УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОМЫВКИ КОРПУСА ВОЗДУХОЗАБОРНИКА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/00 F02C7/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к корпусу воздухозаборника для турбомашины и, более точно, к корпусу воздухозаборника, имеющему форсунки для впрыскивания очищающего вещества. Изобретение также обеспечивает турбомашину, включающую в себя такой корпус воздухозаборника.

Термин «турбомашина» охватывает все газотурбинные установки, производящие движущую силу, включая, в частности, газотурбинный реактивный двигатель, создающий тягу для обеспечения реактивного перемещения посредством реакции на выбрасываемый с большой скоростью горячий газ, и турбовальные двигатели (ГТД), в которых движущая сила создается посредством вращения ведущего вала. В виде примера, турбовальные двигатели используются в качестве двигателей для вертолетов, кораблей, поездов или вообще в промышленных электростанциях. Турбовинтовые двигатели (турбовальный двигатель, приводящий в действие пропеллер) также относятся к турбовальным двигателям, используемым в качестве авиационных двигателей.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен корпус воздухозаборника турбомашины, содержащий внутреннюю кольцевую стенку и наружную кольцевую стенку, образующие проход для воздуха, вместе с по меньшей мере двумя форсунками для впрыскивания очищающего вещества. Тем не менее, при определенных условиях, очистка, получаемая с помощью этих форсунок, является недостаточной и вызывает необходимость выполнения очистки вручную. Такая работа вручную является дорогостоящей и сложной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков известного уровня техники.

Задача решается корпусом воздухозаборника турбомашины, имеющего внутреннюю кольцевую стенку и наружную кольцевую стенки, образующие проход для воздуха, и по меньшей мере две форсунки для впрыскивания очищающего вещества (в указанном корпусе), при этом (например, по меньшей мере одна) первая форсунка направлена к наружной стенке, в то время как (например, по меньшей мере одна) вторая форсунка направлена по направлению к внутренней стенке.

Следует понимать, что корпус воздухозаборника турбомашины (называемый ниже «корпус») имеет одну или несколько первых форсунок, одну или несколько вторых форсунок и возможно одну или несколько других форсунок, например одну или несколько третьих, четвертых и т.д. форсунок.

Ниже, если специально не указано иное, термин «первая форсунка» обозначает единственную первую форсунку, в случае если она только одна, или все из первых форсунок, если их больше чем одна. Подобным образом, термин «вторая форсунка» обозначает единственную вторую форсунку, в случае если она только одна, или все из вторых форсунок, если их больше чем одна. То же относится к третьей, четвертой и т.д. форсункам.

Конечно, первая форсунка отличается от второй форсунки. В целом, первая форсунка и вторая форсунка отличаются от третьей, четвертой и т.д. форсунок.

Первая форсунка располагается во внутренней кольцевой стенке, в то время как вторая форсунка располагается в наружной кольцевой стенке, или наоборот. Как вариант, первая и вторая форсунки располагаются обе на одной стенке, т.е. на внутренней кольцевой стенке или на наружной кольцевой стенке.

Форсунки могут быть выполнены непосредственно в корпусе, например в толщине внутренней или наружной кольцевой стенки. Например, форсунки могут содержать соответствующие отверстия, проходящие через указанную стенку, которые могут быть выполнены путем традиционного сверления или электроэрозии. В качестве варианта, форсунки образованы элементами, отличающимися от корпуса, но прикрепленными к нему. Конечно, некоторые форсунки могут быть выполнены непосредственно в корпусе, в то время как другие форсунки могут быть сформированы элементами, отличающимися от корпуса.

Следует также понимать, что внутренняя кольцевая стенка, также называемая «внутренняя стенка», представляет собой воздухопровод, образующий кольцевую стенку корпуса воздухозаборника, который расположен радиально ближе к оси корпуса, по меньшей мере на осевом участке корпуса. Наоборот, наружная кольцевая стенка, также называемая «наружная стенка», представляет собой воздухопровод, образующий кольцевое пространство корпуса, образующего проход для воздуха, который расположен радиально дальше от оси корпуса, по меньшей мере на осевом участка корпуса.

В целом, радиальное направление представляет собой направление, перпендикулярное оси (или осевому направлению) корпуса. Азимутальное направление соответствует направлению, описывающему кольцо вокруг осевого направления. Осевое, радиальное и азимутальное направления соответствуют направлениям, образованным высотой, радиусом и углом в цилиндрической системе координат.

Первая форсунка обращена к наружной стенке, эта стенка является более уязвимой с аэродинамической точки зрения, в то время как вторая форсунка обращена к внутренней стенке. Это обеспечивает, что оба главных воздухопровода, образующие стенки корпуса, получают очищающее вещество напрямую для их очистки. Более того, очищающее вещество предпочтительно подается под давлением в диапазоне примерно от 3 до 10 бар (т.е. от 0,3 МПа до 10 МПа). Соответственно, очищающее вещество, ударяющееся о кольцевые стенки, распыляется после удара в воздух, подаваемый в турбомашину. Следовательно, после удара о стенки корпуса, очищающее вещество распыляется внутри всего корпуса и затем вводится в турбомашину на выходе. Таким образом, все зоны корпуса воздухозаборника вместе со стенками, образующими путь воздушного потока через турбомашину, включая зоны, доступ к которым затруднен, получают очищающее вещество и, таким образом, очищаются, и это осуществляется равномерным образом. Такое равномерное распределение очищающего вещества служит, в частности, для улучшения эффективности каждой операции по очистке, и, таким образом, снижения потребления очищающего вещества.

Конечно, форсунки могут относиться к типу с концентрированной струей, или к типу с диффузионной струей, или к типу ионизатора. Это обеспечивает возможность адаптировать струю к форме зоны удара о стенку, а также адаптировать силу удара струи о стенку. В одном варианте первая форсунка и вторая форсунка представляют собой форсунки типа концентрированной струи. В другом варианте первая форсунка и вторая форсунка представляют собой форсунки типа концентрированной струи, в то время как третья форсунка относится к типу диффузионной струи.

Когда корпус воздухозаборника имеет множество первых форсунок, первые форсунки предпочтительно располагаются в общей осевой плоскости (т.е. в плоскости, перпендикулярной осевому направлению корпуса воздухозаборника). Подобным образом, когда корпус воздухозаборника имеет множество вторых форсунок, вторые форсунки, предпочтительно, располагаются в общей осевой плоскости (отличающейся от осевой плоскости первых форсунок). Это обеспечивает, что все из первых форсунок и все из вторых форсунок имеют соответственно одинаковое воздействие на стенке, по которым ударяют струи, которые они производят.

В целом, в значении изобретения, положение форсунки внутри корпуса определяется положением геометрического центра выпускного отверстия указанной форсунки. Отверстие каждой из форсунок имеет обычную форму, то есть круглую, эллиптическую или продолговатую, однако она может, естественно, иметь любую другую форму. Конечно, некоторые форсунки могут иметь отверстие одной общей формы, в то время как другие форсунки имеют отверстие другой общей формы (с точки зрения размера и/или геометрии).

Когда корпус воздухозаборника имеет множество первых форсунок, первые форсунки предпочтительно равномерно распределены по азимуту. Подобным образом, когда корпус воздухозаборника имеет множество вторых форсунок, вторые форсунки предпочтительно равномерно распределены по азимуту. Равномерное распределение по азимуту служит, в частности, для улучшения равномерности очистки.

В одном варианте первых форсунок столько же, сколько вторых. В другом варианте для получения как можно более равномерного распределения очищающего вещества по ударяемой поверхности, количество первых и вторых форсунок пропорционально площадям поверхности отражающих стенок. Другими словами, количество форсунок на единицу площади отражающей стенки (или плотность форсунок) одинаковая для первых форсунок и вторых форсунок. В этом варианте общее количество первых форсунок может, таким образом, отличаться от общего количество вторых форсунок, если площади отражающих поверхностей разные.

Предпочтительно, корпус воздухозаборника имеет по меньшей мере один набор форсунок, содержащий первую форсунку, направленную к наружной стенке, и вторую форсунку, направленную к внутренней стенке, первая форсунка и вторая форсунка в наборе форсунок расположены в общей радиальной полуплоскости корпуса воздухозаборника.

Радиальная полуплоскость представляет собой полуплоскость, простирающуюся от оси корпуса воздухозаборника в направлении, являющемся радиальным (т.е. параллельным оси корпуса воздухозаборника). Таким образом, радиальная плоскость содержит две радиальных полуплоскости. Следует напомнить, что радиальная плоскость является плоскостью, параллельной оси корпуса и содержащей ось корпуса.

Можно понять, что каждый набор форсунок содержит первую форсунку и вторую форсунку и возможно также третью и/или четвертую и т.д. форсунки. Когда набор форсунок имеет одну или несколько форсунок кроме первой и второй форсунок, другая форсунка (форсунки) может также быть расположена в той же радиальной полуплоскости, что и радиальная полуплоскость первой и второй форсунок (т.е. все форсунки лежат в общей радиальной полуплоскости), или лишь несколько из этих других форсунок могут быть расположены в этой общей радиальной полуплоскости, или вообще ни одна из других форсунок не располагается в этой общей радиальной полуплоскости.

Такое распределение первой форсунки и второй форсунки служит для оптимизации пространства, занятого контуром для подачи на форсунки очищающего вещества.

Предпочтительно, корпус имеет множество первых форсунок, равномерно распределенных по азимуту внутри указанного корпуса, и множество вторых форсунок, равномерно распределенных по азимуту внутри указанного корпуса.

Предпочтительно, первые форсунки расположены в общей осевой плоскости. Предпочтительно, вторые форсунки расположены в общей осевой плоскости. Предпочтительно, осевая плоскость первых форсунок отличается от осевой плоскости вторых форсунок.

Эти различные конфигурации по отдельности или в комбинации служат для оптимизации равномерности, с которой распыляется очищающее вещество, в то же время представляя простую конструкцию.

Предпочтительно, корпус воздухозаборника имеет множество наборов форсунок, которые равномерно распределены по азимуту внутри указанного корпуса.

Подобно описанному выше, можно понять, что каждый набор содержит первую форсунку, вторую форсунку и возможно одну или несколько других форсунок.

Различные наборы форсунок равномерно разнесены в азимутальном направлении корпуса. Таким образом, когда корпус имеет два набора форсунок, эти два набора, по существу, диаметрально противоположны, когда корпус имеет три набора форсунок, эти наборы разнесены, по существу, на 120° (на угол сто двадцать градусов) друг от друга, и т.д. Такое распределение служит для улучшения равномерности очистки.

В одном варианте первых форсунок столько же, сколько и вторых, первые и вторые форсунки равномерно распределены по азимуту, первые и вторые форсунки расположены парами (каждая пара содержит одну первую форсунку и одну вторую форсунку) в общей радиальной полуплоскости, все первые форсунки расположены в общей первой осевой плоскости, в то время как все вторые форсунки расположены в общей второй осевой плоскости, отличающейся от первой осевой плоскости.

Такая конфигурация обладает минимальной сложностью, в то же время обеспечивая достижение оптимальной очистки.

Предпочтительно, корпус имеет только первую и вторую форсунки (т.е. лишь одну или несколько первых форсунок и одну или несколько вторых форсунок).

Заявителем было обнаружено, что такая конфигурация обеспечивает хороший баланс между количеством форсунок, которое необходимо минимизировать для обеспечения того, что корпус имеет простую конструкцию, и эффективностью очистки, которая, с другой стороны, требует как можно большего количества форсунок. Это служит для оптимизации эффективности очищающего вещества, в то же время ограничивая количество форсунок строго минимальным необходимым количеством.

Предпочтительно, первая форсунка и вторая форсунка направлены в направлении выхода, при этом направления входа и выхода определяются относительно направления входа и выхода потока через корпус воздухозаборника.

Направление к выходу первой и второй форсунок также обеспечивает возможность очистки элементов, расположенных на выходе из корпуса внутри турбомашины, таких, например, как осевой регулируемый направляющий аппарат (также известный как входной направляющий аппарат) и/или рабочее колесо компрессора (или колесо).

Предпочтительно, первая форсунка располагается выше второй форсунки, при этом выше или ниже рассматривается относительно входящего и выходящего направления потока через корпус воздухозаборника.

Данная конфигурация служит, в частности, для избегания пересечения между струей из первой форсунки и струей из второй форсунки.

Предпочтительно, корпус воздухозаборника формирует радиальный корпус воздухозаборника.

Радиальный корпус воздухозаборника представляет собой корпус, в котором воздухозаборное устройство обращено, по существу, радиально, а отверстие для выхода воздуха направлено, по существу, по оси. Данный тип корпуса применяется, например, в турбовальных вертолетных двигателях.

В одном варианте первая форсунка и вторая форсунка расположены на внутренней стенке. Данный вариант особенно подходит для радиальных корпусов воздухозаборников.

Предпочтительно, корпус воздухозаборника имеет контур подачи очищающего вещества для подачи на форсунки очищающего вещества.

Такой контур подачи обеспечивает простое питание форсунок в ходе операций по очистке. Таким образом, когда желательно очистить корпус и/или стенки пути воздушного потока на выходе из корпуса через турбомашину, насос присоединяется непосредственно к подающему контуру, и очищающее вещество впрыскивается в подающий контур с помощью насоса, так, чтобы каждая форсунка создавала струю очищающего вещества внутри корпуса. Подающий контур включен внутрь корпуса. В виде примера, контур может быть внедрен при изготовлении корпуса (например, с помощью литья, в этом случае трубопровод выполняется целиком или частично как одно целое с корпусом, так, чтобы образовывать его целую часть) и/или с помощью трубопровода, который после этого помещается целиком или частично в корпус и закрепляется в нем. Другими словами, подающий контур предварительно устанавливается на корпусе. Таким образом, когда корпус устанавливается внутрь турбомашины, подающий контур устанавливается в это же время без каких-либо дополнительных операций.

В изобретении также предложена турбомашина, включающая в себя корпус воздухозаборника в соответствии с изобретением.

Предпочтительно, турбомашина представляет собой турбовальный вертолетный двигатель. Корпус воздухозаборника в соответствии с изобретением, и более точно радиальный корпус воздухозаборника, особенно хорошо подходит для турбовальных вертолетных двигателей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение в дальнейшем поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на чертежи, на которых:

- Фиг. 1 изображает турбомашину в соответствии с изобретением;

- Фиг. 2 изображает корпус воздухозаборника двигателя по Фигуре 1, на виде в осевом разрезе;

- Фиг. 3 изображает корпус воздухозаборника двигателя по Фигуры 1, показанный в изометрии на виде вдоль стрелки III с Фигуры 2.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Фигура 1 изображает турбовальный вертолетный двигатель 100, формирующий турбомашину в соответствии с изобретением. Этот двигатель 100 имеет корпус 10 воздухозаборника в соответствии с изобретением, с помощью которого воздух проникает в двигатель 100. Этот воздух проходит через двигатель от входа к выходу в направлении, показанном пунктирными стрелками. Таким образом, после проникновения в двигатель 100 через корпус 10, воздух сжимается компрессором 50, затем нагревается в камере сгорания 52 и расширяется в турбинах 54 и 56. Турбина 56 вращает вал 58, доставляющий движущую силу, необходимую для вращения пропеллера вертолета (не показано). На выходе из турбины 56 воздух выпускается наружу из двигателя 100.

Фигуры 2 и 3 показывают корпус 10 воздухозаборника более подробно. Этот корпус 10 воздухозаборника представляет собой радиальный корпус воздухозаборника. Корпус 10 простирается вдоль осевого направления Х и содержит внутреннюю кольцевую стенку 12 и наружную кольцевую стенку 14. Внутренняя и наружная стенки 12 и 14, по существу, коаксиальны, и вместе образуют кольцевой воздухопровод 16. Следует отметить, что внутренняя и наружная стенки соединены друг с другом разделителями, простирающимися радиально поперек кольцевого прохода 16, эти разделители не показаны в целях ясности. Конечно, в зависимости от формы разделителей, можно полагать, что проход для воздуха содержит один или несколько проходов, формирующих один или несколько секторов круга.

Внутренняя стенка 12 имеет первые форсунки 18, направленные к наружной стенке 14, и вторые форсунки 20, направленные к внутренней стенке 12. Пунктирные стрелки с Фигуры 2 показывают направления форсунок и зоны, по которым ударяют струи, создаваемые форсунками. Первые форсунки 18 отличаются от вторых форсунок 20. В данном примере корпус 10 имеет четыре первых форсунки 18 и четыре вторых форсунки 20. Конечно, в качестве варианта, корпус 10 может иметь одну, две, три и более чем четыре первых и/или вторых форсунки.

Первые форсунки 18 расположены в единой первой осевой плоскости РА1, в то время как вторые форсунки 20 расположены в единой второй осевой плоскости РА2, которая отличается от первой осевой плоскости РА1 (см. Фигуру 2).

Первые форсунки 18 равномерно разнесены в азимутальном направлении Z. Таким образом, между смежными первыми форсунками лежит угол в 90°. Подобным образом, вторые форсунки 20 равномерно разнесены в азимутальном направлении Z. Угол в 90°, таким образом, лежит между смежными вторыми форсунками 20.

Каждая первая форсунка 18 лежит в том же азимутальном положении, что и вторая форсунка 20. Таким образом, в данном примере, корпус 10 имеет четыре набора 22, каждый из которых содержит одну первую форсунку 18 и вторую форсунку 20, при этом указанная первая форсунка 18 и указанная вторая форсунка 20 лежат в одной радиально полуплоскости, простирающейся радиально от оси Х корпуса 10. Радиальные полуплоскости DPR1 и DPR2 показаны на Фигуре 3. Первая и вторая форсунки 18 и 20 в первом наборе 22 лежат в первой радиальной полуплоскости DPR1. Подобным образом, первая и вторая форсунки 18 и 20 второго набора 22 лежат во второй радиальной полуплоскости DPR2, которая отличается от первой радиальной полуплоскости DPR1. Наборы 22 первых и вторых форсунок 18 и 20 равномерно разнесены в азимутальном направлении Z. Угол в 90° таким образом лежит между смежными наборами 22.

Все первые форсунки 18, а также все вторые форсунки 20 направлены к выходу относительно корпуса 10. Следует отметить, что направление потока от входа к выходу через корпус 10 показано пунктирными стрелками на Фигуре 1.

В данном примере, каждая из первых форсунок 18 (или каждая из струй, которые они создают) формирует угол α1, лежащий в диапазоне от 10° до 50° относительно нормали к внутренней стенке, этот угол α1 лежит в радиальной плоскости. Каждая из первых форсунок предпочтительно формирует угол α1, составляющий около 20°.

Подобным образом, в данном примере, каждая из вторых форсунок 20 (или каждая из струй, которые они создают), формирует угол α2, лежащий в диапазоне от 30° до 80° относительно нормали к внутренней стенке, этот угол α2 лежит в радиальной плоскости. Предпочтительно, каждая из вторых форсунок формирует угол α2, составляющий около 70°.

Конечно, в одном из вариантов, каждая из форсунок (или каждая из струй, которые они создают) может также формировать угол относительно радиальной плоскости, в которой лежат отверстия форсунок, так, чтобы формировать струю, которая закручивается вокруг осевого направления Х.

Корпус 10 также включает в себя контур 24 для питания форсунок 18 и 20 очищающим веществом. Контур 24 имеет первую кольцевую трубу 24а, питающую первые форсунки 18, и вторую кольцевую трубу 24b, питающую вторые форсунки 20 (см. Фигуру 2). В данном примере трубы 24а и 24b сформированы с помощью литья в ходе изготовления/литья корпуса. Первая и вторая трубы 24а и 24b независимы так, чтобы иметь возможность впрыскивать очищающее вещество в корпус 10 с первым давлением через первые форсунки 18 и со вторым давлением, отличающимся от первого давления, через вторые форсунки 20. Каждая из первой и второй труб 24а и 24b имеет муфту (не показано) для соединения ее с источником подачи очищающего вещества. Конечно, в одном из вариантов, единая общая труба может питать первые и вторые форсунки, или вообще трубы 24а и 24b могут быть соединены друг с другом.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на определенные воплощения, очевидно, что модификации и изменения могут быть выполнены в нем, не нарушая общей сущности изобретения, определенной в прилагаемой формуле изобретения. В частности, отдельные признаки различных воплощений или вариантов, показанных и/или упомянутых, могут быть скомбинированы в дополнительных воплощениях. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не как ограничивающие.

Изобретение относится к корпусу воздухозаборника для турбомашины, и, более точно, к корпусу воздухозаборника, имеющему форсунки для впрыскивания очищающего вещества. Корпус (10) воздухозаборника турбомашины содержит внутреннюю кольцевую стенку (12) и наружную кольцевую стенку (14), образующие воздушный проход (16), и по меньшей мере две форсунки для впрыска очищающего вещества. При этом первая форсунка (18) обращена к наружной стенке (14), в то время как вторая форсунка (20) обращена к внутренней стенке (12). Также представлена турбомашина, которая включает в себя корпус воздухозаборника. Изобретение позволяет упростить конструкцию, а также улучшить равномерность очистки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Корпус (10) воздухозаборника турбомашины, содержащий внутреннюю кольцевую стенку (12) и наружную кольцевую стенку (14), образующие воздушный проход (16), и по меньшей мере две форсунки для впрыска очищающего вещества, отличающийся тем, что первая форсунка (18) обращена к наружной стенке (14), в то время как вторая форсунка (20) обращена к внутренней стенке (12), причем первая форсунка (18) и вторая форсунка (20) расположены на внутренней стенке (12).

2. Корпус (10) воздухозаборника по п. 1, включающий в себя по меньшей мере один набор форсунок (22), содержащий первую форсунку (18), обращенную к наружной стенке (14), и вторую форсунку (20), обращенную к внутренней стенке (12), причем первая форсунка (18) и вторая форсунка (20) набора форсунок (22) расположены в общей радиальной полуплоскости (DPR1).

3. Корпус (10) воздухозаборника по п. 1, имеющий множество первых форсунок (18), равномерно разнесенных по азимуту внутри указанного корпуса (10), и множество вторых форсунок (20), равномерно разнесенных по азимуту внутри указанного корпуса (10).

4. Корпус (10) воздухозаборника по п. 1, в котором первая форсунка (18) и вторая форсунка (20) направлены к выходу, при этом вход и выход рассматриваются относительно входа и выхода направления потока через корпус (10) воздухозаборника.

5. Корпус (10) воздухозаборника по п. 1, в котором первая форсунка (18) расположена выше второй форсунки (20), при этом направления входа и выхода рассматриваются относительно входа и выхода направления потока через корпус (10) воздухозаборника.

6. Корпус воздухозаборника по п. 1, формирующий радиальный корпус (10) воздухозаборника.

7. Корпус (10) воздухозаборника по п. 1, включающий в себя контур (24) подачи очищающего вещества для питания форсунок (18, 20) очищающим веществом.

8. Турбомашина (100), включающая в себя корпус (10) воздухозаборника по любому из пп. 1-7.