ЛОПАТОЧНЫЙ ДИФФУЗОР РАДИАЛЬНОГО ИЛИ ДИАГОНАЛЬНОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2018 года по МПК F04D29/44 

Область техники

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к диффузионной ступени радиального или диагонального компрессора газовой турбины, а также к соответствующему компрессору.

Уровень техники

Компрессор содержит один или несколько вращающихся лопаточных или безлопаточных дисков (ротор или колесо) и одно или несколько колес с неподвижными лопатками (спрямляющие ступени).

Радиальный (или центробежный) компрессор содержит по меньшей мере одну радиальную ступень сжатия, то есть ступень, выполненную с возможностью обеспечения создания газового потока, перпендикулярного к центральной оси компрессора. Он содержит по меньшей мере одно колесо с радиальными лопатками, засасывающими воздух в осевом направлении, который под действием радиальной силы ускоряется, сжимается и выталкивается в радиальном направлении. Этот воздух затем спрямляется в диффузоре (неподвижные лопатки), который преобразует часть его скорости в статическое давление, замедляя газы на выходе колеса. Операция должна происходить с минимальной общей потерей давления и с одновременным сохранением удовлетворительного уровня устойчивой работы компрессора, чтобы поддерживать приемлемый запас по помпажу для работы газотурбинной установки.

Газы направляются затем в камеру сгорания.

Диагональный (или радиально-осевой) компрессор содержит по меньшей мере одну ступень сжатия, имеющую наклон относительно центральной оси так, что текучая среда выходит из колеса компрессора, образуя не равный нулю угол с радиальным направлением.

Диффузор радиального компрессора представляет собой колесо, состоящее из двух дисков, между которыми радиально или с наклоном проходят газы от центра к периферии. Между дисками вдоль всего колеса распределены лопатки. Эти лопатки образуют решетку для прохождения потока между входными кромками и выходными кромками этих лопаток.

Однако отклонение воздушного потока лопатками диффузора на выходе колеса может привести к отделению текучей среды от корытца или от спинки лопаток, причем это отделение, если оно является сильным, может привести к срыву потока текучей среды и, следовательно, к помпажу. Как известно, явление помпажа негативно сказывается на конструктивных элементах компрессора, поэтому его следует избегать, насколько это возможно.

Обычно лопатки диффузора образованы стенкой корытца и стенкой спинки в виде дуги окружности и следуют квазилинейной угловой закономерности. Пример такой лопатки представлен на фиг. 1. Однако этим лопаткам присуще ограничение с точки зрения диффузионной способности. Действительно, увеличение способности спрямления потока этими лопатками приводит к снижению изоэнтропического КПД и к увеличению неустойчивой работы компрессора.

В документе WO 2012/019650 был предложен диффузор для радиального компрессора, содержащий лопатки, охарактеризованные в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. В частности, в этом документе описаны лопатки, профиль которых имеет среднюю линию, определенную функцией с точкой перегиба. В связи с этим средняя линия имеет S-образную форму и позволяет распределять нагрузки вдоль профиля лопатки с небольшой нагрузкой в зоне входной кромки, которая постепенно увеличивается до точки перегиба лопатки, где она становится максимальной. Однако применение такой лопатки с профилем S-образной формы требует уменьшения сечения в горловине диффузора (то есть сечения на входе текучей среды). Это приводит к смещению характеристики расход/количество в сторону меньших значений расхода и к снижению аэродинамического запирания диффузора.

Лопатки с аналогичным профилем S-образной формы описаны также в документе JP 2011-252424. В частности, согласно этому документу, лопатки выполнены таким образом, что угол, образованный между средней линией профиля и окружным профилем, увеличивается, затем уменьшается, затем опять увеличивается между входной кромкой и выходной кромкой лопатки. В этом решении тоже необходимо уменьшать сечение в горловине диффузора, вследствие чего уменьшается запас устойчивой работы диффузора.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является улучшение характеристик и запаса по помпажу диффузоров известных радиальных и диагональных компрессоров.

В частности, изобретение призвано предложить диффузор радиального или диагонального компрессора, позволяющий ограничить понижение изоэнтропического КПД компрессора и улучшить способность замедления и спрямления потока, выходящего из колеса компрессора, с одновременным сохранением устойчивости этого потока.

В связи с этим предложена лопатка диффузора для радиального или диагонального компрессора двигателя, содержащая входную кромку, расположенную напротив газового потока, выходную кромку, противоположную входной кромке, боковую стенку корытца и боковую стенку спинки, которые соединяют входную кромку с выходной кромкой. Профиль лопатки имеет среднюю линию с по меньшей мере двумя точками перегиба между входной кромкой и выходной кромкой. Кроме того, изгиб стенки корытца и изгиб стенки спинки по существу повторяют изгиб средней линии, при этом:

- стенка корытца между входной кромкой и выходной кромкой содержит по меньшей мере две выпуклые части, разделенные вогнутой частью, и

- стенка спинки между входной кромкой и выходной кромкой содержит по меньшей мере две вогнутые части, разделенные выпуклой частью, и профиль образует хорду, которая проходит между входной кромкой и выходной кромкой, при этом выпуклые части стенки корытца и вогнутые части стенки спинки расположены по меньшей мере частично с одной стороны от указанной хорды.

Объектом изобретения является также диффузор, содержащий по меньшей мере одну описанную выше лопатку, а также радиальный или диагональный компрессор, содержащий такой диффузор, и двигатель, содержащий такой компрессор.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - пример профиля лопаток известного диффузора.

Фиг. 2 - пример профиля лопаток диффузора в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 - детальный вид лопатки, показанной на фиг. 2, с показом хорды и средней линии лопатки.

Фиг. 4 - пример двигателя, который может содержать диффузор в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Радиальный диффузор в соответствии с настоящим изобретением предназначен, в частности, для использования с компрессором 2 радиального или диагонального типа.

На фиг. 4 в частичном разрезе показан двигатель 1, содержащий радиальный компрессор 2. Газовый поток F сначала засасывается в воздухозаборник, затем сжимается между лопатками 3а колеса 3 радиального компрессора 2 и его картером. Компрессор 2 имеет осевую симметрию вокруг оси X. Сжатый газовый поток F выходит в радиальном направлении из колеса 3. Если компрессор 2 диагональный, то газовый поток выходит с наклоном под углом, не равным нулю относительно направления, радиального к оси X.

Сжатый воздух выходит в радиальном направлении из колеса 3, имея при этом кинетический момент, и проходит в диффузор 5. Диффузор 5 обеспечивает преобразование части кинетической энергии газов, поступающих из компрессора 2, в статическое давление с одновременным замедлением скорости газов и спрямлением потока, выходящего из колеса 3. Для этого он содержит множество лопаток 10, расположенных по его окружности, которые выполнены между передним диском 5а и задним диском 5b. Как известно, каждая из лопаток 10 имеет входную кромку 11 напротив газового потока, выходную кромку 12, противоположную входной кромке 11, боковую стенку 13 спинки и боковую стенку 14 корытца, которые соединяют входную кромку 11 с выходной кромкой 12.

Передний 5а и задний 5b диски могут быть плоскими. В варианте, по меньшей мере один из дисков 5а, 5b может иметь в образованном между ними пространстве по меньшей мере одну зону с чередующимся изгибом между двумя лопатками 10 так, что воздушный поток может иметь регулируемые меридиональные сечения конца и основания. Для более полной информации о переднем 5а и/или заднем 5b дисках, имеющих такой чередующийся изгиб, можно обратиться к документу FR 2976633.

Согласно другому варианту, диски 5а, 5b могут иметь осесимметричные изменяющиеся формы.

Кроме того, передний 5а и задний 5b диски могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечивать всасывание и нагнетание в диффузоре 5.

По меньшей мере одна из лопаток 10 диффузора 5 и предпочтительно все лопатки 10 содержат от входа к выходу по направлению потока газов:

- первую так называемую зону захвата, форма которой предусмотрена для адаптации к входному потоку,

- вторую так называемую диффузионную зону, форма которой предусмотрена для более сильного спрямления потока, поступающего из зоны захвата, чтобы получить более высокое статическое давление на выходе диффузора 5 и облегчить питание выходного устройства, как правило, осевого диффузора 5.

Лопатка 10 имеет профиль, средняя линия 15 которого имеет по меньшей мере две точки I1, I2 перегиба между ее входной кромкой 11 и ее выходной кромкой 12, то есть по меньшей мере два изменения вогнутости.

В дальнейшем тексте описания под «точкой перегиба» следует понимать точку кривой, на уровне которой кривая пересекает свою касательную. Кроме того, под профилем лопатки 10 в данном случае следует понимать поперечное сечение лопатки 10, то есть сечение лопатки 10 в плоскости, в основном перпендикулярной к спинке 13 или к корытцу 14 лопатки 10. Наконец, «средняя линия 15 профиля» соответствует воображаемой линии, которая включает в себя все точки, равноудаленные от спинки 13 и от корытца 14 лопатки 10, тогда как «хорда 16» соответствует сегменту, концами которого являются входная кромка 11 и выходная кромка 12.

Точки I1, I2 перегиба вместе ограничивают зону захвата, которая включает в себя часть лопатки 10 на входе первой точки 11 перегиба, и диффузионную зону, которая включает в себя часть лопатки на выходе второй точки 12 перегиба.

Предпочтительно, чтобы оптимизировать устойчивую работу диффузора 5, точки I1, I2 перегиба расположены между 10% и 90% хорды 16, предпочтительно между 30% и 70%. Например, первая 11 точка перегиба может находиться между 35% и 55% хорды 16, тогда как вторая точка 12 перегиба находится между 55% и 65% хорды 16. В частности, точки I1, I2 перегиба могут быть расположены симметрично относительно центра хорды 16.

В варианте профиль лопатки 10 может содержать больше точек I1, I2 перегиба.

Таким образом, средняя линия 15 содержит между входной кромкой 11 и выходной кромкой 12 по меньшей мере первую вогнутость, вторую вогнутость, отличную от первой вогнутости, затем третью вогнутость. Если точки I1, I2 перегиба являются симметричными относительно центра 16, то вторая вогнутость расположена по центру лопатки 10.

Согласно варианту выполнения, стенка 14 корытца и стенка 13 спинки по существу повторяют изгиб средней линии 15 и, следовательно, имеют столько же точек I1, I2 перегиба.

В примере выполнения, представленном на фиг. 2 и 3, стенка 14 корытца и стенка 13 спинки имеют две точки I1, I2 перегиба. Стенка 14 корытца содержит выпуклую часть 14а между входной кромкой 11 и первой точкой перегиба, затем вогнутую часть 14b между двумя точками I1, I2 перегиба, затем выпуклую часть 14с между второй точкой перегиба и выходной кромкой 12. Что касается стенки 13 спинки, то она содержит вогнутую часть 13а между входной кромкой 11 и первой точкой перегиба, затем выпуклую часть 13b между двумя токами I1, I2 перегиба, затем вогнутую часть 13с между второй точкой перегиба и выходной кромкой 12.

Кроме того, средняя линия 15 расположена между стенкой 14 корытца и хордой 16. Иначе говоря, в любой точке между входной кромкой 11 и выходной кромкой 12, средняя линия 15 и стенка 14 корытца расположены на расстоянии от хорды 16. Кроме того, вогнутые зоны стенки 13 спинки пересекают хорду 16 и, следовательно, находятся по меньшей мере частично с той же стороны, что и средняя линия 15, относительно указанной хорды 16.

Благодаря такой конфигурации, ставшей возможной за счет двух точек I1, I2 перегиба, средняя линии 15, входная кромка 11 и выходная кромка 12 ориентированы в том же общем направлении относительно потока газов, что и в известных диффузорах 5, что позволяет сохранить сечение в горловине, то есть сечение на входе текучей среды между двумя смежными лопатками 10. Таким образом, сохраняется устойчивость работы диффузора 5 и одновременно улучшается диффузия потока.

Угол атаки α (который соответствует углу между касательной к средней линии 15 на уровне входной кромки 11 и хордой 16) может быть по существу идентичным углу атаки обычных лопаток 10. Например, угол атаки α может составлять примерно от 0 до 45°. Таким образом, можно по существу сохранять форму лопаток 10 обычных диффузоров 5 в их зоне захвата, что позволяет сохранить устойчивость потока. Кроме того, присутствие второй точки I2 перегиба позволяет изменить форму лопаток 10 в их диффузионной зоне, чтобы повысить КПД диффузора 5, не меняя при этом форму зоны захвата. Действительно, теперь стало возможным увеличить угол между средней линией 15 на уровне выходной кромки 12 и хордой 16 независимо от формы зоны захвата, что позволяет сильнее спрямлять поток газов и, следовательно, повысить статическое давление и степень общего давления с изонагревом на выходе диффузора 5, то есть повысить изоэнтропический КПД диффузора 5, сохраняя при этом запас по помпажу и, следовательно, устойчивость работы компрессора 2.

Как было указано выше, средняя линия 15 профиля лопатки 10 содержит по меньшей мере две точки I1, I2 перегиба. Предпочтительно число точек I1, I2 перегиба является четным, чтобы сохранять общую ориентацию входной кромки 11 и выходной кромки 12 относительно потока и, следовательно, сохранять сечение в горловине. Кроме того, согласно варианту выполнения, соответствующая средняя линия 15 проходит также между стенкой 14 корытца и хордой 16, поэтому в любой точке между входной кромкой 11 и выходной кромкой 12 средняя линия 15 и стенка 14 корытца расположены на расстоянии от хорды 16, и вогнутые зоны стенки 14 корытца пересекают хорду 16.

Объектом изобретения является лопатка (10) диффузора (5) для радиального или диагонального компрессора (2) двигателя (1), содержащая входную кромку (11), расположенную напротив газового потока, выходную кромку (12), противоположную входной кромке (11), боковую стенку (13) спинки и боковую стенку (14) корытца, которые соединяют входную кромку (11) с выходной кромкой (12), при этом лопатка имеет профиль, средняя линия (15) которого имеет по меньшей мере две точки (11, 12) перегиба между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12). Объектом изобретения является также соответствующий радиальный диффузор (2). Изобретение направлено на улучшение характеристик радиальных и диагональных компрессоров. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопатка (10) диффузора (5) для радиального или диагонального компрессора (2) двигателя (1), содержащая входную кромку (11), расположенную напротив газового потока, выходную кромку (12), противоположную входной кромке (11), боковую стенку (13) спинки и боковую стенку (14) корытца, соединяющие входную кромку (11) с выходной кромкой (12), при этом лопатка (10) имеет профиль, средняя линия (15) которого имеет по меньшей мере две точки (I1, I2) перегиба между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12), отличающаяся тем, что изгиб стенки (14) корытца и изгиб стенки (13) спинки по существу повторяют изгиб средней линии (15) профиля, при этом стенка (14) корытца между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12) содержит по меньшей мере две выпуклые части (14а, 14с), разделенные вогнутой частью (14b), а стенка (13) спинки между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12) содержит по меньшей мере две вогнутые части (13а, 13с), разделенные выпуклой частью (13b), причем профиль определяет хорду (16), проходящую между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12), а выпуклые части (14а, 14с) стенки (14) корытца и вогнутые части (13а, 13с) стенки (13) спинки расположены по меньшей мере частично с одной стороны от хорды (16).

2. Лопатка (10) по п. 1, отличающаяся тем, что профиль определяет хорду (16), проходящую между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12), при этом в любой точке между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12) хорда (16) расположена на расстоянии от средней линии (15) профиля.

3. Лопатка (10) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что профиль определяет хорду (16), проходящую между входной кромкой (11) и выходной кромкой (12), при этом между 10% и 90% хорды (16) расположены точки (I1, I2) перегиба.

4. Лопатка (10) по п. 3, отличающаяся тем, что первая (I1) точка перегиба расположена между 35% и 55% хорды (16), а вторая (I2) точка перегиба расположена между 55% и 65% хорды (16).

5. Лопатка (10) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что она имеет угол атаки (α), составляющий примерно от 0 до 45°.

6. Лопатка (10) по п. 3, отличающаяся тем, что она имеет угол атаки (α), составляющий примерно от 0 до 45°.

7. Диффузор (5) радиального или диагонального компрессора двигателя (1), содержащий по меньшей мере одну лопатку (10) по любому из пп. 1-6.

8. Радиальный или диагональный компрессор (2) двигателя (1), содержащий диффузор (5) по п. 7.

9. Двигатель (1), содержащий радиальный или диагональный компрессор (2) по п. 8.