УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ КОЖУХ ДЛЯ БЛИСКА ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА, ОБОРУДОВАННАЯ ТАКИМ КОЖУХОМ Российский патент 2017 года по МПК F04D29/66 F04D29/52 

Область техники

Изобретение относится к области турбомашин, обеспечивающих приведение в движение авиационных двигателей.

В частности, оно относится к кожухам для блиска таких турбомашин.

Уровень техники

Приведение в движение гражданских транспортных самолетов должно отвечать двум иногда противоречивым условиям:

- во-первых, обеспечение хорошей аэродинамической характеристики при полете,

- и соблюдение строгих и жестких акустических сертификационных стандартов на этапах взлета и посадки.

Это последнее условие включает нахождение решений для уменьшения шума, создаваемого воздушным судном при взлете и посадке. Основной компонент общего шума, создаваемого турбомашиной воздушного судна, возникает из-за существования завихрений, возникающих в вентиляторе турбомашины. Эти завихрения возникают из-за зазора между кожухом вентилятора и радиально внешними концами лопаток вентилятора, что делает поток воздуха турбулентным в этой точке.

Вследствие этого, задачей является разработка турбомашин, чьи кожух и вентилятор, содержащий блиск, выполнены с возможностью минимизации шума, создаваемого вентилятором, особенно во время этапов взлета и посадки, без снижения аэродинамической характеристики при полете.

В связи с этим были разработаны кожухи, чья внутренняя поверхность, расположенная противоположно подвижным лопаткам, преобразована с возможностью уменьшения турбулентности от потока и в связи с этим шума, возникающего в результате этой турбулентности.

Модификации поверхности кожуха, направленные на уменьшение шума взаимодействия лопаток вентилятора с кожухом, были предложены, например, в документах FR 2929349 и FR 2940374.

В FR 2940374 предлагается кожух блиска, содержащий полости, размещенные противоположно лопаткам. Определение размеров и расположение полостей относительно лопаток выполнены, в частности, в этом документе с возможностью обеспечения усовершенствованных аэродинамических характеристик и сниженного шума.

В FR 2929349 предлагается кожух блиска, содержащий на его внутренней поверхности множество периферийных канавок (вращательно-симметричных канавок относительно оси кожуха). Также площадь поперечного сечения этих канавок уменьшается от первой канавки, расположенной перед кожухом, по направлению к последней канавке, расположенной относительно дальше по потоку.

В документе US 2011/0311354 полость, выполненная в кожухе, соединяет множество щелей.

В документе EP 0754864 текучая среда высокого давления вводится в полость, соединяющую множество щелей, для создания потока, противоположного потоку в турбомашине. В связи с этим получаемые щели и полость не отбирают поток воздуха в турбомашине для уменьшения турбулентного потока.

Модификации внутренней поверхности кожуха по расположению канавок в указанной внутренней поверхности уже доказали свою полезность. Однако путем исследований численного моделирования потока в этих канавках, независимых относительно друг друга, было отмечено, что они не все способствуют таким же образом получаемому аэродинамическому выигрышу.

В частности, канавки, расположенные ниже всех по потоку от кожуха, позволяют только низкие аэродинамические выигрыши относительно расположенных выше по потоку канавок.

Например, очевидно, что аэродинамический выигрыш, отмеченный на кожухе, содержащем четыре последовательных канавки, по существу равен выигрышу, полученному на кожухе, содержащем только три последовательных канавки.

В связи с этим имеется необходимость дополнительно улучшать аэродинамический выигрыш путем модификации поверхности кожуха или путем обработки кожуха для повышения акустических характеристик вентилятора и повышения вклада в аэродинамический выигрыш щелей, расположенных ниже по потоку.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных проблем путем создания кожуха блиска, показывающего аэродинамические характеристики, улучшенные относительно известного уровня техники.

В связи с этим задачей изобретения является создание кожуха для блиска турбомашины, содержащего внутреннее покрытие из истираемого материала и множество периферийных щелей, расположенных в указанном покрытии, причем указанный кожух также содержит периферийную полость, выполненную в покрытии из истираемого материала, при этом указанные щели оканчиваются в указанной полости и проходят между указанной полостью и внутренней поверхностью кожуха.

Предпочтительно, но не обязательно, изобретение также может содержать по меньшей мере один из следующих признаков:

покрытие из истираемого материала имеет толщину от 20 до 25 мм, полость имеет в этой толщине высоту от 5 до 10 мм;

полость проходит в покрытие из истираемого материала, смещаясь выше по потоку относительно щели, расположенной выше всех на указанном кожухе, и количество щелей составляет от 4 до 8;

в толщине покрытия из истираемого материала каждая щель имеет высоту от 10 до 15 мм;

каждая щель имеет ширину от 2 до 6 мм;

расстояние между двумя последовательными щелями составляет от 0,5 до 3 мм;

каждая из щелей проходит в плоскости, образующей угол от 70 до 110°.

Другой задачей изобретения является создание турбомашины, содержащей блиск и вышеописанный кожух блиска.

Предпочтительно, но не обязательно, турбомашина согласно изобретению также может содержать по меньшей мере один из следующих признаков:

полость кожуха расположена противоположно радиально внешнему концу лопаток колеса, смещаясь выше по потоку относительно переднего края лопаток на расстояние от 2 до 10 мм;

щель, расположенная выше всех по потоку в кожухе, смещена выше по потоку относительно переднего края лопаток на расстояние от 1,5 до 3,5 мм.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут выяснены из следующего далее описания, которое является чисто иллюстративным, а не ограничивающим, и которое должно быть рассмотрено в связи с приложенными чертежами, на которых:

Фиг. 1 - вид в аксиальном сечении турбомашины, содержащей подвижный блиск и кожух согласно изобретению; и

Фиг. 2 - иллюстрация линий потока внутри полости, выполненной в кожухе турбомашины.

Подробное описание вариантов выполнения изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует кожух 10 блиска 20 турбомашины 1. Блиск 20, расположенный внутри кожуха 10, представляет собой вентилятор турбомашины. Он содержит множество лопаток 21, установленных с возможностью вращения вокруг оси X-X вращения вентилятора.

Каждая лопатка 21 имеет передний край 22, задний край 23 и радиально внешний конец 24, противоположный внутренней поверхности 15 кожуха. В связи с этим этот конец 24 вынужден перемещаться на большой скорости вблизи внутренней поверхности 15 неподвижного кожуха 10, вызывая турбулентный поток воздуха в этой точке, причем турбулентный поток воздуха является источником раздражающего звука.

Общее направление потока воздуха в турбомашине 1 показано стрелкой F, который по существу параллелен оси X-X вращения вентилятора 20 и перемещается от переднего края по направлению к заднему краю каждой лопатки. Далее «выше» и «ниже» (по потоку) используются для описания размещения элементов кожуха и берутся относительно направления потока воздуха.

Кожух 10, установленный неподвижно вокруг блиска 20, представляет собой элемент вращения вокруг оси кожуха, которая соединяется с осью X-X вращения блиска 20. Ось вращения X-X далее также называется осью кожуха.

Кожух 10 содержит внутреннее покрытие 11, изготовленное из истираемого материала, причем поверхность покрытия образует внутреннюю поверхность 15 кожуха 10. Это покрытие имеет толщину h₁, измеряемую радиально относительно оси вращения X-X, от 20 до 25 мм.

В покрытии 11 из истираемого материала и противоположно радиально внешнему концу 24 лопаток 21 находится множество щелей 12. Эти щели 12 являются периферийными, то есть они имеют круглое поперечное сечение в плоскости P, ортогональной оси X-X кожуха, и окружают кожух в этой плоскости.

В покрытии 11 из истираемого материала имеется также периферийная полость 13, окружающая щели 12 так, что щели 12 продолжаются между полостью 13 и внутренней поверхностью 15 кожуха 10. Полость 13 также противоположна радиально внешнему концу 24 лопаток 21.

Также щели 12 оканчиваются в полости 13, позволяя некоторому потоку F воздуха проникать внутрь полости 13 через некоторые щели и выходить из нее в другие щели. Предпочтительно, все щели 12 оканчиваются в полости 13.

Промежутки 14 между щелями 12 образованы из такого же материала 11, что и покрытие из истираемого материала 11. Они могут быть соединены вместе и с указанным покрытием 11 предохранительными скобами (не показаны на чертежах) для обеспечения удержания вместе узла.

Фиг. 2 иллюстрирует линии потока воздуха на уровне полости 13. Эти линии потока показывают роль щелей, расположенных выше по потоку в кожухе относительно потока воздуха, которые отбирают завихрения, связанные с зазором между лопатками 21 и кожухом 10, а также с граничным слоем потока, причем эти два элемента являются вредными с аэродинамической точки зрения.

Линии потока также показывают, что щели, расположенные после кожуха 10 относительно потока воздуха, служат для рециркуляции потока воздуха менее турбулентно в потоке в вентиляторе 20.

Таким образом, полость 13 увеличивает аэродинамический выигрыш каждой щели, особенно давая определенную роль щелям, расположенным ниже всех по потоку, как и обратную закачку потока в поток вентилятора. Этот аэродинамический выигрыш сопровождается уменьшением шума, создаваемого турбулентным потоком.

На Фиг. 1 параметры щелей 12 и полости 13 были приспособлены для оптимизации аэродинамического выигрыша.

Полость 13 в толщине покрытия 11 истираемого материала имеет высоту h₂, измеряемую радиально относительно оси X-X.

В толщине покрытия 11, изготовленного из истираемого материала, щели 12 по существу имеют высоту h₃, измеряемую радиально относительно оси X-X.

Так что щели и полость расположены в покрытии из истираемого материала 11, их совокупная высота h₂+h₃ должна быть менее толщины h₁ указанного покрытия 11. Для покрытия толщиной от 20 до 25 мм совокупная высота щелей и полости должна быть менее или равна 15-20 мм.

Предпочтительно, высота h₃ полости 13 составляет от 5 до 10 мм. Полость, имеющая большой объем, позволяет больший отбор завихрений, но ухудшает рециркуляцию потока в вентиляторе 20. Вследствие этого должен быть найден компромисс по объему полости и в связи с этим по ее высоте. Предпочтительно, этот компромисс достигается для высоты h₂ порядка 6 мм.

Также высота h₃ щелей 12 предпочтительно составляет от 10 до 15 мм и предпочтительно порядка 12 мм.

Также, как видно из фиг. 1, полость 13 смещена выше по потоку относительно первой щели 12, которая расположена выше всех по потоку в кожухе 10. К тому же полость 13 не должна быть на одном уровне с наиболее близкой по потоку щелью 12, ближний конец полости не должен быть только под этой щелью 12, так как в этом случае линии потока этой щели будут резко разветвляться в полости, вызывая хаотичную циркуляцию в этой полости.

Предпочтительно, полость 13 смещена на 2-5 мм относительно ближнего конца первой щели 12.

Полость 13 также может иметь смещение dʹ относительно последней щели 12, которая является щелью, расположенной ниже всех по потоку в кожухе 10.

Что касается количества щелей 12, оно предпочтительно составляет от 4 до 8 и более предпочтительно равно 6.

К тому же, большое количество щелей (обычно больше 4) позволяет увеличение отбора завихрений, а затем лучшую обратную закачку потока, отбираемого в потоке воздуха, в вентиляторе 20. Однако количество щелей свыше 8 вызывает эффект избыточного давления во время обратной закачки потока в вентиляторе, что ухудшает аэродинамические характеристики.

В связи с этим количество щелей от 4 до 8 и предпочтительно равное 6 соответствует оптимальному компромиссу между этими двумя явлениями.

На Фиг. 1 двойная стрелка I показывает ширину щели 12. Ширина I предпочтительно одинакова для всех щелей 12 и имеет значение от 2 до 6 мм. Например, эта ширина I равна 3,5 мм.

Фиг. 1 также показывает с помощью двойной стрелки ε ширину промежутка 14, т.е. расстояние между двумя последовательными щелями. Это расстояние предпочтительно является постоянным для всех промежутков 14 и имеет значение от 0,5 мм до 3 мм. Предпочтительно, расстояние может быть равно 1,5 мм.

Также щели 12 проходят предпочтительно, но не ограничивающим образом, в плоскости, образующей угол от 70° до 110° относительно оси кожуха. Предпочтительно, щели проходят в плоскости, ортогональной указанной оси. Фиг. 1 показывает плоскость P, ортогональную оси кожуха, и угол α, образованный между плоскостью P и этой осью.

Параметры относительно щелей, которыми являются высота h₃, ширина I, расстояние ε между двумя последовательными щелями и угол α этих щелей, выбираются для обеспечения хорошего отбора завихрений в потоке воздуха вентилятора и хорошей циркуляции текучей среды в полости 13.

Что касается взаимного расположения щелей 12 и лопаток 21 блиска 20, самая верхняя по потоку щель 12 в кожухе 10 предпочтительно смещена выше по потоку относительно переднего края 22 лопаток на расстояние η от 1,5 до 3,5 мм, причем это расстояние берется между серединой щели в направлении оси X-X и передним краем 22 лопатки 21. Это смещение позволяет лучший отбор завихрений, создаваемых концом 24 лопатки 21.

Наконец, так как полость 13 смещена выше по потоку относительно первой щели 12, она в связи с этим смещена выше по потоку относительно переднего края 22 лопатки 21. Смещение D, показанное на Фиг. 1, между ближним концом полости в направлении оси X-X и передним краем 22 лопатки 21 имеет значение предпочтительно от 2 до 10 мм и предпочтительно равно 6 мм.

Наличие полости 13, также называемой полостью рециркуляции, приносит улучшение в аэродинамическом и акустическом уровне путем уменьшения турбулентной интенсивности потока воздуха вблизи внутренней поверхности кожуха.

Шум, исходящий от зазора и взаимодействия между кожухом и лопатками, уменьшен, и вклад каждой щели для уменьшения этого шума, расположенной как выше, так и ниже по потоку от кожуха, увеличен.

Изобретение относится к кожуху (10) для блиска (20) турбомашины (1), содержащему внутреннее покрытие (11), изготовленное из истираемого материала, и множество периферийных щелей (12), расположенных в указанном покрытии (11) из истираемого материала, причем кожух дополнительно содержит периферийную полость (13), образованную в покрытии (11) из истираемого материала, полость, в которую ведут щели (12), при этом щели (12) ведут в полость (13) и проходят между полостью (13) и внутренней поверхностью (15) кожуха (10). Изобретение также относится к турбомашине, содержащей такой кожух и блиск. Достигается улучшение в аэродинамическом и акустическом уровне путем уменьшения турбулентной интенсивности потока воздуха вблизи внутренней поверхности кожуха. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Кожух (10) для блиска (20) турбомашины (1), содержащий внутреннее покрытие (11), изготовленное из истираемого материала, и множество периферийных щелей (12), расположенных в покрытии (11) из истираемого материала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит периферийную полость (13), выполненную в покрытии (11) из истираемого материала, в которой оканчиваются щели (12), причем щели (12) оканчиваются в полости (13) и проходят между полостью (13) и внутренней поверхностью (15) кожуха (10), так что часть потока воздуха вблизи внутренней поверхности (15) кожуха проникает внутрь полости (13) через одни щели и выходит из нее через другие щели, при этом полость (13) проходит в покрытие (11) из истираемого материала, смещаясь выше по потоку относительно щели (12), расположенной выше всех по потоку на кожухе (10).

2. Кожух (10) по п.1, отличающийся тем, что покрытие (11) из истираемого материала имеет толщину (h₁) от 20 до 25 мм, и полость (13) имеет в этой толщине (h₁) высоту (h₂) от 5 до 10 мм.

3. Кожух (10) по п.1, отличающийся тем, что количество щелей (12) составляет от 4 до 8.

4. Кожух (10) по п.1, отличающийся тем, что каждая щель (12) в толщине (h₁) покрытия (11) из истираемого материала имеет высоту (h₃) от 10 до 15 мм.

5. Кожух (10) по п.1, отличающийся тем, что каждая щель (12) имеет ширину (I) от 2 до 6 мм.

6. Кожух (10) по п.1, отличающийся тем, что расстояние (ε) между двумя последовательными щелями (12) составляет от 0,5 до 3 мм.

7. Кожух (10) по п.1, отличающийся тем, что каждая из щелей (12) проходит в плоскости, образующей угол (α) с осью (X-X) кожуха (10) от 70° до 110°.

8. Турбомашина (1), отличающаяся тем, что она содержит блиск (20) и кожух (10) блиска (20) по любому из предыдущих пунктов.

9. Турбомашина (1) по п.8, отличающаяся тем, что полость (13) кожуха (10) расположена противоположно радиально внешнему концу (24) лопаток (21) блиска (20), смещаясь выше по потоку относительно переднего края (22) лопаток (21) на расстояние (D) от 2 до 10 мм.

10. Турбомашина (1) по п.8, отличающаяся тем, что щель (12), расположенная выше всех по потоку в кожухе (10), смещена выше по потоку относительно переднего края (22) лопаток (21) на расстояние (η) от 1,5 до 3,5 мм.