СПОСОБ РАССЕЯНИЯ СТУПЕНИ СЖАТИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СТУПЕНЬ РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F04D29/44 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу рассеяния потока воздуха в ступени компрессора газотурбинного двигателя, а также к ступени рассеяния, которая может практически реализовывать данный способ.

Область изобретения относится к улучшению рабочих характеристик и предела помпажа центробежных компрессоров и комбинированных центробежно-осевых компрессоров совокупности конструктивных элементов рассеяния рассматриваемой ступени. Задачей данной совокупности конструктивных элементов рассеяния является преобразование кинетической энергии газообразного вещества, создаваемой на выходе центробежного колеса, образующего ступень, в статическое давление. Операция должна протекать с минимальной потерей общего давления, поддерживая при этом устойчивость компрессора, достаточную для удержания допустимого для работы турбомашины предела помпажа.

Центробежный компрессор содержит, по меньшей мере, одну радиальную ступень сжатия, т.е. способную практически реализовывать движение воздуха, перпендикулярно центральной оси компрессора. Комбинированный центробежно-осевой компрессор содержит, по меньшей мере, одну ступень сжатия, установленную под наклоном относительно упомянутой центральной оси.

Совокупность конструктивных элементов рассеяния ступени сжатия состоит из колеса, образованного двумя дисками, между которыми истекает центробежным образом или наклоненным от центра к периферии газообразное вещество. Лопатки размещены между дисками по всей длине колеса. Данные лопатки образуют решетку истечения между передними кромками этих лопаток со стороны центра и задними кромками с внешней стороны.

Известный уровень техники

Диски радиальных и комбинированных совокупностей конструктивных элементов рассеяния обычно являются плоскими, а сечения для пропуска газообразного вещества между лопатками предпочтительно изменяющимися. Изменения сечений для пропуска газа определены пропускным сечением узкого прохода диффузора и уровнем замедления между передней и задней кромками решетки лопаток.

В других конструкциях предусмотрены осесимметричные диски в соединении с изменяющимися трубками тока для дополнительного контроля сечения для пропуска газа и оптимизации, таким образом, рассеяния в решетке.

Такие решения позволяют контролировать только при измерении изменения сечения для пропуска газа. Никакого контроля тангенциальной неоднородности истечения газообразного вещества между двумя лопатками не осуществляется. Однако данный контроль позволяет регулировать и оптимизировать истечение.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на осуществление такого истечения путем установки оптимизированных по форме дисков, поскольку эти диски имеют самую большую площадь, «омываемую» потоком. Таким образом, предложены не осесимметричные формы в направлении движения, тангенциально.

Задачей настоящего изобретения является способ рассеяния потока воздуха в ступени сжатия газотурбинного двигателя, содержащего совокупность конструктивных элементов рассеяния, состоящую из колеса, образованного двумя дисками, между которыми истекает центробежным образом или наклоненным от центра к периферии газообразное вещество. Лопатки решетки размещены между дисками по всей длине колеса для направления движения газообразного вещества между передними кромками этих лопаток со стороны центра и задними кромками со стороны периферии. Согласно данному способу, по меньшей мере, один из дисков содержит, по меньшей мере, одно чередование изогнутых частей, вогнутой и выпуклой, по меньшей мере, в одном из двух по существу перпендикулярных направлений, а именно в направлении движения вдоль лопаток и в межлопаточном тангенциальном направлении.

В этих режимах трехмерная форма струи газообразного вещества позволяет перераспределять и гомогенизировать его движение в этой струе: вторичные истечения, являющиеся генераторами потерь напора, по существу уменьшены. Положение ударных воздействий в околозвуковые лопатки изменено, а их интенсивность ослаблена. Кроме того, аэродинамическая блокировка на входе камеры сгорания, следующей за ступенью сжатия, также существенно уменьшена.

Изобретение также относится к ступени рассеяния радиального или комбинированного центробежно-осевого компрессора газотурбинного двигателя для осуществления данного способа. Такая ступень содержит колесо, образованное двумя дисками, между которыми центробежным образом или наклоненным от центра к периферии истекает газообразное вещество. Лопатки решетки распределены между дисками по всей длине колеса для направления движения газообразного вещества между передними кромками этих лопаток со стороны центра и задними кромками со стороны периферии. По меньшей мере, один из дисков содержит внутреннюю сторону, содержащую, по меньшей мере, одну зону с чередующимися (с выемкой и выпуклостью) изогнутыми частями между двумя соседними лопатками, по меньшей мере, в одном из двух по существу перпендикулярных направлениях, а именно в направлении движения вдоль лопаток и в межлопаточном тангенциальном направлении.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления ступень рассеяния содержит зоны с чередованием (с выемкой и выпуклостью) между лопатками, в частности, по существу до 80% (предпочтительно, по существу до 50%) хорды лопатки, на передней кромке лопаток с началом перед передней кромкой и/или на задней кромке, до задней части задней кромки. Эти зоны с чередованием (с выемкой и выпуклостью) могут использоваться на одном и/или другом из двух центробежных (радиальных) и комбинированных центробежно-осевых дисков рассеяния, в частности, симметрично относительно центральной симметричной плоскости дисков или параллельно в случае, если рассматриваются два диска ступени.

Описание прилагаемых фигур чертежа

Другие характеристики, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются нижеследующим описанием, не имеющего ограничительного характера, приводимым со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, в числе которых:

- фиг.1 изображает вид частичного сечения газотурбинного двигателя, содержащего воздушный диффузор;

- фиг.2a и 2b изображают виды в изометрии ступени рассеяния с лопатками, содержащей один или два диска;

- фиг.3a-3c - схематические виды профилей диска в направлении истечения воздуха вдоль лопатки с двумя зонами чередующейся кривизны соответственно вдоль лопатки на задней кромке до задней части лопатки и на передней кромке от передней части лопатки;

- фиг.4 изображает схематический частичный вид в межлопаточном тангенциальном направлении с диском, содержащим две зоны чередующейся кривизны;

- фиг.5 - межлопаточный схематический вид в изометрии на передней кромке с диском, содержащим зону чередующейся кривизны;

- фиг.6 - схематический вид в изометрии на задней кромке двух лопаток с плоским диском и диском, содержащим зону чередующейся кривизны.

Подробное описание изобретения

Термины «задний» и «передний» означают расположение относительно истечения потока воздуха. На всех фигурах чертежа одинаковые цифровые позиции делают ссылки на абзацы описания, в которых определены конструктивные элементы, соответствующие данным цифровым позициям.

Как это показано на схематическом виде частичного разреза газотурбинного двигателя 1 вертолета, представленном на фиг.1, поток воздуха F вначале засасывается в канал забора приточного воздуха 2, затем сжимается между лопастями 3 крыльчатки 4 центробежного компрессора 5 и крышкой 10. Турбина имеет осевую симметрию вокруг оси X′X.

В данном случае компрессор 5 является центробежным, а сжатый поток F, таким образом, радиально истекающим из крыльчатки 4. Когда компрессор является комбинированным центробежно-осевым, то поток истекает наклоненным под углом, составляющим от 0° до 90°, относительно радиального направления, перпендикулярно оси X′X.

Таким образом, поток F проходит через диффузор или колесо 6, расположенное на выходе из компрессора 4, для спрямления и направления к входным каналам 7 камеры сгорания 8.

Для осуществления данного спрямления колесо 6 состоит из множества изогнутых лопаток 60, установленных между двумя дисками 9 по окружности крыльчатки 4 (в данном случае радиально) и, таким образом, вращающимися вокруг оси X′X.

На фиг.2 более точно изображен вид в изометрии диффузора 6 с лопатками 60, жестко соединенными с двумя дисками 9. Как это показано на фиг.2a, на которой один диск удален для большей наглядности, каждая лопатка 60, как это известно, содержит сторону 6е, так называемую спинку, и сторону 6i, так называемое корытце. В представленном примере, данные стороны соединены сужающейся передней кромкой 6a и скругленной задней кромкой 6f в направлении движения потока воздуха. В поперечных спинкам и корытцам направлениях каждая лопатка 60 содержит плоские боковые поверхности 6p, жестко соединенные с дисками 9.

Диски 9, показанные на фиг.2a и 2b, как правило, плоские. Согласно изобретению, по меньшей мере, один из этих дисков 9 содержит в пространстве E, которое определено между ними, по меньшей мере, одну зону чередующейся кривизны между двумя лопатками 60.

На фиг.3a такой диск 9 изображен сбоку в направлении истечения потока воздуха F вдоль лопаток 60 от входа на переднюю кромку 6a лопатки до канала 7 выхода к камере сгорания. Две зоны чередующейся кривизны Z1 и Z2 выполнены в диске 9, вдоль лопаток 60. Каждая из этих зон, со стороны потока F и относительно участка плоской стороны 9p диска 9, содержит участок с выемкой 91 и выпуклый участок 92. В представленном примере, не имеющем ограничительного характера, зоны Z1 и Z2 в целом вытянуты приблизительно на 80% длины хорды 6c лопаток 60.

Как это показано на фигурах, диск 9 имеет очень небольшую толщину для упрощения конструктивного оформления, но в действительности он обладает определенной толщиной, и зоны чередующейся кривизны образованы на внутренней стороне 9i диска, где истекает поток воздуха F. Внешняя сторона 9e диска 9 может оставаться плоской или также повторять формы чередующейся кривизны - выпуклой и с выемкой, обратные в данном примере форме с выемкой и выпуклостью внутренней стороны 9i. В первом случае диск имеет изменяемую толщину, а во втором случае толщина является постоянной. Форма дисков может зависеть, в частности, от метода, используемого для осуществления зон чередующейся кривизны: путем фрезерования, электроэрозионной обработки, формования, штамповки, посредством лазера и т.д.

Как это показано на фиг.3b и 3c, две зоны чередующейся кривизны Z1 и Z2 образованы соответственно на задней кромке 6f лопаток 60 и до задней части лопаток при входе канала 7 и/или на передней кромке 6a от переднего входа лопаток 60.

Фиг.4 изображает схематический частичный вид ступени рассеяния в межлопаточном «тангенциальном направлении» 6t, т.е. между двумя лопатками 60. Стрелка F показывает направление истечения воздуха. Внутренняя сторона 9i диска 9 содержит две зоны чередующейся кривизны Z1 и Z2, которые выполнены в основном между внутренней 6i и внешней 6e поверхностями двух лопаток 60.

Представленный на фиг.5 межлопаточный вид в изометрии со стороны передней кромки изображает, в частности, диск 9 с зоной чередующейся кривизны Z1 между двумя лопатками 60. Зона содержит участок кривизны с выемкой 91 на корытце 6i лопатки 60 и участок с выпуклостью 92 на спинке 6e другой лопатки 60. Данное чередование кривизны позволяет обеспечить выравнивание давлений между корытцем и спинкой каждой лопатки 60. Сечение узкого прохода 6s между передними кромками 6a выдержано.

На задних кромках 6f гомогенизация движения потока воздуха F изображена в перспективе на фиг.6. С плоским диском 90 (на фиг. изображен заштрихованным) между двумя лопатками 60 аэродинамическая блокировка образуется в зоне Z0 с очень небольшим количеством движения. В данной конфигурации на основе известного уровня техники движение первичного воздуха (стрелка F) происходит с очень большим числом Маха. В отличие от этого, с диском 9 с чередующейся кривизной, согласно изобретению, зона аэродинамической блокировки устранена, а движение воздуха F гомогенизировано, занимая все предоставленное пропускное сечение, с меньшим числом Маха.

Изобретение не ограничивается примерами практической реализации, которые были описаны и изображены. Таким образом, в представленных примерах изогнутые части чередуются в направлении истечения газообразного вещества F, но также и в тангенциальном направлении 6t. В других вариантах зоны чередующейся кривизны могут располагаться рядом таким образом, что участки поверхности с одинаковой кривизной, с выемкой или выпуклостью, могут граничить друг с другом.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в центробежных компрессорах. Изобретение направлено на осуществление истечения воздуха путем установки диска, имеющего оптимизированную форму. Таким образом, предложены не осесимметричные формы в направлении истечения и в тангенциальном направлении. Согласно варианту осуществления ступень рассеяния радиального или комбинированного центробежно-осевого компрессора газотурбинного двигателя содержит колесо, образованное двумя дисками (9), между которыми центробежным образом или наклоненным от центра к периферии истекает газообразное вещество. Лопатки (60) решетки размещены между дисками (9) для направления движения газообразного вещества между передними кромками (6a) этих лопаток (60) со стороны центра и задними кромками со стороны периферии. По меньшей мере, один из дисков (9) содержит внутреннюю сторону (9i), содержащую, по меньшей мере, зону (ZI, Z2) с чередующейся кривизной, с выемкой (91) и выпуклостью (92), между двумя соседними лопатками (60), по меньшей мере, в одном из двух по существу перпендикулярных направлениях, а именно в направлении истечения (F) вдоль лопаток (60) и в межлопаточном тангенциальном направлении. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ рассеяния истечения воздуха (F) в ступени сжатия (5) газотурбинного двигателя (1), содержащего совокупность конструктивных элементов рассеяния, образованных колесом (6), образованным двумя дисками (9), между которыми центробежным образом или наклоненным от центра к периферии истекает газообразное вещество; причем лопатки (60) решетки размещают между дисками (9) по всей длине колеса (6) для направления истечения газообразного вещества между передними кромками (6а) данных лопаток (6) со стороны центра и задними кромками (6f) со стороны периферии, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из дисков (9) снабжают, по меньшей мере, одной совокупностью чередующихся изогнутых частей, вогнутых (91) и выпуклых (92), в направлении истечения (F) вдоль лопаток (6).

2. Способ по п.1, согласно которому, по меньшей мере, один из дисков (9) также снабжают, по меньшей мере, одной совокупностью чередующихся изогнутых частей, вогнутых (91) и выпуклых (92), в межлопаточном тангенциальном направлении (6t), по существу перпендикулярном направлению истечения (F) вдоль лопаток (6).

3. Ступень рассеяния радиального или комбинированного центробежно-осевого компрессоров газотурбинного двигателя для осуществления способа по п.1, содержащая колесо (6), образованное двумя дисками (9), между которыми центробежным образом или наклоненным от центра к периферии истекает газообразное вещество; причем лопатки (60) решетки размещены между дисками (9) по всей длине колеса (6) для направления истечения газообразного вещества между передними кромками (6а) данных лопаток (60) со стороны центра и задними кромками (6f) со стороны периферии, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из дисков (9) содержит внутреннюю сторону (91), содержащую, по меньшей мере, одну зону (Z1, Z2) чередующейся кривизны, с выемкой (91) и выпуклостью (92), между двумя соседними лопатками (60).

4. Ступень рассеяния по п.3, в которой, по меньшей мере, один из дисков (9) содержит внутреннюю сторону (91), также содержащую, по меньшей мере, одну зону (Z1, Z2) чередующейся кривизны, с выемкой (91) и выпуклостью (92), между двумя соседними лопатками (60) в межлопаточном тангенциальном направлении (6t).

5. Ступень рассеяния по п.3, отличающаяся тем, что содержит чередующиеся зоны (Z1, Z2) с выемкой (91) и выпуклостью (92) между лопатками, в частности, по существу до 80%, предпочтительно до 50%, хорды (6c) лопатки (60).

6. Ступень рассеяния по п.4, отличающаяся тем, что содержит зоны с выемкой и выпуклостью (Z1, Z2) на передней кромке (6а) лопаток (60) с началом в передней части передней кромки (6а).

7. Ступень рассеяния по п.4, отличающаяся тем, что содержит зоны с выемкой и выпуклостью (Z1, Z2) на задней кромке (6f) лопаток (60) до задней части задней кромки (6f).

8. Ступень рассеяния по п.4, в которой данные чередующиеся зоны с выемкой и выпуклостью (Z1, Z2) применяются на одном и/или другом из двух дисков (9) центробежного или комбинированного рассеяния.

9. Ступень рассеяния по предшествующему пункту, в которой данные чередующиеся зоны (Z1, Z2) применяются на дисках (9) симметрично относительно плоскости центральной симметрии дисков (9) или параллельно.