НАПРАВЛЯЮЩЕЕ ВОЗДУХ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2019 года по МПК F02C7/04 F04D29/68 

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к области турбомашин для воздушных судов, а конкретнее - касается направляющего воздух устройства турбомашины того типа, которое содержит пару безбандажных встречно вращающихся вентиляторов и широко известно под названием «открытый ротор», а также может входить в состав турбореактивных двигателей воздушных судов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно применение одного или нескольких направляющих воздух устройств. В сечении они обычно принимают форму лепестков, размещенных по окружности вокруг продольной оси турбомашины.

На фиг.1 показан пример турбомашины 1, сечение которой иногда называют двойным лепестком, которая соответствует описанной в документе FR2951502. Конкретнее, эта турбомашина 1 содержит два направляющих воздух устройства 2, каждое из которых имеет S-образную форму. Эти направляющие воздух устройства 2 симметричны вокруг продольной оси X газотурбинного двигателя 1 и связаны с потоком 3 первичного воздуха, который приводит к подаче воздуха в двигатель турбомашины 1, содержащий, по меньшей мере, один компрессор, камеру сгорания и турбину.

Вообще говоря, основной функцией направляющего воздух устройства является как можно более равномерная подача воздуха в двигатель. Вместе с тем, значительное радиальное смещение этих направляющих воздух устройств и тот факт, что последние не являются осесимметричными, вносит возмущение в воздушный поток, который проходит через них и который предназначен для подачи потока первичного воздуха турбомашины. Результат этих возмущений существенен для кпд двигателя.

Конкретнее, направляющее воздух устройство 2 имеет расположенный выше по потоку участок 2am, который принимает вдоль первого направления поток воздуха, который затем направляется посредством отклоняющего участка 2d на расположенный ниже по потоку участок 2av во втором направлении. Этот отклоняющий участок 2d может быть сформирован, как в рассматриваемом примере, из двух последовательных колен. Эффект возмущения, в сущности, обусловлен расслоением, возникающим при изменении направления между расположенным выше по потоку участком 2am и отклоняющим участком 2d. Результатом этого расслоения являются зоны низкого давления (представленные зоной Z), которые вызывают значительные завихрения на выходе, иными словами, на дальнем расположенном ниже по потоку конце расположенного ниже по потоку участка 2av. Чем больше угол отклонения, тем больше расслоение, вызывающее большое возмущение.

Сущность изобретения

Поэтому назначением изобретения является устранение недостатков известных технических решений. В этом контексте, цель изобретения заключается в том, чтобы предложить направляющее воздух устройство для турбомашины, которое уменьшает эффект расслоения.

В связи с этим, изобретение относится к направляющему воздух устройству для турбомашины, содержащему канал подачи воздуха двигателя турбомашины, причем этот канал подачи имеет расположенный выше по потоку участок и расположенный ниже по потоку участок, соединенные друг с другом посредством отклоняющего участка, выполненного так, что он пригоден для направления принимаемого потока воздуха, идущего в первом направлении и поступающего с расположенного выше по потоку участка, во втором направлении внутри расположенного ниже по потоку участка.

Помимо этого, расположенный выше по потоку участок и отклоняющий участок соединены друг с другом посредством внутреннего колена и наружного колена. Во внутреннем колене внутренняя поверхность направляющего воздух устройства имеет желобок, который проходит продольно в направлении длины канала подачи.

Кроме того, продольные края желобка расходятся раструбом в направлении от расположенного ниже по потоку концу расположенного выше по потоку участка канала подачи.

Иными словами, этот желобок находится в месте изменения направления между расположенным выше по потоку участком и отклоняющим участком.

Следует отметить, что желобок локально увеличивает уровень турбулентности. Это увеличение уровня турбулентности ограничивает расслоение пограничного слоя в направляющем воздух устройстве и поэтому увеличивает его отдачу и его возмущение. Иными словами, желобок значительно ограничивает расслоение в направляющем воздух устройстве, поскольку скорость, с которой движется воздушный поток, снижается за счет присутствия желобка.

Вообще говоря, термины «выше по потоку» и «ниже по потоку», употребляемые по всему данному описанию, следует считать относящимися к направлению движения потоков.

В неограничительном варианте осуществления, направляющее воздух устройство может быть образовано втулкой воздухозаборника турбомашины того типа, которая содержит пару безбандажных встречно вращающихся вентиляторов и широко известно под названием «открытый ротор», а также может входить в состав турбореактивных двигателей воздушных судов.

В еще одном неограничительном варианте осуществления, направляющее воздух устройство может быть образовано трубой узла компрессора.

Кроме того, одно преимущество этого желобка по сравнению с вихрегенератором (ВГ) возникает благодаря его бесконтактному характеру в трубе. Его не могут повредить объекты (например, птицы, градины, и т.д.), попадающие в двигатель снаружи. В отличие от этого, вихрегенераторы выступают в трубу и могут быть повреждены засасываемыми снаружи предметами.

Помимо характеристик, о которых сказано в предыдущих абзацах, устройство в соответствии с изобретением может демонстрировать одну или несколько дополнительных характеристик из перечисляемых ниже, рассматриваемых по отдельности или в соответствии с технически осуществимыми комбинациями.

В одном неограничительном варианте осуществления, ширина выше по потоку желобка находится между 0,021×R и 0,082×R, где R - радиус круга, площадь поверхности которого равна входному поперечному сечению расположенного выше по потоку участка канала подачи, где входное поперечное сечение находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси расположенного выше по потоку участка. Термин «продольная ось расположенного выше по потоку участка» относится к оси, проходящей, по существу, в центре и в направлении длины расположенного выше по потоку участка.

В одном неограничительном варианте осуществления, ширина ниже по потоку желобка находится между 0,021×R и 0,082×R, где R - радиус круга, площадь поверхности которого равна входному поперечному сечению расположенного выше по потоку участка канала подачи, где упомянутое входное поперечное сечение находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси расположенного выше по потоку участка.

В одном неограничительном варианте осуществления, длина желобка находится между 0,01×R и 0,21×R, где R - радиус круга, площадь поверхности которого равна входному поперечному сечению расположенного выше по потоку участка канала подачи, где упомянутое входное поперечное сечение находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси расположенного выше по потоку участка.

В одном неограничительном варианте осуществления, высота желобка находится между 0,001×R и 0,012×R, где R - радиус круга, площадь поверхности которого равна входному поперечному сечению расположенного выше по потоку участка канала подачи, где упомянутое входное поперечное сечение находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси расположенного выше по потоку участка.

В одном неограничительном варианте осуществления, по меньшей мере, часть внутренней поверхности желобка имеет неровности.

В одном неограничительном варианте осуществления, часть, расположенная на находящемся выше по потоку конце внутренней поверхности желобка, является гладкой.

В одном неограничительном варианте осуществления, расположенный ниже по потоку конец желобка образует угол больше 90 градусов с внутренней поверхностью желобка.

В одном неограничительном варианте осуществления, направляющее воздух устройство дополнительно содержит канал для удаления нежелательных предметов, причем упомянутый канал для удаления нежелательных предметов соединен с расположенным ниже по потоку концом расположенного выше по потоку участка канала подачи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества изобретения недвусмысленно вытекают из его описания, приводимого ниже в качестве указания со ссылками на прилагаемые чертежи и ни в коем случае не носящего ограничительный характер, при этом:

на фиг.1 показана турбомашина со встречно вращающимися вентиляторами, содержащая два направляющих воздух устройства, в соответствии с уровнем техники;

на фиг.2 схематически показан первый пример направляющего воздух устройства для турбомашины, которое выполнено в соответствии с изобретением;

на фиг.3 схематически показан второй пример направляющего воздух устройства для турбомашины, которое выполнено в соответствии с изобретением;

на фиг.4 схематически показан первый неограничительный пример желобка, который направляющее воздух устройство в соответствии с изобретением содержит;

на фиг.5 схематически показан второй неограничительный пример желобка, который направляющее воздух устройство в соответствии с изобретением содержит;

на фиг.6 показано входное поперечное сечение расположенного выше по потоку участка канала подачи в соответствии с изобретением;

на фиг.7 схематически показаны возможные размеры желобка, который направляющее воздух устройство в соответствии с изобретением содержит;

на фиг.8 схематически показан третий неограничительный пример направляющего воздух устройства в соответствии с изобретением.

На всех чертежах одинаковые элементы обозначены одними и теми же позициями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОГО НЕОГРАНИЧИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 использована для того, чтобы проиллюстрировать направляющее воздух устройство в соответствии с уровнем техники.

На фиг.2 схематически показано направляющее воздух устройство 10 для турбомашины, которое выполнено в соответствии с изобретением. Это направляющее воздух устройство 10 содержит канал 11 подачи воздуха для двигателя турбомашины.

Канал 11 подачи имеет расположенный выше по потоку участок 11am и расположенный ниже по потоку участок 11av, связанные друг с другом участком 11d для отклонения воздушного потока. Конкретнее, воздушный поток попадает в канал 11 подачи через расположенный выше по потоку конец расположенного выше по потоку участка 11am, а потом направляется в первом направлении D1 через расположенный выше по потоку участок 11am к отклоняющему участку 11d. Затем отклоняющий участок 11d направляет этот воздушный поток к расположенному ниже по потоку участку 11av канала 11 подачи, внутри расположенного ниже по потоку участка 11av которого воздушный поток движется во втором направлении D2.

Помимо этого, расположенный выше по потоку участок 11am и отклоняющий участок 11d соединены друг с другом посредством внутреннего колена Ci и наружного колена Ce. Во внутреннем колене Ci (то есть, в месте изменения направления, где обычно возникают эффекты расслоения) область 10i внутренней поверхности направляющего воздух устройства 10 имеет желобок 13 (также именуемый совком 13), который проходит продольно в направлении длины 11L канала 11 подачи.

Область 10i внутренней поверхности соответствует поверхности, которая находится в контакте с движущимися воздушными потоками. Помимо этого, по сравнению с наружным коленом Ce, в иллюстрируемом примере внутреннее колено Ci соответствует колену с наименьшим радиусом кривизны.

Этот желобок 13 задерживает расслоение и таким образом уменьшает или даже исключает генерирование завихрений. Эта конкретная особенность сохраняет гомогенное течение и оптимальное давление на выходе из канала 11 подачи.

В этом неограничительном варианте осуществления, желобок 13 расположен в месте изменения направления воздушного потока, которое обуславливается отклоняющим участком 11d.

На фиг.3 показан второй варианте осуществления возможного направляющего воздух устройства 10 в соответствии с изобретением. Конкретнее, на фиг.3 показаны расположенный выше по потоку участок 11am и внутреннее колено Ci направляющего воздух устройства. За счет прозрачности, можно также заметить присутствие множества желобков 13.

А именно, в этом неограничительном варианте осуществления область 10i внутренней поверхности направляющего воздух устройства 10 содержит - во внутреннем колене Ci - множество желобков 13, которые проходят продольно в направлении длины канала подачи. Присутствие множества желобков 13 интенсифицирует эффект, заключающийся в задержке расслоения. Поэтому движение воздушных потоков внутри направляющего воздух устройства является равномерным, а давление на выходе из канала 11 подачи оптимизировано.

На фиг.4 показан неограничительный вариант осуществления возможного желобка 13, который направляющее воздух устройство в соответствии с изобретением содержит. В этом неограничительном варианте осуществления, продольные края 13L желобка 13 расходятся раструбом в направлении от расположенного ниже по потоку конца расположенного выше по потоку участка 11am канала 11 подачи. Иными словами ширина lam желобка 13 выше по потоку меньше, чем ширина lav желобка 13 ниже по потоку. Эта форма расходящегося желобка 13 замедляет воздушный поток, движущийся внутри желобка 13 и тем самым локально создает зону сдвига, которая увеличивает локальный уровень турбулентности. Этот эффект используется для задержки любых эффектов расслоения, возникающих ниже по потоку.

На фиг.5 схематически показан вариант осуществления возможной внутренней поверхности 13i желобка 13, которую канал подачи, соответствующий изобретению, содержит.

Можно заметить, что в этом неограничительном варианте осуществления продольные края 13L желобка 13 параллельны друг другу.

Кроме того, в этом варианте осуществления внутренняя поверхность 13i желобка 13, которая соответствует поверхности, образующей основание желобка 13, имеет неровности 14 на первом участке P1. Этот первый участок P1 находится на расположенном ниже по потоку конце желобка 13 и содержит множество бороздок 14. Эти бороздки 14 могут быть заменены неровностями любого другого типа. Эти неровности могут быть созданы, например, посредством придания шероховатости внутренней поверхности 13i или нанесения царапин.

В этом варианте осуществления, область 13i внутренней поверхности желобка 13 имеет второй - гладкий - участок P2, допуск которого может составлять, например, ±0,127 мм. Этот второй - гладкий - участок P2 находится на конце расположенного выше по потоку участка желобка 13.

Следует отметить, что это расположение участков P1 и P2 ни в коем случае не является ограничительным. Так, внутренняя поверхность 13i может и не содержать неровности, может содержать их на одном участке, на нескольких участках, отстоящих друг от друга, или на протяжении всей своей поверхности. Аналогичным образом, внутренняя поверхность 13i может не быть гладкой, может быть гладкой на протяжении одного участка, может быть гладкой на протяжении нескольких участков, отстоящих друг от друга, или может быть гладкой на протяжении всей своей поверхности.

В другом неограничительном варианте осуществления, который не показан, внутренняя поверхность желобка 13 может быть, например, шероховатой на своем расположенном выше по потоку конце и своем расположенном ниже по потоку конце.

На фиг.6 показано входное поперечное сечение S расположенного выше по потоку участка 11am канала подачи в соответствии с изобретением. Показанное входное сечение S находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси X расположенного выше по потоку участка 11am канала 11 подачи. В этом неограничительном варианте осуществления, входное сечение S имеет форму лепестка.

Размеры желобка 13 можно определять, например, в соответствии с кругом C, где площадь поверхности этого круга C равна площади поверхности области входного поперечного сечения расположенного выше по потоку участка S расположенного выше по потоку участка 11am канала 11 подачи.

Так, например:

ширина lam выше по потоку (изображенная на фиг.7) желобка 13 находится между 0,021×R и 0,082×R, где R - радиус круга С, площадь поверхности которого равна площади поверхности входного поперечного сечения S расположенного выше по потоку участка 11am канала 11 подачи;

ширина lav ниже по потоку желобка 13 находится между 0,021×R и 0,082×R;

желобок 13 имеет длину L между 0,01×R и 0,21×R;

желобок 13 имеет высоту H между 0,001×R и 0,012×R.

В этом примере, расположенный ниже по потоку конец e13 желобка 13 образует угол больше 90 градусов с внутренней поверхностью 13i желобка. Таким образом, канал 11 подачи не имеет поверхности для останова воздушного потока, которая могла бы создавать турбулентность.

На фиг.8 схематически показан второй неограничительный пример направляющего воздух устройства в соответствии с изобретением. В этом варианте осуществления, направляющее воздух устройство 10, помимо упомянутых особенностей, содержит канал 15 для удаления нежелательных предметов. Канал 15 для удаления нежелательных предметов соединен с расположенным ниже по потоку концом расположенного выше по потоку участка 11am канала 11 подачи.

Следует отметить, что направляющее воздух устройство в соответствии с изобретением применимо к турбовинтовому двигателю, содержащему направляющее воздух устройство, несколько направляющих воздух устройств или выполненного с открытым ротором.

Иными словами, направляющее воздух устройство 10 применимо к следующим воздухозаборникам:

типа одиночного лепестка для турбовинтового двигателя;

типа сдвоенного лепестка для турбовинтового двигателя; или

типа сдвоенного лепестка для компоновки «отрытый ротор».

В общем случае, размеры канала 11 подачи зависят от мощности двигателя, а также от места нахождения. Следовательно, размеры 11 канала подачи можно изменять в соответствии с мощностью двигателя и местом нахождения упомянутого канала подачи.

Изобретение относится к направляющему воздух устройству (10) для газотурбинного двигателя, содержащему канал (11) подачи воздуха к газотурбинному двигателю. Причем упомянутый канал (11) подачи имеет расположенный выше по потоку участок (11am) и расположенный ниже по потоку участок (11av), соединенные друг с другом посредством отклоняющего участка (11d). Причем упомянутый расположенный выше по потоку участок (11am) и упомянутый отклоняющий участок (11d) соединены друг с другом посредством внутреннего колена (Ci) и наружного колена (Ce). В упомянутом внутреннем колене (Ci) внутренняя поверхность (10i) направляющего воздух устройства (10) имеет желобок (13), проходящий продольно в продольном направлении (11L) канала (11) подачи, а продольные края (13L) желобка расходятся раструбом в направлении расположенного ниже по потоку конца расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи. Желобок локально увеличивает уровень турбулентности. Это увеличение уровня турбулентности ограничивает расслоение пограничного слоя и повышает равномерность потока в направляющем воздух устройстве. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Направляющее воздух устройство (10) для газотурбинного двигателя, содержащее канал (11) подачи воздуха к газотурбинному двигателю, причем канал (11) подачи имеет расположенный выше по потоку участок (11am) и расположенный ниже по потоку участок (11av), соединенные друг с другом посредством отклоняющего участка (11d), выполненного с возможностью направления потока воздуха, принимаемого в первом направлении (D1) и поступающего из расположенного выше по потоку участка (11am), во втором направлении (D2) в пределах расположенного ниже по потоку участка (11av), причем расположенный выше по потоку участок (11am) и упомянутый отклоняющий участок (11d) соединены друг с другом посредством внутреннего колена (Ci) и наружного колена (Ce), при этом во внутреннем колене (Ci) внутренняя поверхность (10i) направляющего воздух устройства (10) имеет желобок (13), который проходит продольно в направлении длины (11L) канала (11) подачи, при этом продольные края (13L) желобка (13) расходятся в направлении расположенного ниже по потоку конца расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи, отличающееся тем, что желобок (13) имеет длину (L) между 0,01×R и 0,21×R, где R - радиус круга (C), площадь поверхности которого равна площади поверхности входного поперечного сечения (S) расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи.

2. Направляющее воздух устройство (10) по п.1, отличающееся тем, что ширина (lam) выше по потоку желобка (13) находится между 0,021×R и 0,082×R, где R - радиус круга (C), площадь поверхности которого равна площади поверхности входного поперечного сечения (S) расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи.

3. Направляющее воздух устройство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что ширина (lav) ниже по потоку желобка (13) находится между 0,021×R и 0,082×R, где R - радиус круга (C), площадь поверхности которого равна площади поверхности входного поперечного сечения (S) расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи.

4. Направляющее воздух устройство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что желобок (13) имеет высоту (H) между 0,001×R и 0,012×R, где R - радиус круга (C), площадь поверхности которого равна площади поверхности входного поперечного сечения (S) расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи.

5. Направляющее воздух устройство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один участок области (13i) внутренней поверхности желобка (13) имеет неровности.

6. Направляющее воздух устройство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что один участок, расположенный на находящемся выше по потоку конце области (13i) внутренней поверхности желобка (13), является гладким.

7. Направляющее воздух устройство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что между расположенным ниже по потоку концом желобка (13) и областью (13i) внутренней поверхности желобка (13) образован угол (α), превышающий 90°.

8. Направляющее воздух устройство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что дополнительно содержит канал (15) для удаления нежелательных предметов, причем канал (15) для удаления нежелательных предметов соединен с расположенным ниже по потоку концом расположенного выше по потоку участка (11am) канала (11) подачи.