КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВОЗДУШНЫМИ ИНЖЕКТОРАМИ Российский патент 2015 года по МПК F04D27/02 F04D29/40 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к общей области компрессоров для газотурбинных двигателей. В частности, оно касается компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, в котором предусмотрена рециркуляция воздуха с целью ограничения явления помпажа.

Компрессор газотурбинного двигателя содержит несколько последовательных ступеней компрессии, при этом каждая ступень компрессии состоит из ряда (или решетки) неподвижных лопаток, за которым следует ряд подвижных лопаток. Кольцевой картер охватывает ряды лопаток и ограничивает снаружи тракт воздушного потока, проходящего через компрессор.

Такой компрессор может подвергаться помпажу. Помпаж представляет собой явление, которое стараются свести к минимуму внутри газотурбинного двигателя, так как оно выражается резкими перепадами воздушного давления и расхода воздуха, которые создают на лопатках компрессора значительные механические напряжения, которые могут привести к снижению их прочности и даже к их разрушению. Это явление проявляется, в частности, в законцовке лопатки на уровне граничного слоя воздуха, присутствующего между законцовкой лопаток и картером компрессора и локально выражается появлением карманов более низкого давления.

Согласно одному из известных решений для минимизации этого явления предусматривают рециркуляцию воздуха внутри компрессора. Для этого, как правило, воздух отбирают в воздушном тракте компрессора напротив (или сразу на выходе) законцовки подвижных лопаток ступени компрессора. Этот отбираемый воздух проходит в канал, а затем его повторно нагнетают в воздушный тракт ближе к входу, например на входе и в направлении законцовки подвижных лопаток другой ступени компрессора. Можно, например, указать документы US 2005/0226717 и US 5,474,417, в которых описаны примеры осуществления такой рециркуляции воздуха.

Повторное нагнетание воздуха, отбираемого в воздушном тракте, как правило, производят при помощи воздушных инжекторов, которые установлены в предусмотренных для этого гнездах на картере, охватывающем лопатки. Обычно эти воздушные инжекторы представляют собой детали, расположенные через равномерные угловые интервалы и оборудованные, каждая, внутренним каналом нагнетания воздуха, открывающимся, с одной стороны, в воздушный тракт компрессора и, с другой стороны, в канал подачи воздуха, соединенный с каналом рециркуляции воздуха.

Проблема возникает при решении задачи удержания на месте этих воздушных инжекторов. Действительно, известные решения предусматривают либо установку воздушных инжекторов в их гнезда посредством плотной посадки типа Н7р6 либо закрепление воздушных инжекторов в их гнездах при помощи винтов. Однако основным недостатком плотной посадки воздушных инжекторов является невозможность их снятия без риска повреждения картера. Что касается крепления инжекторов винтами, оно создает прикладные проблемы, касающиеся размера и необходимого числа винтов (один-два винта на каждый воздушный инжектор), не говоря уже о пространстве, необходимом для установки самостопорящегося средства на картере.

Объект и сущность изобретения

Настоящее изобретение призвано преодолеть эти недостатки и предложить компрессор, в котором обеспечено надежное удержание на месте воздушных инжекторов и в то же время сохранена возможность их демонтажа.

В связи с этим объектом изобретения является компрессор газотурбинного двигателя, содержащий:

первый картер, образующий держатель инжекторов, центрованный по продольной оси компрессора и ограничивающий снаружи тракт газового потока, проходящего через компрессор;

второй картер, центрованный по продольной оси компрессора и расположенный вокруг первого картера, образуя вместе с ним кольцевое пространство; и

множество воздушных инжекторов, установленных, каждый, в гнездах соответствующей формы, выполненных на входном продольном конце первого картера и отстоящих друг от друга через равномерные интервалы, при этом каждый воздушный инжектор содержит:

по меньшей мере, один внутренний канал нагнетания воздуха, выходящий в радиальном направлении, с одной стороны, в тракт газового потока, проходящего через компрессор, и, с другой стороны, в кольцевое пространство, образованное между картерами, и

на входном продольном конце - входной бортик, внутренняя сторона которого опирается в радиальном направлении на входной бортик соответствующего гнезда первого картера и наружная сторона которого опирается в радиальном направлении на внутреннюю сторону второго картера;

средства зажатия входного бортика воздушных инжекторов между картерами для удержания воздушных инжекторов в гнездах первого картера.

Преимуществом изобретения является возможность удержания всех воздушных инжекторов в их соответствующих гнездах за счет простого механического зажатия инжекторов между двумя картерами. Отсутствие плотных посадок в соединении дает возможность заменять воздушные инжекторы без риска повреждения картеров. За счет этого упрощается техническое обслуживание.

Предпочтительно первый картер содержит выступы, которые выполнены между гнездами и наружная сторона которых, с одной стороны, выступает относительно наружной стороны первого картера и, с другой стороны, отступает вглубь относительно наружной стороны входных бортиков воздушных инжекторов, при этом средства зажатия содержат, по меньшей мере, один крепежный винт, который проходит в радиальном направлении через второй картер и который завинчивают в один из выступов первого картера.

Каждый воздушный инжектор может дополнительно содержать на выходном продольном конце выходной бортик, внутренняя сторона которого опирается в радиальном направлении на выходной бортик соответствующего гнезда первого картера. В этом случае предпочтительно каждый воздушный инжектор содержит также боковые бортики, соединяющие входной бортик с выходным бортиком, причем внутренняя сторона каждого из этих боковых бортиков опирается в радиальном направлении на боковой бортик соответствующего гнезда первого картера. Наличие этих боковых бортиков позволяет избежать нежелательное проникновение воздуха, предназначенного для нагнетания по пути, отличном от внутренних каналов нагнетания воздуха.

Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий описанный выше компрессор, причем последний может быть компрессором высокого давления газотурбинного двигателя.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера выполнения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе компрессора высокого давления газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением и окружающего его оборудования.

Фиг.2 - частичный вид в изометрии и в разборе компрессора в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 и 4 - вид компрессора в сборе, показанного на фиг.2, в разрезе соответственно по плоскостям III-III и IV-IV.

Фиг.5 - частичный вид в изометрии и в разборе компрессора согласно другому варианту выполнения изобретения.

Подробное описание вариантов выполнения

На фиг.1 частично показан газотурбинный двигатель 10 с продольной осью 12. От входа к выходу (в направлении прохождения газовых потоков) газотурбинный двигатель содержит вентилятор 14, компрессор 16 низкого давления, компрессор 18 высокого давления, камеру 20 сгорания и турбину (не показана).

Каждый компрессор, в частности компрессор 18 высокого давления, содержит несколько ступеней компрессии, при этом каждая ступень состоит из ряда (или решетки) неподвижных лопаток 22, за которым следует ряд подвижных лопаток 24. Эти ряды лопаток 22, 24 расположены в тракте 26 воздушного потока, проходящего через компрессор, причем этот тракт ограничен радиально снаружи кольцевым кожухом 28.

Чтобы свести к минимуму явление помпажа внутри компрессора 18 высокого давления, в тракте 26 отбирают часть воздуха, проходящего через компрессор, и повторно нагнетают его ближе к входу в тракт потока.

Для этого кожух 28, охватывающий ряды лопаток 22, 24 компрессора, содержит одно или несколько отверстий 30, открывающихся в тракт 26 (напротив или сразу на выходе законцовки подвижных лопаток ступени компрессора) и сообщающихся с кольцевым диффузионным каналом 32, центрованным по продольной оси 12 и окружающим кожух.

Этот диффузионный канал 32 соединен одной или несколькими трубками 34 с кольцевым каналом 36 отбора, тоже центрованным по продольной оси 12. Диффузионный канал 32 выходит на входе в тракт 26, например, в направлении законцовки подвижных лопаток другой ступени компрессора через множество воздушных инжекторов 38, которые будут описаны ниже со ссылками на фиг.2-5.

Как показано на фиг.2-4, кожух 28, охватывающий ряды лопаток компрессора, состоит из первого картера 28а, образующего держатель инжекторов, и из второго картера 28b, расположенного вокруг первого картера. Первый картер 28а разделен на сектора, то есть состоит из множества соединенных встык кольцевых сегментов картера.

Эти два картера 28а, 28b центрованы по продольной оси 12 газотурбинного двигателя и отстоят друг от друга в радиальном направлении, образуя между собой кольцевое пространство 40, которое сообщается с диффузионным каналом 32.

На уровне своего входного конца (относительно направления газового потока, проходящего через компрессор) первый картер 28а содержит множество гнезд 42, расположенных через равномерные интервалы, при этом каждое гнездо 42 содержит входной бортик 44 и выходной бортик 46. В этих гнездах установлены воздушные инжекторы 38.

Каждый воздушный инжектор 38 содержит, по меньшей мере, один внутренний канал 48 нагнетания воздуха, который сообщается в радиальном направлении, с одной стороны, с трактом 26 газового потока, проходящего через компрессор, и, с другой стороны, с кольцевым пространством 40, образованным между картерами 28а, 28b. Таким образом, воздух поступает в этот канал нагнетания воздуха через диффузионный канал 32.

Кроме того, на уровне своего выходного продольного конца каждый воздушный инжектор 38 содержит выходной бортик (или носик) 50, внутренняя сторона 50а которого опирается на выходной бортик 46 соответствующего гнезда первого картера.

На своем входном продольном конце каждый воздушный инжектор 38 содержит также входной бортик (или носик) 52, внутренняя сторона 52а которого опирается в радиальном направлении на входной бортик 44 соответствующего гнезда первого картера и наружная сторона 52b которого опирается в радиальном направлении на внутреннюю сторону второго картера 28b.

Эти бортики 50, 52 участвуют, в частности, в радиальном позиционировании инжекторов 38 на первом картере 28а и образуют препятствия для нежелательного проникновения воздуха по пути, отличному от внутренних каналов 48 нагнетания воздуха.

Согласно изобретению, воздушные инжекторы 38 удерживаются в их соответствующих гнездах 42 первого картера 28а средствами зажатия их входного бортика 52.

Для этого, как показано на фиг.2, первый картер 28а содержит выступы 54, выполненные на входном конце между гнездами 42 воздушных инжекторов. Эти выступы содержат наружную сторону, которая, с одной стороны, радиально выступает относительно наружной стороны первого картера и, с другой стороны, радиально отступает вглубь относительно наружной стороны 52b входных бортиков 52 воздушных инжекторов.

Иначе говоря, наружная сторона 52b входных бортиков 52 воздушных инжекторов выступает в радиальном направлении относительно выступов 54 первого картера, когда воздушные инжекторы установлены в их гнезда (эта разность уровня схематично показана на фиг.3 обозначением h). Кроме того, по меньшей мере, один из этих выступов содержит резьбовое отверстие 56.

Как показано на фиг.4, в это отверстие 56 завинчивают крепежный винт 58, который проходит насквозь в радиальном направлении через второй картер 28b. Этот винт позволяет закрепить второй картер 28b на первом картере 28а. Он позволяет также картерам 28а, 28b создавать радиальное усилие зажатия входного бортика 52 каждого воздушного инжектора 38, установленного в гнездо 42 первого картера. Действительно, поскольку входной бортик 52 воздушных инжекторов 38 выступает в радиальном направлении относительно выступов 54, то легко понять, что затягивание крепежного винта 58 создаст усилие зажатия этих входных бортиков между внутренней стороной второго картера 28b и соответствующим входным бортиком 44 гнезд первого картера 28а. Таким образом, все воздушные инжекторы 38 удерживаются между двумя картерами 28а, 28b.

Следует отметить, что число крепежных винтов 58 может меняться. Предпочтительно их равномерно распределяют по всей окружности компрессора. Кроме того, через второй картер 28b на уровне его выходного конца можно завинчивать также дополнительный крепежный винт 58' (см. фиг.4).

Далее со ссылками на фиг.5 следует описание другого варианта выполнения компрессора в соответствии с настоящим изобретением.

Если сравнить с описанным выше вариантом выполнения, то отличительным признаком воздушных инжекторов 38' компрессора 10', частично показанного на фиг.5, является наличие в них боковых бортиков (или носиков) 60, которые соединяют выходной бортик 50 с входным бортиком 52 инжекторов. Каждый из этих боковых бортиков имеет внутреннюю сторону, опирающуюся в радиальном направлении на боковой бортик 62 соответствующего гнезда 42' первого картера 28а.

Наличие этих боковых бортиков в дополнение к входным 52 и выходным 50 бортикам позволяет избежать любого паразитного проникновения, предназначенного для нагнетания воздуха по пути, отличному от пути, образованному внутренними каналами 48 нагнетания воздуха воздушных инжекторов 38'.

Компрессор газотурбинного двигателя содержит первый картер (28а), образующий держатель инжекторов, второй картер (28b), расположенный вокруг первого картера, образуя вместе с ним кольцевое пространство (40); и множество воздушных инжекторов (38, 38'), установленных, каждый, в гнездах. Каждый воздушный инжектор содержит, по меньшей мере, один внутренний канал (48) нагнетания воздуха, выходящий, с одной стороны, в газовоздушный тракт (26) и, с другой стороны, в кольцевое пространство, образованное между картерами. Инжектор содержит на входном конце входной бортик (52), внутренняя сторона (52a) которого опирается в радиальном направлении на входной бортик (44) соответствующего гнезда первого картера и наружная сторона (52b) которого опирается в радиальном направлении на внутреннюю сторону второго картера. Средства зажатия входного бортика воздушных инжекторов между картерами обеспечивают удержание воздушных инжекторов в гнездах первого картера. Достигается возможность удержания всех воздушных инжекторов в их соответствующих гнездах за счет простого механического зажатия инжекторов между двумя картерами. Отсутствие плотных посадок в соединении дает возможность заменять воздушные инжекторы без риска повреждения картеров, что упрощает техническое обслуживание. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Компрессор (10, 10') газотурбинного двигателя, содержащий:
первый картер (28а), образующий держатель инжекторов, центрованный по продольной оси (12) компрессора и ограничивающий снаружи тракт (26) газового потока, проходящего через компрессор;
второй картер (28b), центрованный по продольной оси компрессора и расположенный вокруг первого картера, образуя вместе с ним кольцевое пространство (40); и
множество воздушных инжекторов (38, 38'), установленных, каждый, в гнездах (42, 42') соответствующей формы, выполненных на входном продольном конце первого картера и отстоящих друг от друга через равномерные интервалы, при этом каждый воздушный инжектор содержит:
по меньшей мере, один внутренний канал (48) нагнетания воздуха, выходящий в радиальном направлении, с одной стороны, в тракт газового потока, проходящего через компрессор, и, с другой стороны, в кольцевое пространство, образованное между картерами, и
на входном продольном конце - входной бортик (52), внутренняя сторона (52a) которого опирается в радиальном направлении на входной бортик (44) соответствующего гнезда первого картера и наружная сторона (52b) которого опирается в радиальном направлении на внутреннюю сторону второго картера;
средства зажатия входного бортика воздушных инжекторов между картерами для удержания воздушных инжекторов в гнездах первого картера.

2. Компрессор по п.1, в котором первый картер (28а) содержит выступы (54), которые выполнены между гнездами (42, 42') и наружная сторона которых, с одной стороны, выступает относительно наружной стороны первого картера и, с другой стороны, отступает вглубь относительно наружной стороны (52b) входных бортиков (52) воздушных инжекторов (38, 38'), при этом средства зажатия содержат, по меньшей мере, один крепежный винт (58), который проходит в радиальном направлении через второй картер (28b) и который завинчивают в один из выступов первого картера.

3. Компрессор по одному из пп.1 и 2, в котором каждый воздушный инжектор (38, 38') дополнительно содержит на выходном продольном конце выходной бортик (50), внутренняя сторона (50a) которого опирается в радиальном направлении на выходной бортик (46) соответствующего гнезда (42, 42') первого картера.

4. Компрессор по п.3, в котором каждый воздушный инжектор (38') дополнительно содержит боковые бортики (60), соединяющие входной бортик (52) с выходным бортиком (50), причем внутренняя сторона каждого из этих боковых бортиков опирается в радиальном направлении на боковой бортик (62) соответствующего гнезда (42') первого картера.

5. Компрессор по п.1, дополнительно содержащий кольцевой канал (32), который центрован по продольной оси (12) компрессора, расположенный вокруг второго картера (28b) и с которым сообщается кольцевое пространство (40), образованное между картерами.

6. Компрессор по п.1, являющийся компрессором высокого давления.

7. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один компрессор (10, 10') по любому из пп.1-6.