КОРПУС КОМПРЕССОРА С ПОЛОСТЯМИ, ИМЕЮЩИМИ ОПТИМИЗИРОВАННУЮ ВЫШЕ ПО ПОТОКУ ФОРМУ Российский патент 2017 года по МПК F04D27/02 F04D29/68 F04D29/52 

Предлагаемое изобретение относится к области силовых установок, в частности к области аксиальных или аксиально-центробежных компрессоров для силовой установки (турбореактивного или турбовинтового двигателя, называемого в дальнейшем описании турбомашиной) и, точнее, к компрессорам высокого давления, работающим под большой нагрузкой.

Авиационные турбомашины состоят, основным образом, из нескольких компрессоров, в которых всасываемый воздухозаборником воздух сжимается из камеры сгорания, в которой впрыскиваемое топливо сжигается, затем из турбины, в которой отработавшие газы расширяются, чтобы привести в действие компрессор или компрессоры, и, наконец, из выхлопного устройства. Авиационные компрессоры состоят из лопаток или лопастей, которые движутся во вращении внутри корпуса, который обеспечивает герметичность газовоздушного тракта относительно внешней среды двигателя. Известно, что зазор, существующий между концами подвижных лопаток компрессора и корпусом, образующий внутреннюю стенку выпускного газовоздушного тракта, уменьшает кпд газотурбинного двигателя. Кроме того, этот зазор может существенно изменить и ухудшить функционирование компрессора, вплоть до возникновения явления «помпажа», которое образуется в результате срыва воздушного потока с поверхности лопаток. Контроль за циркуляцией воздуха на конце лопаток, является, таким образом, залогом возможности получить одновременно высокий аэродинамический кпд компрессора и достаточный запас устойчивости в отношении помпажа.

Метод, разработанный с целью ограничения воздействия этого паразитного потока между концом лопатки и корпусом, состоит в том, чтобы в стенке корпуса на уровне пути прохода лопаток выполнить полости. Эти полости позиционируют напротив лопатки или предпочтительно с аксиальным смещением по потоку к двигателю, с целью повторного впрыскивания воздуха, циркулирующего в зазоре между лопаткой и корпусом, в проточный тракт перед упомянутой лопаткой. Пример такого осуществления представлен в заявке на патент, которая была опубликована Заявителем под номером FR 2940374.

Улучшение, внесенное этим решением, проистекает лишь из оптимизации осевого положения полостей, в то время как исследование в плане оптимизации других параметров этих полостей должно быть продолжено с целью дальнейшего улучшения аэродинамического кпд и/или запаса устойчивости в отношении помпажа в существующих компрессорах.

Следовательно, задача заявляемого изобретения состоит в разработке корпуса компрессора, снабженного полостями с улучшенными аэродинамическими параметрами.

Поэтому предметом изобретения является корпус для компрессора турбомашины, содержащий не сообщающиеся друг с другом полости, вырезанные в толще указанного корпуса на уровне его внутренней поверхности и расположенные параллельно относительно друг друга по окружности указанного корпуса, причем указанные полости имеют удлиненную форму, простирающуюся в основном направлении ориентации между двумя боковыми стенками, и замыкаются соответственно выше по потоку и ниже по потоку, передней и задней стороной, пересечения которых с внутренней поверхностью корпуса образуют соответственно входную границу и выходную границу. Согласно изобретению входная граница этих полостей имеет форму волнистой линии, содержащей по меньшей мере два чередования по ее длине, заключенной между указанными боковыми стенками.

Присутствие волнистой линии способствует смешению повторно впрыскиваемого воздуха с основным воздушным потоком и таким образом улучшает кпд и/или запас устойчивости по помпажу соответствующей ступени компрессора, использующего этот корпус.

Предпочтительно, указанные боковые стенки сходятся друг с другом в направлении снизу вверх по потоку. Эта конфигурация позволяет ускорить воздух, который циркулирует между лопаткой и корпусом, и улучшает его повторную подачу в проточный тракт, что выражается, в свою очередь, в улучшении кпд и/или запаса устойчивости по помпажу соответствующей ступени.

В особом варианте осуществления, волнистая линия представляет собой изломанную линию в форме зигзага, состоящую из сегментов, которые образуют между ними чередующиеся углы, соответственно выступающие наружу и входящие внутрь.

Предпочтительно, передняя сторона указанных полостей образована последовательным рядом зубьев, простирающихся радиально между входной границей и дном полости и аксиально чередуясь выше и ниже по потоку указанной полости.

Преимущественно, задняя сторона имеет выпуклую форму. Это благоприятствует всасыванию воздуха за полостью.

В особом варианте осуществления, полости равномерно распределены по окружности корпуса.

В альтернативном варианте осуществления, полости распределены неравномерно по окружности корпуса.

Изобретение относится также к компрессору для турбомашины, содержащему корпус, как он описан выше, и к турбомашине, которая содержит такой корпус.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительного варианта его осуществления, приводимым со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид в разрезе ступени компрессора, корпус которого имеет полость для рециркуляции воздуха, циркулирующего между лопаткой и корпусом;

Фиг. 2 – схематичный вид сверху лопатки ротора и корпуса согласно уровню техники;

Фиг. 3 - схематичный вид сверху лопатки ротора и корпуса согласно варианту исполнения изобретения;

Фиг. 4 – схематичный вид выреза полости в корпусе согласно изобретению; и

Фиг. 5 – вид в изометрии полостей, вырезанных в корпусе согласно изобретению.

На Фиг. 1 показана ступень компрессора, которая содержит лопатку статора или неподвижную лопатку 2, установленную выше по потоку относительно лопатки ротора, или подвижной лопатки 1, закрепленной на диске 3 (или выполненной заодно с этим диском согласно технологии так называемого моноблочного лопаточного диска). Неподвижные лопатки удерживаются на месте креплением на корпусе компрессора 4, который окружает подвижные лопатки 1, оставляя между ним и лопатками заданный зазор.

Корпус 4 содержит несколько вырезанных на уровне его внутренней поверхности не сообщающихся между собой полостей 5, которые равномерно распределены по его окружности напротив пути прохода подвижных лопаток 1. Эти полости имеют в целом форму прямоугольного параллелепипеда, который радиально входит в корпус и имеет, в сечении по осевой плоскости, форму прямоугольника с округленными углами. Их форма, в сечении по касательной плоскости к окружности корпуса 4, представляет собой по существу форму удлиненного прямоугольника, который простирается по двум большим сторонам и, выше и ниже по потоку, содержит две меньшие стороны, которые образуют так называемые входную 7 и выходную 6 границы. Следует заметить, что в исполнении согласно уровню техники эти две границы в классическом варианте являются отрезками прямой.

Как можно видеть на Фиг. 1, полости 5 смещены по потоку к двигателю относительно передней кромки 11 подвижной лопатки 1, длина которой выходит по потоку за границу 7 полости 5 относительно передней кромки лопаток, тем не менее, она ограничена пространством, имеющимся между колесом подвижных лопаток 1 и колесом неподвижных лопаток 2. Вследствие имплантации этих полостей паразитный воздушный поток отсасывается на известный процент длины хорды подвижной лопатки и повторно впрыскивается в проточный тракт перед лопаткой. Эта конфигурация обеспечивает рециркуляцию воздуха, который протекает в зазоре между лопаткой 1 и корпусом 4; этот зазор может быть фактически местом сильных турбулентностей, возмущающих конфигурацию течения между различными ступенями и, следовательно, которые могут привести к ухудшению параметров компрессора или, в крайнем случае, вызвать явление так называемого «помпажа» или «срыва потока». Такое явление отличается мгновенным падением степени сжатия и временной инверсией расхода воздуха, проходящего через компрессор, который в этом случае выходит с входной по потоку стороны компрессора.

Далее, на Фиг. 2 и 3 показано положение по окружности ряда полостей 5, расположенных вдоль корпуса 4, соответственно, согласно уровню техники и согласно изобретению. Число полостей значительно превышает число лопаток 1, составляющих подвижное колесо ступени компрессора. Их число превышает практически от двух до четырех раз число подвижных лопаток 1. Распределение полостей по окружности, как показано на чертежах, представляет собой равномерное расположение; впрочем, уже предложено сделать это расположение неравномерным, чтобы устранить (casser) аэродинамическое возбуждение на лопаточных аппаратах, которое могли бы вызвать эти полости, в частности на концах каждой из двух образующих корпус половинок.

На Фиг. 2, представляющей уровень техники, вырез, который образуют полости 5 при пересечении с внутренней поверхностью корпуса 4, имеет по существу прямоугольную форму с двумя большими по существу параллельными сторонами. Наоборот, на Фиг. 3, представляющей форму реализации согласно изобретению, вырез полостей имеет трапецеидальную форму, с двумя меньшими сторонами выше по потоку и ниже по потоку, которые по существу параллельны, и двумя большими сторонами, которые сходятся выше по потоку, так что выходная граница 6 имеет большую длину, чем длина входной границы 7.

На Фиг. 4 детально показана форма выреза полости 5 в корпусе 4, согласно изобретению, на уровне внутренней поверхности корпуса 4. Итак, если меньшая сторона ниже по потоку, то есть выходная граница 6, как и в исполнении согласно уровню техники, прямолинейная, то меньшая сторона выше по потоку, то есть входная граница 7, не прямолинейная, а имеет V-образную форму и простирается с обеих сторон окружной линии, соединяя входные границы различных полостей 5.

На Фиг. 5 показана, в перспективе и с выемкой, форма полостей 5 и их относительное положение к колесу подвижных лопаток 1, в корпусе согласно изобретению. Передняя сторона параллелепипеда, которая образует полость 5, волнистая, ее V-образная форма простирается вдоль передней стороны полости, зарождаясь на дне полости и заканчиваясь зигзагообразной линией на уровне внутренней поверхности корпуса 4 и входной границы 7.

Ниже поясняется новизна изобретения прежде всего напоминанием о принципе функционирования обработок корпусов путем имплантации в их толщу полостей 5. Это комбинация двух аэродинамических эффектов: в первую очередь, всасывание воздуха с передней кромки на вершине ротора позволяет противостоять развитию завихрения зазора между ротором и корпусом, что позволяет повысить кпд и лимит устойчивости; во вторую очередь, повторное впрыскивание воздуха на входе рабочего колеса позволяет, за счет дополнительной энергии пограничного слоя, увеличить лимит устойчивости и, следовательно, запас по помпажу.

В целом, считается, что необходимо учитывать три особых параметра для достижения лучшего результата при обработке корпуса инкорпорированием полостей 5. Первый относится к аксиальному положению полости ниже по потоку, которое определяет место отсасывания воздуха, второй - к аксиальному положению полости выше по потоку, которое определяет место повторного впрыскивания воздуха, и третий - к объему полости, который определяет количество отобранного и повторно впрыснутого воздуха, то есть эффективность обработки корпуса. Однако необходимо принять во внимание также аспект, который непосредственно влияет на эффективность обработки корпуса и который относится к качеству повторного впрыскивания воздуха на входе рабочего колеса. В частности, с одной стороны, скорость повторной подачи воздуха должна быть максимально большой, чтобы максимально повысить запас устойчивости в отношении помпажа, и, с другой стороны, поданный повторно в проточный тракт воздух должен смешиваться как можно лучше с основным потоком, при отсутствии чего имеется риск генерирования потерь по кпд.

Для рассмотрения этих двух аспектов в изобретении предлагается, прежде всего, иметь полости 5, ширина которых изменяется и которые простираются с боковым сужением по потоку снизу вверх. Важным является сохранять большую ширину полости ниже по потоку, чтобы отсасывать воздух рециркуляции в хороших условиях и исключить возникновение завихрения в зазоре; при этом уменьшение полости выше по потоку позволяет увеличить скорость воздуха, который будет подан повторно в проточный тракт. Далее, использование V-образной формы позволяет улучшить смешение воздуха повторной подачи с основным потоком, в равной мере как V-образная форма сопла турбомашины позволяет улучшить смешение горячего воздуха на выходе первичного потока и холодного воздуха на выходе вторичного потока.

Эти меры, осуществленные на полостях 5 корпуса 4 компрессора, позволяют улучшить эффективность отсасывания завихрения в зазоре и получить, таким образом, в дополнение к увеличению запаса устойчивости в отношении помпажа некоторое повышение кпд ступени компрессора.

Корпус для компрессора турбомашины, содержащий не сообщающиеся друг с другом полости (5), вырезанные в толще указанного корпуса на уровне его внутренней поверхности и расположенные параллельно относительно друг друга по окружности указанного корпуса, причем указанные полости имеют продолговатую форму, простираются в основном направлении ориентации между двумя боковыми стенками и замыкаются, соответственно выше по потоку и ниже по потоку, передней стороной и задней стороной, пересечения которых с внутренней поверхностью корпуса (4) образуют соответственно входную границу (7) и выходную границу (6), согласно изобретению входная граница (7) этих полостей (5) имеет форму волнистой линии, содержащей по меньшей мере два чередования по ее длине, заключенной между указанными боковыми стенками. Присутствие волнистой линии способствует смешению повторно впрыскиваемого воздуха с основным воздушным потоком и таким образом улучшает кпд и/или запас устойчивости по помпажу соответствующей ступени компрессора, использующего этот корпус. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Корпус для компрессора турбомашины, содержащий не сообщающиеся друг с другом полости, вырезанные в толще указанного корпуса на уровне его внутренней поверхности и расположенные параллельно относительно друг друга по окружности указанного корпуса (4), причем указанные полости имеют продолговатую форму, простираются в основном направлении ориентации между двумя боковыми стенками и замыкаются, соответственно выше по потоку и ниже по потоку, передней стороной и задней стороной, пересечения которых с внутренней поверхностью корпуса (4) образуют соответственно входную границу и выходную границу, отличающийся тем, что входная граница этих полостей имеет форму волнистой линии, содержащей по меньшей мере два чередования по ее длине, заключенной между указанными боковыми стенками.

2. Корпус для компрессора по п. 1, в котором указанные боковые стенки сходятся друг с другом в направлении снизу вверх по потоку.

3. Корпус для компрессора по п. 1, в котором волнистая линия представляет собой изломанную линию в форме зигзага, состоящую из сегментов, которые образуют между ними чередующиеся углы, соответственно выступающие наружу и входящие внутрь.

4. Корпус для компрессора по п. 1, в котором передняя сторона указанных полостей образована последовательным рядом зубьев, простирающихся радиально между входной границей (7) и дном полости и аксиально чередуясь выше и ниже по потоку указанной полости.

5. Корпус для компрессора по п. 1, в котором задняя сторона имеет выпуклую форму.

6. Корпус для компрессора по п. 1, в котором полости (5) равномерно распределены по окружности корпуса.

7. Корпус для компрессора по п. 1, в котором полости (5) распределены неравномерно по окружности корпуса.

8. Компрессор для турбомашины, содержащий корпус по п. 1.

9. Турбомашина, содержащая компрессор по предыдущему пункту.