СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ВОЗДУХА В ЦЕНТРОБЕЖНОМ КОМПРЕССОРЕ ТУРБОМАШИНЫ И ДИФФУЗОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F04D29/46 F01D17/16 

Изобретение относится к способу регулирования расхода воздуха в турбомашине, содержащей центробежный компрессор, в частности, в турбинных двигателях вертолетов или в дополнительных силовых установках (в сокращении APU) с переменной потребностью в расходе или механической или электрической мощности. Изобретение относится также к диффузору, снабженному лопастями с изменяемым шагом для осуществления этого способа.

Изобретение касается области компрессии газов в двигателях турбомашин и, в частности, регулирования потока сжатого воздуха в соответствии с характеристиками двигателей независимо от того, являются ли они турбинными двигателями или APU, в особенности, их специфического потребления (сокращенно Cs) при частичной нагрузке.

В этом контексте основной проблемой является соответствие требованиям к запасу по помпажу и увеличение коэффициента компрессии в промежуточных режимах турбинных двигателей, а также при изменениях потребности расхода сжатого воздуха и электрической мощности в случае APU.

Известно, что запас по помпажу может быть обеспечен при уменьшении режима работы турбинных двигателей. Однако уменьшение количества циклов двигателя приводит к ухудшению кпд, и такое решение требует, таким образом, необходимости работы компрессора ниже его максимальной отдачи, в частности, при режимах работы двигателя при больших оборотах.

Известно также размещение на входе компрессора решетки предварительного вращения, образованной входными направляющими лопатками (в сокращении IGV от "Inlet Guide Vanes" на английском яз.). Но в этом случае коэффициент компрессии, по существу, снижается для данного режима вращения.

В этих условиях следует обеспечить работу компрессора с квазипостоянным коэффициентом компрессии, оставаясь вблизи его максимальной отдачи независимо от изменения нагрузки.

В области одноступенчатых компрессоров существуют радиальные диффузоры, содержащие системы лопастей с изменяемым углом установки. Такие диффузоры описаны, например, в патентных документах US 5207559 или ЕР 0589745, последний подан от имени Заявителя. Эти диффузоры позволяют сместить к меньшим расходам характеристики коэффициентов расход/давление компрессора в промежуточном режиме без существенного ухудшения коэффициента компрессии и кпд.

Изменение угла установки осуществляется по командам блока управления в зависимости от рабочих физических параметров (режима вращения, давление, температура). Однако диапазоны изменения углов установки, которые должна обеспечить система управления, требуют использования управляющего силового цилиндра повышенной мощности, что приводит к значительным изменениям входных и выходных диаметров диффузора, что может вызывать повышенные механические взаимодействия между вращающимися частями (колесо) и статическими (радиальный диффузор с изменяемым углом установки), что уменьшает кпд при частичной нагрузке (промежуточный режим).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков, в частности, путем сохранения кпд для существенного уменьшения Cs при обеспечении достаточного запаса по помпажу с лучшим кпд цикла двигателя при частичной нагрузке. Для этого в нем предлагается оптимизированный способ изменяемой диффузии потока воздуха в центробежном компрессоре турбомашин.

Точнее, объектом изобретения является способ диффузии потока воздуха, изменяемой в центробежном компрессоре турбомашин, заключающийся в обеспечении диффузии воздуха через первую кольцевую решетку лопастей с изменяемым углом установки, по краю которой в радиальном направлении расположена вторая кольцевая решетка с тем же количеством лопастей равновеликой протяженности с фиксированным углом установки, ориентирующими диффузию в радиальном направлении путем сдваивания лопастей двух лопаточных решеток, при этом каждая лопасть первой лопаточной решетки приводится во вращение на расстоянии от лопасти. Под турбомашинами следует понимать турбинные двигатели, в частности турбинные двигатели вертолетов с одно- или двухступенчатым центробежным компрессором и APU, снабженным одно- или двухступенчатым компрессором мощности.

В этих условиях, с одной стороны, радиальная протяженность лопастей с изменяемым углом установки, по существу, уменьшена ввиду наличия неподвижной лопаточной решетки, содержащей присущие ему лопасти, что позволяет уменьшить усилия для изменения угла их установки, а также зазоры между подвижной лопаточной решеткой и удерживающим фланцем, а также рециркуляции вход/выход, следствием чего является уменьшение разрушений на границе помпажа и уменьшение потерь нагрузки. С другой стороны, смещение от центра оси вращения лопастей с изменяемым углом установки существенно уменьшает изменение радиального удлинения этих лопастей при постоянном распределении воздуха: увеличение при закрывании является наименьшим, улучшая, таким образом, кпд при частичной нагрузке, и уменьшение при открывании также является наименьшим, что уменьшает механические усилия вследствие аэродинамических нестационарных флуктуаций путем взаимодействия колесо/диффузор.

Достаточный запас по помпажу позволяет, таким образом, турбомашине работать без появления помпажа - обеспечивая большой запас для ускорения, а в APU - противостоять значительным нагрузочным изменениям без использования разгрузочной задвижки, поддерживая скорость вращения турбомашины и ее коэффициент давления на уровнях, близких к номинальным значениям, и обеспечивая достаточный уровень кпд.

В соответствии с особыми вариантами, учитывая, что способ применяется в турбомашинах, снабженных турбинами мощности, описанное выше радиальное распределение при изменяемом угле установки на центробежном компрессоре, зависит от распределителя турбины мощности с изменяемым углом установки. Производство мощности может быть осуществлено в соответствии с несколькими конфигурациями: свободная турбина мощности - или связанная, аксиально или центростремительно с выходным теплообменом или без него.

Соединение между диффузором и распределителем с изменяемым углом установки позволяет адаптировать режим работы к уменьшению расхода, что уменьшает кпд цикла двигателя (благодаря лучшему коэффициенту давления) и, таким образом, Cs турбинных двигателей вертолетов и APU.

Объектом изобретения является также турбомашина с изменяемым углом установки, предназначенная для осуществления упомянутого выше способа, а также турбомашина, снабженная таким диффузором. Диффузор содержит первую кольцевую решетку лопастей с изменяемым углом установки, по краю которой в радиальном направлении расположена вторая решетка лопастей с лопастями с фиксированным углом установки равновеликой протяженности, образующей последовательные распределительные каналы путем взаимодействия двух решеток в радиальном направлении. Кроме того, каждая лопасть первой решетки приводится в движение управляющими средствами, предназначенными для выполнения собственно поворота каждой лопасти, отстоящей от центра относительно своей оси вращения.

В соответствии с особыми вариантами осуществления:

- каждая лопасть с изменяемым углом установки размещается между двумя чашками, расположенными одна напротив другой параллельно и смещенными от центра относительно общей оси чашек, совпадающей с осью вращения;

- каждая лопасть сочленена с приводным штоком, который имеет, по меньшей мере, одно отверстие, в которое входит блокирующий штифт диска для регулирования осевого положения чашек;

- шток жестко соединен с рычагом сферическим шарниром, расположенным в цилиндрическом посадочном месте (38) управляющей коронной шестерни, предназначенной для привода во вращение вокруг приводной оси рычага, способного перемещаться скольжением в цилиндрическом посадочном месте;

- цилиндрические посадочные места имеют глубину, зависящую от хода рычагов, который, в свою очередь, зависит от заданного интервала поворота лопастей;

- передняя кромка каждой лопасти с изменяемым углом установки находится вблизи периферий чашек, при этом расстояние от лопасти до оси вращения превышает или равно половине радиуса;

- диффузор на входе является гладким диффузором, то есть без лопаток;

- поток входного воздуха диффузора между колесом и решеткой с изменяемым углом установки является сходящимся, что улучшает технические характеристики;

- неподвижные лопасти второй решетки имеют профиль входных кромок более толстый, нежели профили первой решетки, для поглощения случайных вариаций;

- неподвижные лопасти с изменяемым углом установки имеют достаточную толщину для размещения в них винтов, позволяющих выдерживать конструкционные напряжения;

- неподвижные лопасти, соответствующие закону изменения каркасного угла между передней и задней кромками, что позволяет контролировать распределение в неподвижной решетке и оптимизировать ее аэродинамическую эффективность;

- неподвижные лопатки установлены по азимуту относительно лопаток первой подвижной решетки таким образом, чтобы воспринять аэродинамический след на спинках лопастей первой решетки для ограничения потерь нагрузки диффузора;

- углы установки изменяемых лопастей составляют от +12 до -5° относительно номинального угла установки, который был бы углом установки неподвижного диффузора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

- фиг. 1 изображает половинный вид в частичном осевом разрезе диффузора по изобретению;

- фиг. 2а и 2b изображают два вида в перспективе лопасти с изменяемым углом установки, сочлененной со штоком, управляющим поворотом;

- фиг. 3 изображает общий вид спереди входного кольцевого фланца диффузора, снабженного решетками лопастей по изобретению;

- фиг. 4а-4с схематично изображают частичный вид диффузора для трех изменяемых угловых положений подвижных лопастей, при этом два крайних положения окружают номинальное положение; и

- фиг. 5 изображает зазоры между подвижной лопастью и кольцевыми фланцами диффузора.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Термины «входной» и «выходной» относятся к направлению потока воздуха в турбинном двигателе.

В частичном разрезе вида в осевом направлении по фиг. 1 центробежный компрессор 10 турбомашины, такой как турбинный двигатель, турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель или APU, содержит кожух 12, соединенный с крышкой 14 для радиального закрывания колеса 16, последняя центробежная ступень компрессора, установленного с возможностью вращения на валу двигателя 18 по оси Y′Y. Поток воздуха F циркулирует от колеса 16 к кольцевому диффузору 19 в радиально сужающейся входной струе. Диффузор 19 размещен между двумя входным и выходным фланцами 22. Крышка 14 удерживается за счет скобы 23, прикрепленной к кожуху и входному фланцу 20.

Лопасти 24, образующие первую кольцевую решетку, установлены в диффузоре 19. Центрирующие элементы 25 и 26, установленные напротив друг друга во фланцах 20 и 22, несут чашки 17 и 27, в которых установлены лопасти 24, смещенные относительно центра. Чашки установлены в центрах фланцев 20 и 22 с соответствующими зазорами, в данном случае, в 0,03-0,05 мм, на диске 9, вставленном в центрирующее устройство 25 (см. ниже на фиг. 5).

Лопасти 28, жестко соединенные с фланцами 22 и образующие вторую кольцевую решетку, окаймляющую снаружи первую решетку, закреплены на кольцевом фланце 20 посредством проходящих насквозь болтов 29, размещенных в сквозных отверстиях 29t. Эти болты позволяют также обеспечить передачу конструкционных усилий.

Управление изменяемыми лопастями 24 осуществляется с помощью штоков 30, жестко присоединенных к входной чашке 17 и продолжающей ее. Эти штоки 30 с осью Х′Х установлены в цилиндрической проточке 32 входного фланца 20 и отцентрованы почти с нулевым зазором прокладками 30j, размещенными в канавках 30g. На концах каждый шток 30 имеет плоскую часть 31, шарнирно закрепленную на приводном рычаге 33, сжатом двумя болтами 35 на этой плоской части 31. Положения концов 31 штоков 30 устанавливается с допустимыми зазорами. Шток 30 имеет также отверстие 30t, в которое введен штифт 36, позволяющий блокировать диск 30u - для регулирования осевого положения чашек 17 и 27 - в блокирующем кольце 12а, образованном в кожухе 12. Для этого штифт 36 жестко соединяет шток 30 и блокирующее кольцо 12а.

При работе рычаг 33 приводится управляющей коронной шестерней 34, снабженной цилиндрическим посадочным отверстием 38 для сферического шарнира 37 рычага 33 с приемлемым допуском осевого положения и с контактом по образующей шарнира. Для этого управляющая коронная шестерня 34 отцентрована на секторах, снабженных игольчатыми подшипниками 39. Управляющая коронная шестерня 34, приводимая во вращение вокруг приводной оси Y′Y тягой (не изображенной на чертеже), приводит во вращении рычаги 33, которые скользят в цилиндрических посадочных местах 38 с помощью их сферических шарниров 37. Глубина посадочных мест 38 зависит от длины хода рычагов 33, которая сама зависит от интервала поворота лопасти 24. Такая конструкция особенно применима к повороту лопастей до +12° с перекрыванием 50% сечения и до -5° с открыванием сечения в 20%. Углы положений штоков и, таким образом, лопастей 24 зависят от режимов мощности для обеспечения компрессии воздуха, соответствующей этим режимам.

На фиг. 2а и 2b изображена подвижная лопасть 24 между параллельными чашками 17, 27, жестко связанная сварным соединением 21 с последними так, чтобы лопасть располагалась параллельно оси Х′Х чашек, расположенных одна напротив другой. Передняя кромка 24с лопасти 24 расположена на одном уровне с внешними окружностями 17с и 27с чашек, при этом толщина лопасти 24 является относительно небольшой, в представленном примере 2 мм. Кроме того, расстояние между лопастью 24 и осью Х′Х штока 30 составляет примерно 80% от радиуса чашек в представленном примере. Это придает лопасти 24 большой отступ относительно оси Х′Х штока, которая совпадает с осью вращения системы. Шток 30 имеет также цилиндрические центрирующие канавки 30g и отверстие 30t для блокирования регулирующего диска в осевом положении чашек 17 и 27. Его плоская часть 31 содержит отверстия 30а для размещения болтов 35 для крепления к управляющему рычагу.

Общий вид на фиг. 3 изображает входной кольцевой фланец 20, снабженный кольцевыми решетками G1 и G2, установленными соответственно подвижно и неподвижно и содержащими лопасти 24 и 28.

Лопасти 28 имеют профиль, по существу, более толстый на передней кромке Ва, чем профиль лопасти 24, соответственно 0,5 и 2,5 мм для обеспечения хорошей механической устойчивости при неожиданных изменениях в процессе вращения подвижных лопастей 24. Кроме того, закон каркасного угла лопасти 28 между передней Ва и задней BF кромками изменяется, что позволяет оптимизировать аэродинамическую эффективность неподвижной решетки путем максимальной рекуперации статического давления.

Кроме того, лопасти 28 неподвижной решетки имеют максимальную толщину, в данном примере 7 мм, позволяющие крепить фланцы 20 диффузора болтами, которые располагаются в отверстиях 29t, обеспечивая передачу конструктивных усилий.

Поток воздуха F циркулирует вдоль неподвижной лопасти 28, по радиальной протяженности неподвижной лопасти 24 и между двумя соседними таким же лопастями - подвижной или неподвижной. Благодаря смещению от центра подвижных лопастей 24 относительно осей вращения Х′Х их чашек 17 изменения радиальной протяженности подвижных лопастей 24 ограничены относительно изменений протяженности, которые могли бы существовать в отцентрованных лопастях. Такое ограничение позволяет улучшить технические характеристики центробежного компрессора: оно позволяет отдалить режим работы от границы помпажа путем смещения к более низким расходам и усилить рабочий режим почти до максимальной отдачи при наиболее высоких режимах.

Радиальные протяженности подвижных лопастей 24 относительно неподвижных лопастей 28 схематично изображены на фиг. 4а-4с, на которых пунктирными линиями изображены также чашки 17, 27 лопастей. На фиг. 4b номинальный угол установки в 0° соответствует эталонному потоку воздуха F, для которого регулирование подвижных лопастей 24 относительно неподвижных лопастей 28 адаптировано к стабильным промежуточным режимам.

При небольших нагрузках угол поворота подвижных лопастей 24 может увеличиваться до +12°. этот поворот соответствует проходному сечению на входе Sa между лопастями 24 и 28, закрытому на 50% относительно номинального угла установки, соответствующему сечению на входе Sb. Фиг. 4а иллюстрирует случай закрывания на 25% при повороте в 6°, при этом сечение прохода составляет 75% от сечения Sb. При больших нагрузках регулирование поворота может также уменьшаться до -5°. Фиг. 4с иллюстрирует случай открывания в 2,5°, при этом сечение прохода составляет относительную величину в 110%.

Неподвижные лопасти 28 установлены по азимуту относительно лопастей 24 первой подвижной решетки G1 так, чтобы воспринять аэродинамический след на наружных спинках Ех лопастей этой первой решетки G1.

Радиальные протяженности лопастей 24, ограниченные наличием неподвижных лопастей 28, позволяют сохранить возможность управления зазорами между чашками 17 и 27 лопастей 24 и фланцами 20 и 22, как изображено на фиг. 5. Таким образом, в этом примере величины зазоров остаются меньшими или равными соответственно 0,02 мм (для J1 или J2), 0,10 мм (для J3) и 0,25 (для J4). Зазор (совокупность J1 и J2) лопасти 24 на диске 9 остается, таким образом, примерно равным 0,03 мм или несколько большим.

Изобретение не ограничено описанными и представленными примерами. Можно, например, осуществить угловое смещение подвижных лопастей только механической регулировкой, индивидуально или централизованно, или путем электрического, электронного управления с цифровым регулированием или без него.

Способ регулирования расхода воздуха в центробежном компрессоре (10) турбомашины заключается в обеспечении распределения воздуха через первую кольцевую решетку (G1) лопастей (24) с изменяемым углом установки. По краю решетки в радиальном направлении расположена вторая кольцевая решетка (G2) лопастей с тем же количеством лопастей (28) с фиксированным углом установки той же радиальной протяженности. Распределение в радиальном направлении производится путем взаимодействия лопастей (24, 28) двух решеток лопастей. Каждую лопасть (24) первой решетки (G1) лопастей приводят во вращение по оси (Х′Х), отстоящей от лопасти (24). Изобретение направлено на поддержание кпд и производительности компрессора турбомашины для уменьшения, по существу, конкретного потребления Cs при обеспечении достаточного запаса от помпажа при частичной нагрузке. 2 н. и 8 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ регулирования расхода воздуха в центробежном компрессоре (10) турбомашины, заключающийся в обеспечении распределения воздуха через первую кольцевую решетку (G1) лопастей (24) с изменяемым углом установки, по краю которой в радиальном направлении расположена вторая кольцевая решетка (G2) лопастей с тем же количеством лопастей (28) с фиксированным углом установки той же радиальной протяженности, ориентирующие распределение в радиальном направлении путем взаимодействия лопастей (24, 28) двух решеток лопастей, отличающийся тем, что каждую лопасть (24) первой решетки (G1) лопастей приводят во вращение по оси (Х′Х), отстоящей от лопасти (24).

2. Способ по п. 1, в котором радиальное распределение воздуха в центробежном компрессоре связано с распределением мощности от распределителя с лопастями с изменяемым углом установки свободной или связанной турбины аксиального или центростремительного типа с теплообменом на выходе или без него.

3. Диффузор турбомашины с лопастями с изменяемым углом установки для осуществления способа по п. 1, содержащий первую кольцевую решетку (G1) лопастей (24) с изменяемым углом установки, по краю которой в радиальном направлении расположена вторая кольцевая решетка (G2) лопастей (28) с фиксированным углом установки равновеликой радиальной протяженности и тем же количеством лопастей, образующие последовательные каналы распределения путем взаимодействия лопастей (24, 28) двух решеток (G1, G2) в радиальном направлении, отличающийся тем, что каждая лопасть (24) первой решетки (G1) приводится в движение приводными средствами (30, 33, 34), предназначенными для выполнения собственно поворота лопасти (24), отстоящей от центра относительно своей оси вращения (Х′Х).

4. Диффузор по п. 3, в котором каждая лопасть (24) с изменяемым углом установки расположена между двумя чашками (17, 27), размещенными напротив и параллельно одна другой и смещенными от центра относительно общей оси чашек, совпадающей с осью вращения (Х′Х).

5. Диффузор по п. 3, в котором каждая лопасть (24) сочленена с приводным штоком (30), имеющим, по меньшей мере, одно отверстие (30t), в которое введен блокирующий штифт диска (30u), регулирующего осевое положение чашек (17, 27).

6. Диффузор по п. 5, в котором шток (30) жестко соединен с рычагом (33), снабженным сферическим шарниром (37), размещенным в цилиндрическом посадочном месте управляющей коронной шестерни (34), предназначенной для привода во вращение вокруг ведущей оси (Y′Y) рычага (33), выполненного с возможностью скольжения в цилиндрическом посадочном месте (38).

7. Диффузор по п. 6, в котором глубина цилиндрических посадочных мест (38) зависит от хода рычагов (33), при этом ход рычагов зависит от заданного интервала поворота лопастей (24).

8. Диффузор по п. 4, в котором передняя кромка (24с) каждой лопасти (24) с изменяемым углом установки находится вблизи периферий (17с, 27с) чашек (17, 27), при этом расстояние от лопасти (24) до оси вращения (Х′Х) превышает или равно половине радиуса упомянутых чашек.

9. Диффузор по п. 3, в котором неподвижные лопасти (28) второй решетки (G2) имеют профиль передней кромки (Ва), более толстый, чем профиль (24с) лопастей (24) первой решетки (G1).

10. Диффузор по п. 3, в котором углы установки подвижных лопастей (24) составляют от +12 до -5° и соответствуют проходному сечению (Sa, Sc), закрытому соответственно на 50% и на 120% относительно сечения, соответствующего номинальному углу установки при 0°.