КОМПРЕССОР ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ, В ЧАСТНОСТИ, ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СНАБЖЕННЫЙ СИСТЕМОЙ ОТБОРА ВОЗДУХА Российский патент 2015 года по МПК F04D29/68 F04D29/54 F02C9/18 F01D17/00 F04D27/02 

Настоящее изобретение относится к области компрессоров двигателя, в частности турбореактивного двигателя, которые содержат систему отбора воздуха.

Известно, что компрессорная система реактивного двигателя (и, в частности, компрессор высокого давления) является одним из наиболее критических компонентов двигателя. Компрессор турбореактивного двигателя состоит из нескольких последовательных ступеней сжатия, причем каждая ступень содержит решетку с подвижными лопатками (ротор) и решетку с неподвижными лопатками (статор).

В процессе прохода в решетку с неподвижными лопатками воздух подвергается отклонению, вызывающему потерю скорости и повышение давления. В этих условиях аэродинамические потери вызываются трением и называются диффузионными. Следствием этих потерь является снижение кпд компрессора. Вблизи стенок струи потока воздуха эти потери складываются с потерями на трение вдоль стенок и образуют объемные потоки, вызывающие дополнительные повышенные потери.

Кроме того, известно, что в случае турбореактивного летательного аппарата воздух высокого давления обычно отбирается внутри компрессора высокого давления, в основном, для нужд охлаждения или работы различных систем реактивного двигателя или летательного аппарата.

Из патента FR-2166494 известна установка с лопаточными решетками, содержащая, по меньшей мере, одну лопаточную решетку, неподвижную или подвижную, через которую проходит поток текучей среды и которая образована последовательностью лопаток, которые размещены, по меньшей мере, на одной боковой стенке. Каждый проход, образованный двумя последовательными лопатками и боковой стенкой, содержит, по меньшей мере, одну щель для локального всасывания, выполненную в этой боковой стенке и связанную со средствами всасывания, предназначенными для того, чтобы давление на уровне всасывающих щелей имело бы величину того же порядка, что и статическое давление локального потока в рассматриваемом проходе. Кроме того, этот патент FR-2166494 предусматривает перфорированную стенку, расположенную во всасывающей щели удлиненной формы, выполненной напротив прохода между двумя последовательными неподвижными лопатками, в стенке кожуха компрессора, которая служит для ограничения расхода всасывания.

По причине значительного сечения прохода для получения достаточного всасывания такая всасывающая щель имеет, обычно, значительные размеры по сравнению с размерами канала между двумя лопатками. Таким образом, так как градиенты давления в этом канале повышены, происходят рециркуляции или локальные выбросы среды. Эти рециркуляции, которые мешают всасыванию, интерферируют с потоком воздуха и уменьшают преимущества системы отбора. Эта система отбора не является вследствие этого оптимальной, как и соответствующий двигатель.

Кроме того, из документа GB 2407142 известен компрессор, который отбирает воздух на уровне проходов между двумя лопатками через щели, выполненные в стенке, которые являются дискретными.

Заявитель в качестве объекта изобретения предлагает компрессор, который предлагает ограничить снижение производительности, связанное с потерями в зонах стенок неподвижных лопаток.

В соответствии с изобретением компрессор содержит, по меньшей мере, одну решетку с неподвижными лопатками, лопатки которой установлены на стенке и образуют между собой проходы для потока воздуха, а также систему отбора воздуха, которая отбирает воздух на уровне проходов между двумя лопатками через щели, выполненные в упомянутой стенке, при этом упомянутые щели являются дискретными и выполнены в виде множества отверстий, выполненных одно за другим в направлении потока воздуха, и отличается тем, что отверстие каждой щели, находящееся выше по потоку, имеет площадь сечения более значительную, чем площади сечений отверстий щели, находящихся ниже по потоку, а также тем, что количество и сечение отверстий ниже по потоку рассчитываются в зависимости от заданного расхода всасывания.

Техническое решение, предложенное настоящим изобретением, заключается, таким образом, в отборе воздуха на уровне проходов между двумя лопатками с помощью множества отверстий, выполненных одно за другим в направлении потока воздуха и замещающих единственное отверстие. Распределение всасывания на несколько отверстий позволяет эффективно всасывать на уровне каждого из мест отбора (нет инверсии в направлении движения воздуха), мешая рециркуляции, которая происходила бы в единственном отверстии отбора (или всасывания) большого размера.

Настоящее изобретение позволяет, таким образом, ограничить ухудшение производительности компрессора, связанное с потерями в зонах стенок неподвижных лопаток, путем продуманно размещенного места отбора воздуха с малым количеством движения.

Более того, это решение позволяет отбирать то же количество воздуха (которое будет, например, вновь использовано внутри двигателя или направлено в летательный аппарат), что и единственное отверстие, обеспечивая уменьшение вторичных потерь в лопаточном колесе.

Кроме того, отверстие каждой щели, находящееся выше по потоку, функцией которого является предупреждение отрыва (посредством всасывания на входе, обеспечивающего подавление или, во всяком случая, замедление появления отрыва), имеет более значительную площадь сечения, чем площади сечений отверстий щели, находящихся ниже по потоку. Кроме того, предпочтительным образом, это отверстие отцентровано относительно положения, которое расположено сбоку вблизи спинки лопатки, и аксиально от 10% до 30% осевой длины лопатки, начиная от ее входного края.

Функцией отверстий щели, находящихся ниже по потоку, является также уменьшение интенсивности возникшего отрыва за счет удаления текучей среды с низкой энергией.

Всасывание, разделенное, таким образом, на несколько отверстий и отвечающее определенным ниже упомянутым критериям, позволяет, таким образом, обеспечить контроль отрывов в лопаточном колесе.

Кроме того, следует отметить, что упомянутый выше документ GB 2407142, несмотря на то, что он предусматривает последовательные отверстия в направлении потока воздуха, не объясняет, в частности, связь различных характеристик по изобретению между отверстием выше по потоку (большего диаметра) и отверстиями ниже по потоку (количество и размер которых могут быть изменены) с получением различных упомянутых функций (предупреждение отрыва, уменьшение интенсивности).

В соответствии с характеристикой изобретения количество и площади отверстий щели зависят от заданного расхода всасывания (осуществляемого упомянутой системой отбора воздуха). Кроме того, предпочтительно, количество N отверстий щели получают из следующего выражения:

Δβ*(S/C)/(N*D)≤300

в котором:

- Δβ представляет отклонение текучей среды при проходе лопаточных решеток;

- S/C представляет относительный шаг лопаточной решетки; и

- D представляет упомянутый заданный расход всасывания.

В рамках настоящего изобретения отверстия щели для отбора воздуха являются, таким образом, различающимися между собой в зависимости от функции и геометрии.

Кроме того, для улучшения всасывания входное отверстие, по меньшей мере, некоторых упомянутых щелей, выполнено в стенке наклонно в сторону выхода и/или имеет профилированную форму.

Воздух, который отбирается на компрессоре, далее обычным образом реинжектируется в коллектор для охлаждения или вентиляции двигательной системы или питания воздушной системы летательного аппарата, снабженного упомянутым двигателем. Характеристики системы отбора воздуха зависят от конструкции и общей спецификации двигателя.

Кроме того, настоящее изобретение касается также двигателя, в частности двигателя турбореактивного аппарата, который содержит, по меньшей мере, один упомянутый выше компрессор.

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

- фиг. 1А и 1В схематично изображают щель для отбора воздуха, выполненную в стенке, несущей лопатки компрессора соответственно по известному уровню техники и согласно настоящему изобретению;

- фиг. 2 схематично представляет частные признаки предпочтительного варианта осуществления изобретения; и

- фиг. 3 схематично изображает частный вариант выполнения отверстия щели, находящегося выше по потоку, для отбора воздуха.

Настоящее изобретение используется в компрессоре 1 двигателя, в частности турбореактивного двигателя летательного аппарата, который снабжен системой отбора воздуха.

Известно, что компрессор турбореактивного двигателя содержит несколько последовательных ступеней сжатия, при этом каждая ступень образована решеткой с подвижными лопатками (ротором) и решеткой с неподвижными лопатками 2 (статором).

Решетка с неподвижными лопатками 2 (выпрямитель) содержит лопатки 3, которые установлены на стенке 4 и образуют между собой проходы 5 для потока воздуха.

Рассматриваемый в настоящем изобретении компрессор 1 содержит, кроме того, обычную систему отбора воздуха (не изображенную на чертеже), которая отбирает воздух на уровне проходов 5 между двумя лопатками 3 через щели 6, выполненные в упомянутой стенке 4. В предпочтительном варианте осуществления щель 6 предусмотрена в каждом проходе 5 между двумя последовательными лопатками 3.

Фиг. 1А схематично изображает щель 6А, предназначенную для отбора воздуха в соответствии с известным уровнем техники. Эта щель 6А содержит единственное отверстие OA. Это единственное отверстие OA имеет значительную площадь сечения, так что его размеры значительны по сравнению с размерами канала, образованного двумя лопатками 3, между которыми оно расположено. В соответствии с его характеристиками появляются рециркуляции или локальные выбросы текучей среды, которые мешают всасыванию и снижают преимущества системы отбора воздуха и технические характеристики двигателя.

Для устранения этого недостатка компрессор 1 по изобретению содержит щели 6 для отбора воздуха, которые выполнены дискретными в виде множества отверстий O1, O2, …, ON, выполненных одни за другими в направлении Е потока воздуха со стороны спинки вдоль лопатки 3, как изображено на фиг. 1В (для которой N равно 4).

Распределение всасывания по нескольким отверстиям O1-ON (вместо одного единственного отверстия OA) позволяет осуществить эффективное всасывание на уровне каждого из мест отборов (нет инверсии в направлении потока воздуха), мешая рециркуляции, которая возникает в единственном отверстии OA для отбора большого размера.

Настоящее изобретение позволяет, таким образом, ограничить ухудшение производительности компрессора 1, связанное с потерями в зонах стенки лопаток 3 решетки 2 неподвижных лопаток путем продуманного размещения мест отбора воздуха с малым количеством движения.

Кроме того, это решение позволяет отбирать воздух в том же количестве (которое, например, будет вновь использовано в двигателе или направлено в системы летательного аппарата), что и при единственном отверстии OA при обеспечении уменьшения вторичных потерь лопаточной решетки 2.

Также отверстие O1, находящееся выше по потоку, каждой щели 6 в направлении потока воздуха предназначено для предупреждения отрыва путем всасывания на входе, обеспечивающего подавление или, по меньшей мере, задержку появления отрыва, а другие отверстия O2-ON щели 6, называемые отверстиями ниже по потоку, предназначены для уменьшения интенсивности появившегося отрыва путем удаления текучей среды с малой энергией вдоль профиля.

Для этого отверстие O1, находящееся выше по потоку, каждой щели 6 имеет, предпочтительно, более значительную площадь сечения, чем поверхности сечений отверстий O2-ON щели 6, находящихся ниже по потоку, как изображено на фиг. 2.

Более того, предпочтительно, это отверстие O1, находящееся выше по потоку, отцентровано относительно положения, которое расположено сбоку вблизи спинки лопатки 3 и аксиально (то есть по оси компрессора 1) между 10% и 30% аксиальной хорды так, чтобы всасывать единичные точки потока (называемые очагами отрыва). Функцией этого отверстия O1 выше по потоку является обеспечение всасывания части потока, которая порождает отрыв, возникающий на выходе (очаг). По этим причинам это отверстие O1, находящееся выше по потоку, имеет собственные характеристики (фиксированное положение на входе, площадь, превышающая отверстия O2-ON, находящиеся ниже по потоку, и профилированный забор воздуха, как указано ниже).

Обеспечиваемый расход обычно составляет порядка нескольких процентов в соответствии со спецификацией двигателя и функций вентиляции, обеспечиваемой всасываемым воздухом. В качестве примера можно предусмотреть 1% для обеспечения максимальной эффективности всасывания и до 5-6% для максимального отбора на компрессоре 1. Количество и площадь отверстий O2-ON, находящихся ниже по потоку, могут быть изменены в зависимости от расхода, необходимого для обеспечения функций двигателя, как указано ниже.

Форма и расположение отверстий O1, O2, …, ON со стороны спинки вдоль лопатки 3, а также соблюдение критериев дискретизации необходимы для гарантии полной эффективности настоящего изобретения, целью которого является уменьшение дополнительных аэродинамических потерь величиной того же порядка, что и уменьшение потерь, привносимых непрерывной эквивалентной всасывающей щелью.

Отверстия O1, O2, …, ON могут иметь сечения различной формы, в частности кольцевой, прямоугольной и квадратной формы. На примере на фиг. 2 для отверстий прямоугольного сечения:

- si представляет ширину отверстия порядка i; и

- ci представляет длину отверстия порядка i.

Кроме того, в случае кольцевого сечения si=ci=ri, где ri представляет собой радиус отверстия порядка i.

В соответствии с другой характеристикой количество N площадей отверстий O1, O2, …, ON щели 6 зависят от заданного расхода всасывания. Более того, упомянутое число N получают, предпочтительно, из следующего выражения:

Δβ*(S/C)/(N*D)≤300

в котором:

- Δβ представляет собой отклонение текучей среды при проходе решетки 2 лопастей, Δβ=β2-β1, β1 и β2 являются углами, с одной стороны, между осью компрессора 1 и, с другой стороны, основным направлением потока среды соответственно на уровне входного края 3А и выходного края лопатки 3, как изображено на фиг. 2;

- S/C представляет относительный шаг решетки лопаток 2, где S является расстоянием между двумя последовательными лопатками, а С является хордой лопатки 3; и

- D представляет собой заданный упомянутый расход всасывания (обычно от 1% до 5%).

Кроме того, в частном варианте осуществления для исключения или уменьшения завихрений с целью улучшения всасывания отверстие O1, находящееся выше по потоку, щелей 6 имеет при проходе через стенку 4 наклон к выходу или профилированную форму 7 (также имеющую наклон к выходу в направлении Е потока воздуха), как изображено на фиг. 3, где F является всасываемым потоком воздуха.

Воздух, отбираемый на компрессоре 1, далее реинжектируется обычным образом в коллектор (не изображенный на чертеже) для охлаждения или вентиляции системы двигателя или питания воздушной системы летательного аппарата, снабженного упомянутым двигателем. Характеристики системы отбора воздуха зависят от конструкции и общей спецификации двигателя.

Устройство по настоящему изобретению может быть установлено в кожух или в ступицу, в необходимом случае, с удалением ступени с изменяемым углом установки. Оно применимо к любому типу компрессора (низкого давления, высокого давления, гражданского, военного) и для любого типа общей конструкции (турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель, с противовращением, с открытым вентилятором, называемым "open-rotor").

Компрессор (1) турбореактивного двигателя летательного аппарата содержит решетку (2) неподвижных лопаток и систему для отбора воздуха на уровне проходов (5) между двумя лопатками (3) через щели (6), выполненные в упомянутой стенке (4). Лопатки (3) установлены на стенке (4) и образуют между собой проходы (5) для пропускания воздуха. Щели выполнены дискретно в виде множества отверстий (O1, O2, O3, O4), размещенных одно за другим в направлении (Е) потока воздуха. Высшее по потоку отверстие (O1) каждой щели (6) имеет площадь сечения, превышающую площади сечений остальных находящихся ниже по потоку отверстий (O2, O3, O4) щели (6). Количество и сечение отверстий (O2, O3, O4), находящихся ниже по потоку, могут быть изменены в зависимости от заданного расхода всасывания. Техническое решение, предложенное настоящим изобретением, заключается, таким образом, в отборе воздуха на уровне проходов между двумя лопатками с помощью множества отверстий, выполненных одно за другим в направлении потока воздуха и замещающих единственное отверстие. Распределение всасывания на несколько отверстий позволяет исключить рециркуляцию, которая происходила бы в единственном отверстии. Достигается уменьшение вторичных потерь в лопаточном колесе, предупреждение отрывов потока. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Компрессор, содержащий, по меньшей мере, одну решетку (2) с неподвижными лопатками, лопатки (3) которой установлены на стенке (4) и образуют между собой проходы (5) для потока воздуха, и систему отбора воздуха, которая отбирает воздух на уровне проходов (5) между лопатками (3) через щели (6), выполненные в упомянутой стенке (4), при этом упомянутые щели (6) выполнены дискретно в виде множества отверстий (O1, O2, O3, O4), выполненных одно за другим в направлении (Е) потока воздуха, отличающийся тем, что отверстие (O1) каждой щели (6), находящееся выше по потоку, имеет площадь сечения, превышающую площади сечений отверстий (O2, O3, O4) щели (6), находящихся ниже по потоку, а также тем, что количество и сечение отверстий (O2, O3, O4), находящихся ниже по потоку, регулируется в зависимости от заданного расхода всасывания.

2. Компрессор по п. 1, в котором отверстие (O1) каждой щели (6), находящееся выше по потоку, отцентровано относительно положения, которое расположено сбоку вблизи спинки лопатки (3) и аксиально между 10% и 30% осевой длины лопатки (3), от ее входного края (3А).

3. Компрессор по п. 1, в котором количество и площади отверстий (O1, O2, O3, O4) щели (6) зависят от заданного расхода всасывания, осуществляемого упомянутой системой отбора воздуха.

4. Компрессор по п. 3, в котором число N отверстий (O1, O2, O3, O4) щели (6) определяют из выражения:
Δβ*(S/C)/(N*D)≤300
в котором:
- Δβ представляет отклонение текучей среды при проходе решетки (2) лопаток, (°);
- S/C представляет относительный шаг решетки (2) лопаток, где S является расстоянием между двумя последовательными лопатками (3), а С является хордой лопатки (3); и
- D представляет упомянутый заданный расход всасывания, (%).

5. Компрессор по п. 1, в котором отверстие (O1), находящееся выше по потоку, по меньшей мере, некоторых из упомянутых щелей (6), имеет при проходе через стенку форму, наклоненную к выходу.

6. Компрессор по п. 1, в котором отверстие (O1), находящееся выше по потоку, по меньшей мере, некоторых из упомянутых щелей (6) имеет при проходе через стенку (4) профилированную форму (7).

7. Двигатель летательного аппарата, снабженный, по меньшей мере, одним компрессором и одной системой отбора воздуха, отличающийся тем, что он содержит компрессор (1) по п. 1.

8. Двигатель по п. 7, представляющий собой турбореактивный двигатель летательного аппарата.