха компрессора по оси двигателя;

- фиг.3 изображает вид в поперечном разрезе полости кожуха компрессора согласно варианту осуществления изобретения;

- фиг.4 изображает вид в разрезе по плоскости симметрии полости кожуха компрессора согласно варианту осуществления изобретения;

- фиг.5 схематично изображает вид в продольном разрезе ступени компрессора, кожух которого имеет местное углубление потока и в котором выполнена полость в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.1 изображена ступень компрессора, содержащая статорную лопатку, или неподвижную лопатку 2, на входе роторной лопатки, или подвижной лопатки 1, соединенной с диском 3 или выполненной за одно с этим диском по технологии изготовления лопаточного моноблочного диска. Неподвижные лопатки закреплены в кожухе 4 компрессора, который окружает подвижные лопатки 1, оставляя заданный зазор между ними. Подвижные лопатки на уровне кожуха 4 имеют длину хорды C_ax, измеренную по оси между самой внешней точкой передней кромки и самой внешней точкой задней кромки.

В кожухе 4 выполнено множество полостей 5, равномерно расположенных по окружности напротив прохода подвижных лопаток 1. Эти полости, в общих чертах, в разрезе имеют форму прямоугольника со скругленными углами, вытянутого по длине L2. Эта полость 5 смещена к входу двигателя относительно передней кромки подвижной лопатки 1. Длина перекрытия лопатки 1 полостью 5 имеет величину L1, меньшую L2. Такая конфигурация позволяет осуществить рециркуляцию воздуха, который проходит в зазор между лопаткой и кожухом; в этом зазоре могут иметь место значительные завихрения, что может нарушить поток между различными ступенями и привести, таким образом, к ухудшению параметров компрессора или, в крайнем случае, вызвать явление, называемое "помпажем" или "спадом", вызванным мгновенным падением уровня компрессии и инверсии расхода воздуха, проходящего через компрессор, который выходит, таким образом, через вход компрессора. При наличии таких полостей паразитный воздух засасывается и вновь поступает в поток на вход лопатки. Длина L2-L1, на которую полость выходит за переднюю кромку, ограничена пространством, существующим между колесом подвижных лопаток 1 и колесом неподвижных лопаток 2.

На фиг.2 изображена последовательность полостей 5, размещенных в линию вдоль окружности кожуха 4. Ось этих полостей слегка наклонена относительно продольного направления двигателя. Количество полостей значительно превышает количество лопаток 1, образующих подвижное колесо ступени компрессора. Это количество на практике превышает в 2-4 раза количество подвижных лопаток 1. Распределение полостей, как изображено на фиг.2, является равномерным распределением; в не представленном варианте оно может быть неравномерным для сдерживания аэродинамического возбуждения колебаний лопаток, которое могло бы быть вызванным этими полостями, в частности, на концах двух полуоболочек, которые образуют кожух.

На фиг.3 и 4 изображена предпочтительная форма полостей 5, выполненных в кожухе 4.

Как изображено на фиг.4, полость 5 в поперечном разрезе имеет две параллельные стороны, образующие на внешнем конце полуокружность. Она уходит вглубь кожуха 4 наклонно в направлении вращения лопаток по отношению к перпендикуляру к плоскости, касательной к потоку. Выбирается максимальный наклон, но он ограничен по причинам, связанным с изготовлением кожуха; на практике угол наклона α относительно плоскости, касательной к потоку, составляет от 45° до 60°. Глубина полости 5 определяется желаемыми аэродинамическими характеристиками с учетом также производственных ограничений.

Как изображено на фиг.3, в разрезе по плоскости симметрии полость 5 имеет в общем форму прямоугольника, малая сторона которого на входе разрезает кожух по углу φ, измеренному относительно кривой кожуха, получаемой его разрезом плоскостью симметрии полости и которая расположена на входе полости; этот угол φ близок к 90°. Выходная часть полости имеет, по существу, округлую форму.

На фиг.5 изображен случай, когда кожух 4 имеет локальное углубление потока 6 на уровне подвижных лопаток 1, часто называемый "впадиной". Как изображено, это углубление уменьшается при перемещении к выходу двигателя. Этот тип кожуха также может содержать полости 5 описанного выше типа. Локальное углубление потока 6 начинается в этом случае на уровне или на выходе входного края полости 5 и оканчивается на уровне или слегка заходит за выход задней кромки подвижных лопаток 1.

Изобретение касается оптимизации геометрических характеристик полостей 5 и их размещения относительно подвижных лопаток 1. Оно позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики компрессора (кпд и предел помпажа) благодаря управлению потоком в зазоре между лопатками и кожухом и его повторной подаче на вход подвижного лопаточного колеса 1. Это улучшение является особенно существенным в случае компрессора, подвергающегося значительным нагрузкам, имеющего трехразмерные лопатки (лопатки с передней стреловидностью) и уменьшенные расстояния между ступенями для уменьшения общей длины компрессора.

Выходная форма полости 5, где среда всасывается, оптимизирована для лучшего направления среды к входу, и ее входная форма оптимизирована для обеспечения повторной подачи в поток наиболее близко к радиальному направлению. Ее длина оптимизирована для обеспечения повторной подачи среды наиболее близко к лопатке.

Этими оптимальными характеристиками являются:

- длина L1 составляет от 35 до 50% длины хорды С_ах. Это перекрывание позволяет уменьшить отрицательное влияние на кпд, которое значительно уменьшается с увеличением перекрывания при сохранении надлежащего всасывания среды;

- длина L2 составляет от 80 до 90% длины хорда С_ах. Эта длина, которая остается ограниченной габаритными осевыми размерами, позволяет обеспечить всасывание при оптимальном положении системы лопаток и повторную подачу, достаточно удаленную к входу от передней кромки, что уменьшает локальные завихрения;

- угол φ повторной подачи равен 90±5°. Анализ показал, что при угле, превышающем это значение, полость 5 приводит к образованию зоны аэродинамической пробки, что приводит к потерям кпд, а с углом, по существу, меньшим этой величины, в полости 5 возникает вторичный турбулентный поток противоположного вращения, что искажает рециркуляцию внутри полости;

- выходной конец в виде дуги круга, радиус которого, по существу, равен радиусу глубины полости.

Эффективность настоящего изобретения проистекает, таким образом, из комбинации ограниченного аксиального перекрытия лопатки и повторной подачи на вход лопатки под оптимальным углом. Эта комбинация улучшает кпд компрессора в стабильных условиях работы, а также при сильной аэродинамической нагрузке, промежуточной между границей номинального рабочего режима и пределом стабильности (или границей помпажа) компрессора. Это происходит вследствие того, что локальные потери кпд, вызванные сдвигом L1, компенсируются улучшением, привносимым рециркуляцией воздуха.

Описанное выше объединение полостей 5 и локального углубления потока 6 еще более улучшает параметры кпд компрессора.

Возможны другие варианты, например полости, объединенные с истираемым покрытием для того, чтобы выдержать контакты лопатка/кожух с ограниченной интенсивностью. Полости могут быть непосредственно выполнены в кожухе или выполнены посредством технологии покрытия с помощью специальной дополнительной детали, прикрепленной к кожуху.

Наконец, эта технология применима для любого типа компрессора, будь он аксиальным или центробежным и предназначенным для турбореактивного или турбовинтового двигателя.

Несмотря на то, что изобретение было описано в отношении частного варианта осуществления, очевидно, что оно им не ограничивается и содержит все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они входят в рамки изобретения.

Компрессор для турбомашины содержит кожух (4), по меньшей мере, одну ступень компрессора и полости (5), выполненные в упомянутом кожухе по пути хода подвижных лопаток (1). Ступень компрессора образована неподвижным лопаточным колесом (2) и подвижным лопаточным колесом (1), размещенным на выходе упомянутого неподвижного колеса (2). Полости (5) имеют длину L2, измеренную по оси и смещенную в сторону входа относительно подвижных лопаток (1) таким образом, чтобы образовать перекрытие с длиной L1. Длины L1 и L2 составляют соответственно от 35 до 50% и от 80 до 90% осевой хорды С_ах, измеренной на внешнем конце подвижных лопаток (1). Полости (5) не сообщаются между собой. Такая конфигурация обеспечивает одновременно хорошее всасывание воздуха в полость и повторную подачу насколько возможно близко на вход зазора подвижных лопаток. Кроме того, тот факт, что полости не сообщаются между собой, устраняет любую окружную рециркуляцию и, таким образом, риск паразитной повторной подачи на уровне лопатки, которая могла бы поступать из соседней полости, что ухудшило бы эксплуатационные качества компрессора. Повторная подача осуществляется исключительно насколько возможно ближе ко входу лопаточного зазора. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Компрессор для турбомашины, содержащий кожух (4), по меньше мере, одну ступень компрессора, образованную неподвижным лопаточным колесом (2) и подвижным лопаточным колесом (1), размещенным на выходе упомянутого неподвижного колеса (2), и полости (5), выполненные в упомянутом кожухе по пути прохода подвижных лопаток (1), при этом упомянутые полости имеют длину L2, измеренную по оси и смещенную в сторону входа относительно подвижных лопаток (1) таким образом, чтобы образовать перекрытие длиной L1, отличающийся тем, что длины L1 и L2 составляют соответственно от 35 до 50% и от 80 до 90% осевой хорды С_ах, измеренной на внешнем конце подвижных лопаток (1), а также тем, что полости (5) не сообщаются между собой.

2. Компрессор по п.1, в котором входной конец полостей (5) образует в плоскости симметрии полости (5) угол φ для повторной подачи воздуха, равный 90±5° с частью кожуха (4), расположенной на входе упомянутой полости.

3. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором выходной край полостей (5) имеет профиль дуги круга, радиус которого, по существу равен глубине упомянутой полости.

4. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором количество полостей (5) по окружности кожуха (4), отнесенное к количеству подвижных лопаток (1) соответствующего колеса, составляет от 2 до 4.

5. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором полости (5) выполнены в кожухе (4) с наклоном относительно плоскости, касательной к потоку, составляющим от 45° до 60° в направлении вращения лопаток.

6. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором полости (5) распределены равномерно по окружности кожуха (4).

7. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором полости (5) распределены неравномерно по окружности кожуха (4).

8. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором кожух (4) содержит локальное углубление потока (6) напротив подвижного лопаточного колеса (1).

9. Компрессор по п.8, в котором упомянутый входной конец углубления потока (6) расположен на уровне входного конца полости (5).

10. Компрессор по п.8, в котором выходной конец углубления потока (6) расположен на уровне или находится слегка на выходе по отношению к задней кромке подвижных лопаток (1).

11. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором полости (5) выполнены непосредственно в кожухе (4).

12. Компрессор по одному из пп.1 или 2, в котором полости (5) выполнены в дополнительной детали, присоединенной к упомянутому кожуху (4).

13. Турбомашина, содержащая компрессор по одному из пп.1 или 2.