УЗЕЛ ДИФФУЗОР-НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2014 года по МПК F04D29/44 F01D5/14 

Изобретение касается узла диффузор-направляющий аппарат, предназначенного для питания воздухом кольцевой камеры сгорания в турбомашине, такой как авиационный турбореактивный, или турбовинтовой двигатель, или вертолетный двигатель.

В классическом исполнении турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания, питаемую воздухом компрессором высокого давления, расположенным выше по потоку. Выход компрессора связан посредством осевого или радиального диффузора, соединенного с направляющим аппаратом, содержащим, по существу, радиальные лопатки на входе камеры сгорания, размещенной в кольцевом пространстве, ограниченном наружным корпусом. Топливо подается через инжекторы, равномерно распределенные в кольцевом днище камеры и закрепленные на наружном корпусе.

Рабочие характеристики камеры сгорания весьма зависят от рабочих характеристик инжекторной системы, обеспечивающей распыление топлива, то есть его диспергирование в форме мельчайших капелек, и позволяющей стабилизировать горение топлива благодаря образованию зоны рециркуляции. Распылению топлива способствует значительная потеря напора воздуха в инжекторной системе, и контролю зоны рециркуляции способствует равномерное питание воздухом инжекторной системы.

Эти критерии трудно соблюдать, когда выход компрессора содержит узел диффузор-направляющий аппарат осевого типа или центробежного типа, то есть с радиальным диффузором и кольцевым направляющим аппаратом.

На выходе направляющего аппарата наблюдают, что число Маха, по существу, является меньшим в продолжении ниже по потоку лопаток, чем между лопатками. Поток воздуха на выходе направляющего аппарата имеет, таким образом, окружную неоднородность числа Маха, что приводит к действительному числу Маха, значительно отличающемуся от числа Маха, соответствующего гомогенному потоку. Отсюда вытекают повышенные потери напора для питания инжекторной системы и нарушения питания этой системы, которые создают риск влияния на стабильность горения.

Для минимизации воздействия окружной неоднородности скорости воздуха на выходе направляющего аппарата известно обеспечение контроля расстояния между задней кромкой лопаток направляющего аппарата и расположенной выше по потоку частью инжекторной системы в зависимости от ориентации потока воздуха.

В заявке FR 0801063 заявителя предложено образовывать расширяющееся сечение ниже по потоку от лопаток направляющего аппарата для уменьшения среднего числа Маха и уменьшения окружных неоднородностей числа Маха в потоке воздуха на входе в камеру сгорания.

Однако эти известные средства не позволяют обеспечить достаточно удовлетворительное решение проблемы уменьшения числа Маха в спутной струе лопаток направляющего аппарата.

Изобретение, в частности, имеет целью обеспечить простое и экономичное решение этой проблемы.

Для этого в нем предлагается узел диффузор-направляющий аппарат, предназначенный для установки на выходе компрессора в турбомашине, содержащий направляющий аппарат, включающий в себя две, по существу, цилиндрические радиально внутреннюю и наружную стенки, соединенные радиальными лопатками, отличающийся тем, что стенки направляющего аппарата продолжены к расположенной ниже по потоку части за радиальными лопатками и их радиальный зазор изменяется по окружности ниже по потоку от лопаток таким образом, чтобы быть, по существу, минимальными в продолжении лопаток и максимальными между лопатками.

Выполнение минимального радиального зазора между внутренней и наружной стенками направляющего аппарата в продолжении ниже по потоку от лопаток позволяет локально ускорить поток воздуха в спутной струе лопаток по сравнению с потоком воздуха, проходящем между лопатками. Разность в скорости воздуха в продолжении ниже по потоку от лопаток и между лопатками уменьшается, что позволяет уменьшить окружные неоднородности скорости воздуха на выходе направляющего аппарата. Поток воздуха, питающий инжекторную систему, является, таким образом, однородным, что позволяет лучше контролировать образование зоны рециркуляции для обеспечения стабилизации горения и уменьшать потери напора питания инжекторной системы.

Такое улучшение однородности питания инжекторной системы позволяет уменьшить расстояние между лопатками направляющего аппарата и инжекторной системой, что приводит к уменьшению массы турбомашины.

В соответствии с другой характеристикой изобретения радиальный зазор ниже по потоку лопаток выполнен изменяющимся по окружности до расположенного ниже по потоку конца расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата, что позволяет еще более уменьшить окружные неоднородности скорости потока воздуха на выходе направляющего аппарата.

Стенки направляющего аппарата могут быть расходящимися ниже по потоку от лопаток, что позволяет уменьшить среднее число Маха и, таким образом, уменьшить также неоднородности в потоке воздуха, питающем инжекторную систему.

В соответствии с другой характеристикой изобретения, по меньшей мере, одна из стенок направляющего аппарата выполнена волнообразной или зубчатой ниже по потоку от лопаток.

В варианте изобретения две стенки направляющего аппарата могут быть волнообразными или зубчатыми ниже по потоку от лопаток.

Волны расположенной ниже по потоку части стенки или стенок направляющего аппарата могут быть симметричными или асимметричными относительно радиальных плоскостей, продолжающих лопатки.

В случае когда стенки являются асимметричными, волны могут проходить спирально вокруг оси компрессора по углу спирали, соответствующему существующему углу остаточного вращения потока воздуха на выходе лопаток направляющего аппарата. Когда поток воздуха на выходе лопаток отрывается от стенок лопаток направляющего аппарата, угол спирали может соответствовать углу отрыва потока воздуха, при этом радиальный зазор между расположенными ниже по потоку стенками направляющего аппарата является минимальным в этом направлении.

Волны расположенных ниже по потоку частей стенок направляющего аппарата могут быть, например, синусоидальными, зубчатыми, дугообразными или V-образными.

Волны расположенных ниже по потоку частей стенок направляющего аппарата могут быть идентичными или одного типа для обеих стенок, или разного типа от одной стенки к другой.

Направляющий аппарат может быть выполнен моноблочным либо изготовлен путем сварки или машинной пайки.

Изобретение касается также турбомашины, такой как турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель или вертолетный двигатель, отличающейся тем, что она содержит узел диффузор-направляющий аппарат описанного выше типа.

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

- фиг.1 схематично изображает половину вида в осевом разрезе центробежного узла диффузор-направляющий аппарат и камеры сгорания в турбомашине из известного уровня техники;

- фиг.2 схематично изображает вид в перспективе узел диффузор-направляющий аппарат в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

- фиг. 3-13 схематично изображает виды в перспективе конечной части различных вариантов осуществления изобретения.

Обратимся вначале к фиг.1, которая изображает часть турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель или вертолетный двигатель, содержащей от расположенной выше по потоку части к расположенной ниже по потоку части в направлении течения газов внутри турбомашины выход центробежной ступени компрессора 10, узел 12 диффузор-направляющий аппарат, изогнутый L-образно, и кольцевую камеру 14 сгорания.

Узел 12 диффузор-направляющий аппарат содержит, по существу, расположенную выше по потоку радиальную кольцевую часть 16, которая образует диффузор, связанный по своей наружной периферии с расположенной ниже по потоку кольцевой частью цилиндрической формы или в форме усеченного конуса, которая образует направляющий аппарат 18.

Диффузор 16 содержит расположенную выше по потоку кольцевую стенку 20 и расположенную ниже по потоку кольцевую стенку 22, которые параллельны и проходят радиально вокруг оси 24 вращения турбомашины.

Направляющий аппарат содержит две, по существу, параллельные внутреннюю 26 и наружную 28 стенки в форме усеченного конуса, сходящиеся ниже по потоку и связанные между собой множеством, по существу, радиальных лопаток 30, равномерно распределенных вокруг оси 24 турбомашины.

Вход диффузора 16 радиально выровнен с выходом последней ступени 10 компрессора высокого давления, а выход направляющего аппарата 18 питает воздухом кольцевое пространство 32, ограниченное снаружи наружным корпусом 34 и содержащее камеру сгорания 14. Эта камера 14 имеет общую кольцевую форму и содержит две коаксиальные круговые стенки 36, 38, проходящие одна в другой.

Наружная круговая стенка 38 камеры содержит на своем расположенном ниже по потоку конце радиально наружный кольцевой фланец 40 для крепления к кольцевому фланцу 42 наружного корпуса 34. Внутренняя круговая стенка 36 камеры 14 содержит на своем расположенном ниже по потоку конце радиально внутренний кольцевой фланец 44 для крепления к кольцевому фланцу 46, предусмотренному на расположенном ниже по потоку конце расположенной ниже по потоку кольцевой опорной перегородки 48 узла 12 диффузор-направляющий аппарат. Расположенный выше по потоку конец перегородки 48 соединен с расположенной ниже по потоку кольцевой стенкой 22 диффузора 16.

Кольцевое днище камеры 14 содержит отверстия для установки средств 50 для впрыска смеси воздуха и топлива внутрь камеры 14, при этом воздух от узла 12 диффузор-направляющий аппарат и топливо подводятся инжекторами 52, закрепленными в наружном корпусе и равномерно распределенными вокруг оси 24 турбомашины.

Каждый инжектор 52 содержит трубопровод 54, который проходит внутрь от наружного корпуса 34 и который соединен с инжекторной головкой 56, проходящей ниже по потоку в инжекторную систему 50.

Течение воздуха, выходящего из направляющего аппарата, имеет окружные неоднородности скорости, вызванные уменьшением числа Маха в спутной струе лопаток 30. Эти неоднородности вызывают потери напора, локализованные в находящейся ниже по потоку спутной струе лопаток и не позволяют обеспечить однородное питание инжекторной системы и нарушают стабильность горения.

Изобретение позволяет придать однородность потоку воздуха ниже по потоку от лопаток 30 направляющего аппарата 18 благодаря расположенным ниже по потоку внутренней и наружной стенкам направляющего аппарата 18 ниже по потоку от лопаток 30, радиальный зазор изменяется по окружности так, чтобы быть, по существу, минимальным в продолжении ниже по потоку от лопаток 30 и максимальным между лопатками 30. Этот радиальный зазор изменяется по окружности от задних кромок лопаток до расположенного ниже по потоку конца расположенных ниже по потоку внутренней и наружной стенок направляющего аппарата.

Как изображено на фиг.2, внутренняя 26 и наружная 28 стенки продолжаются ниже по потоку от лопаток 30 расположенными ниже по потоку внутренней 58 и наружной 60 стенками соответственно. Расположенная ниже по потоку наружная стенка 60 выполнена волнообразной с волнами в виде дуг, впадины которых обращены к оси турбомашины. Расположенная ниже по потоку внутренняя стенка 58 направляющего аппарата 18 наклонена внутрь и расходится относительно расположенной ниже по потоку наружной стенки 60 направляющего аппарата 18.

Количество дуг расположенной ниже по потоку наружной стенки 60 равно числу радиальных лопаток 30 направляющего аппарата 18. Дуги образованы так, что средняя часть каждой дуги размещается посредине между лопатками и их окружные концы размещены в продолжении ниже по потоку от лопаток 30. Таким образом, радиальный зазор между расположенной ниже по потоку внутренней стенкой 58 и расположенной ниже по потоку наружной стенкой 60 является минимальным в продолжении ниже по потоку от лопаток 30, то есть в их спутной струе, и максимальным между лопатками 30.

Кроме того, амплитуда волн расположенной ниже по потоку наружной стенки 60 увеличивается от задней кромки лопаток 30 до выхода из направляющего аппарата 18.

В другом варианте осуществления, изображенном на фиг.3, расположенная ниже по потоку внутренняя стенка 64 направляющего аппарата 18 содержит волны в виде дуг, а расположенная ниже по потоку наружная стенка 68 радиально расходится наружу относительно расположенной ниже по потоку внутренней стенки 64 направляющего аппарата 18. Для того чтобы гарантировать минимальный радиальный зазор в продолжении ниже по потоку от лопаток 30, волны в виде дуг имеют вогнутость, обращенную радиально наружу.

Фиг.4 и 5 изображают другие варианты осуществления изобретения, в которых расположенные ниже по потоку внутренняя и наружная стенки направляющего аппарата 18 содержат волны, которые представляют собой один и тот же тип и в виде дуг. Вариант осуществления по фиг.4 соответствует комбинации расположенной ниже по потоку наружной стенки 60 направляющего аппарата 18 по фиг.2 с расположенной ниже по потоку внутренней стенкой 64 направляющего аппарата 18 по фиг.3. На фиг.5 вогнутости волн расположенных ниже по потоку внутренней 74 и наружной 76 стенок обращены радиально внутрь и наружу соответственно. Средняя часть каждой дуги расположена в продолжении ниже по потоку от лопаток 30, тогда как концы каждой дуги расположены посредине между лопатками 30 для обеспечения минимального радиального зазора между расположенными ниже по потоку стенками 74, 76 направляющего аппарата 18 в спутной струе лопаток 30.

Фиг.6-8 изображают другие варианты возможного осуществления изобретения. На фиг.6 расположенные ниже по потоку внутренняя и наружная стенки 78, 80 направляющего аппарата 18 выполнены синусоидальными. На фиг.7 расположенные ниже по потоку стенки 82, 84 направляющего аппарата 18 являются зубчатыми, а на фиг.8 расположенные ниже по потоку стенки 86-88 образованы последовательностью «V», связанных между собой.

В вариантах осуществления по фиг.5-8 расположенные ниже по потоку внутренняя и наружная стенки направляющего аппарата 18 выполнены симметричными относительно поверхности вращения, расположенной на половине расстояния между этими расположенными ниже по потоку стенками направляющего аппарата.

Во всяком случае, возможно, как изображено на фиг.9, иметь расположенные ниже по потоку внутреннюю 90 и наружную 92 стенки направляющего аппарата 18 несимметричными одна относительно другой. Как изображено, расположенные ниже по потоку внутренняя 90 и наружная 92 стенки содержат волны в виде дуг, вогнутости которых обращены внутрь. Для того чтобы радиальный зазор между расположенными ниже по потоку внутренней 90 и наружной 92 стенками был минимальным в продолжении ниже по потоку от лопаток 30, расположенная ниже по потоку внутренняя стенка 90 направляющего аппарата смещена по углу относительно расположенной ниже по потоку наружной стенки 92 направляющего аппарата 18 на угол, равный половине углового размера дуги. Таким образом, концы дуг расположенной ниже по потоку внутренней стенки 90 находятся посредине между лопатками 30, а концы дуг расположенной ниже по потоку наружной стенки 92 находятся в продолжении ниже по потоку от лопаток 30.

Выполнение изменяющегося радиального зазора между внутренней и наружной стенками направляющего аппарата 18 позволяет локально ускорить поток воздуха в спутной струе лопаток 30 для компенсации дефицита скорости, вызванной наличием лопаток. Питанию воздухом инжекторной системы, таким образом, придана однородность, что обеспечивает хорошее распыление топлива, способствует стабильности горения и ограничивает выброс загрязняющих компонентов.

В описанных выше вариантах осуществления расположенные ниже по потоку внутренняя и наружная стенки, волнообразные или зубчатые, направляющего аппарата являются симметричными относительно радиальных плоскостей, продолжающих лопатки ниже по потоку или проходящих посредине между лопатками.

В некоторых случаях поток воздуха, выходящий из направляющего аппарата, содержит вращательную составляющую, так что воздух выходит в направлении, образующем угол с осью турбомашины. Возможно лучше направлять поток воздуха к выходу из направляющего аппарата, выполняя расположенные ниже по потоку стенки волнообразными или зубчатыми, которые являются асимметричными относительно радиальных плоскостей, продолжающих лопатки ниже по потоку (фиг.10-12). Фиг.10 изображает расположенные ниже по потоку внутреннюю и наружную стенки 94-96 направляющего аппарата волнообразными, которые являются асимметричными относительно упомянутых радиальных плоскостей. В варианте по фиг.11 волны расположенных ниже по потоку внутренней и наружной стенок 94, 96 образованы последовательностью ассиметичных «V», связанных между собой. Каждая V-образная часть образована первой ветвью, соединенной на вершине V со второй ветвью, более короткой, чем первая ветвь. Концы каждой V-образной части соединены в зоне продолжения ниже по потоку от лопаток направляющего аппарата и вершин каждой V-образной части расположенных ниже по потоку внутренней и наружной стенок ориентированы радиально внутрь и наружу соответственно.

Такие конфигурации позволяют локализовать максимум радиального зазора между расположенными ниже по потоку внутренней и наружной стенками направляющего аппарата, так что они не размещены посредине межлопаточного промежутка в расположенной ниже по потоку части направляющего аппарата, но смещены по окружности относительно этого среднего положения, причем минимум радиального зазора остается размещенным в продолжении ниже по потоку от лопаток.

В варианте осуществления по фиг.12 волны или зубчатые части 98-100 расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата проходят спирально вокруг оси компрессора с углом спирали, соответствующим углу остаточного вращения на выходе лопаток 30 направляющего аппарата 18.

Когда поток воздуха на выходе лопаток отрывается от стенок лопаток направляющего аппарата, угол спирали может соответствовать углу отрыва потока воздуха, при этом радиальный зазор между расположенными ниже по потоку стенками направляющего аппарата является минимальным в этом направлении.

Возможны многочисленные варианты изобретения и, в частности, можно комбинировать расположенные ниже по потоку внутреннюю и наружную стенки одного и того же типа, то есть зубчатые, дугообразные, V-образные или синусоидальные, как изображено на чертежах, либо комбинировать внутреннюю и наружную стенки разного типа, например, расположенная ниже по потоку внешняя стенка 102 является зубчатой, а расположенная ниже по потоку внутренняя стенка 104 является дугообразной (фиг.13).

В вариантах осуществления по фиг.2 и 3 расположенные ниже по потоку наружная 60 или внутренняя 64 стенки, снабженные волнами, могут проходить в продолжение расположенной выше по потоку внутренней 62 или наружной 68 стенки направляющего 18, соответственно, без наклона относительно последней.

Расположенные ниже по потоку внутренняя и наружная стенки могут быть выполнены в виде единой детали с расположенными выше по потоку внутренней и наружной стенками направляющего аппарата 18 либо сварены или выполнены машинной пайкой с этими расположенными выше по потоку стенками.

В частном примере выполнения узла диффузор-направляющий аппарат по изобретению длина расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата 18 может достигать примерно 50 миллиметров.

Хотя вышеприведенное описание касается центробежного узла диффузор-направляющий аппарат, изобретение может быть также использовано в узле диффузор-направляющий аппарат, в которой диффузор является осевым и расположен на выходе также осевой последней компрессионной ступени.

Возможно также осуществить расчет или объемное измерение потока воздуха на выходе лопаток направляющего аппарата для того, чтобы специально приспособить традиционную трехмерную форму расположенных ниже по потоку внутренней и наружной стенок направляющего аппарата, а также их расположение ниже по потоку от лопаток для воздушного потока.

В некоторых вариантах осуществления, таких какие показаны на фиг. 5-13, радиальный зазор между расположенными ниже по потоку внутренней и наружной стенками направляющего аппарата является постоянным в продолжении ниже по потоку от лопаток до расположенного ниже по потоку конца расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата, тогда как в части, расположенной между двумя последовательными лопатками, радиальный зазор постепенно увеличивается до расположенного ниже по потоку конца расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата.

Узел диффузор-направляющий аппарат, предназначенный для установки на выходе компрессора в турбомашине, содержит направляющий аппарат. Направляющий аппарат включает в себя две, по существу, цилиндрические стенки: радиально внутреннюю и радиально наружную. Стенки соединены радиальными лопатками. Стенки направляющего аппарата продолжены к расположенной ниже по потоку части за радиальные лопатки. Радиальный зазор между стенок является изменяющимся по окружности ниже по потоку от лопаток так, чтобы быть, по существу, минимальным в продолжении лопаток и максимальным между лопатками. Зазор является изменяющимся по окружности до расположенного ниже по потоку конца расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата. Также объектом изобретения являет турбомашина, такая как турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель или вертолетный двигатель, содержащая описанный выше узел. Изобретение позволяет уменьшить неоднородность потока воздуха на входе в камеру сгорания. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Узел (12) диффузор-направляющий аппарат, предназначенный для установки на выходе компрессора в турбомашине, содержащий направляющий аппарат (18), включающий в себя две, по существу, цилиндрические радиально внутреннюю (26) и наружную (28) стенки, соединенные радиальными лопатками (30), отличающийся тем, что стенки направляющего аппарата продолжены к расположенной ниже по потоку части за радиальные лопатки (30) и их радиальный зазор является изменяющимся по окружности ниже по потоку от лопаток (30) так, чтобы быть, по существу, минимальным в продолжении лопаток (30) и максимальным между лопатками (30), причем радиальный зазор является изменяющимся по окружности до расположенного ниже по потоку конца расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата.

2. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что стенки (58, 60) направляющего аппарата выполнены расходящимися ниже по потоку от лопаток (30).

3. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из стенок направляющего аппарата выполнена волнообразной (60) или зубчатой (84, 82) ниже по потоку от лопаток (30).

4. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что две стенки направляющего аппарата являются волнообразными (60, 64, 74, 76) или зубчатыми (82, 84) ниже по потоку от лопаток (30).

5. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.3, отличающийся тем, что волны расположенной ниже по потоку части стенки или стенок направляющего аппарата (18) выполнены симметричными относительно радиальных плоскостей, продолжающих лопатки (30).

6. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.3, отличающийся тем, что волны расположенной ниже по потоку части стенки или стенок направляющего аппарата (18) выполнены асимметричными относительно радиальных плоскостей, продолжающих лопатки (30).

7. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.6, отличающийся тем, что волны проходят спирально вокруг оси компрессора по углу спирали, соответствующему углу остаточного вращения или отрыва потока воздуха на выходе лопаток направляющего аппарата.

8. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.3, отличающийся тем, что волны расположенных ниже по потоку частей стенок направляющего аппарата (18) являются синусоидальными, зубчатыми, дугообразными или V-образными.

9. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.3, отличающийся тем, что волны расположенных ниже по потоку стенок направляющего аппарата выполнены идентичными (60, 64) или одного типа для обеих стенок, или разного типа от одной стенки к другой.

10. Узел диффузор-направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что направляющий аппарат является моноблочным или выполнен посредством сварки или машинной пайки.

11. Турбомашина, такая как турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель или вертолетный двигатель, отличающаяся тем, что она содержит узел диффузор-направляющий аппарат по п.1.