Диффузор кольцевой Российский патент 2024 года по МПК F01D25/30 F15D1/06 F04D29/54 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в газотурбинных двигателях, в частности, в камерах сгорания, выхлопных патрубках, а также в других конструктивных элементах в форме диффузора.

Из газовой динамики известно, что при движении газообразного рабочего тела в расширяющихся каналах диффузорного типа кольцевой, прямоугольной или конической формы происходит снижение скорости движения рабочего тела и преобразование части кинетической энергии потока в прирост статического давления. Диффузор должен создавать устойчивое равномерное поле скорости в его выходном сечении при минимальных потерях давления потока. При движении газа в диффузоре на поверхности его внутренних гладких стенок образуется более толстый, чем в безградиентном потоке, пограничный слой, который повышает потери давления в диффузоре (см. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.).

Известно, что наименьшие потери полного напора и наиболее равномерное поле скоростей на выходе обеспечивают безотрывные диффузоры с профилированным изоградиентным изменением площади проходного сечения и углом раскрытия, не превышающим 12° (см. Резник В.Е., Данильченко В.П., Болотин Н.Б. и др. Инженерные основы проектирования камер сгорания ГТД: учебное пособие. – Куйбышев: КуАИ, 1981. – 80 с.). Однако, эти диффузоры имеют достаточно большую длину, что увеличивают осевые габариты как данного конструктивного элемента, так и всего двигателя в целом.

При больших углах раскрытия диффузора происходит отрыв потока от его внутренних гладких стенок. Возникающие при этом отрывные течения повышают степень турбулентности и интенсивность самоорганизации и взаимодействия крупномасштабных вихревых структур, перемешивающих поток.

Поэтому разработка конструкций диффузоров различной формы и малой длины, работающих с высокой эффективностью и с минимальными гидравлическими потерями является актуальной целью при совершенствовании газотурбинных двигателей. Для достижения этой цели существует ряд методов снижения длины диффузора.

Известны конструкции диффузоров, описание которых представлено в авторских свидетельствах № 1281689 F01D 25/30 опубл. 1985г, Бюл. № 1, № 1636602 МПК F04D 29/44, F01D 25/30 1989г опубл. 1991г, Бюл. № 11. и патенте на изобретение РФ 2469214 МПК F04D 29/44; F04D 29/ 54; F03B 11/00 опубл. 2012г, Бюл. № 2. Отличительной особенностью конструкций диффузоров, описанных в авторских свидетельствах, является выполнение на их гладких внутренних обтекаемых рабочим телом стенках продольных равномерно расположенных по потоку прямых пазов или, как показано в патенте, пазов, выполненных под углом к образующей внутренней поверхности корпуса диффузора.

Обтекание продольных прямых и наклонных пазов, выполненных на внутренней гладкой поверхности диффузоров, приводит к интенсивному разрушению пограничного слоя. Однако при этом генерируемые в пазах вихревые моды начинают взаимодействовать с основным потоком, нарушая равномерность его течения в пристеночном слое и в выходном сечении диффузора. Также, в качестве недостатка, можно выделить сложность технологии изготовления таких поверхностей и удорожание производства диффузоров рассматриваемых конструкций.

Известен диффузор основной камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя (см. патент РФ № 2159898 МПК F23R 3/26, опубл. 2000г, Бюл. № 33). Диффузор содержит корпус с расположенными в нем телескопическими кольцами и диффузорный канал. Диффузорный канал образован рядом телескопических колец, соединенных между собой фиксаторами. Фиксаторы установлены с возможностью изменения формы диффузорного канала в зависимости от режима работы, принимая форму либо изоградиентного, либо канала с внезапным расширением. Такой вариант выполнения диффузора повышает эффективность его работы на различных режимах работы газотурбинного двигателя.

Однако данная конструктивная схема обладает рядом недостатков при установке на авиационном двигателе: увеличенная масса, за счет нескольких перекрывающихся между собой кольцевых секций, а также из-за наличия подвижных частей; низкая надежность механизма из-за расположения в зоне с высокой температурой, что также снижает надежность всего двигателя в целом; сложность обеспечения согласованной работы системы телескопических колец-фиксаторов на переходных режимах работы двигателя, что вызывает нарушение равномерности поля скоростей по ходу движения потока в отдельных секциях диффузора; сложность конструкции.

Известен диффузор камеры сгорания газотурбинного двигателя (см. полезную модель РФ № 213844 МПК F04D 29/54; F04D 29/44; F01D 25/30, опубл. 2022г, Бюл. № 28). Диффузор содержит преддиффузор, в качестве которого используется несколько секций профилированных поверхностей, угол раскрытия которых постоянен для каждой секции и увеличивается в направлении от входного к выходному сечению, или содержащий внутреннюю профилированную поверхность, выполненную в виде плавно изменяющегося сечения с увеличением площади по ходу движения потока воздуха, на которой выше по потоку от вероятной точки отрыва потока расположены поперечные канавки, далее по ходу движения потока воздуха преддиффузор соединен с участком внезапного расширения.

При использовании поперечных канавок вместо крупных вихревых течений, характерных для гладкостенного диффузора с высокой степенью раскрытия, образуются небольшие вихри на внутренних стенках канала, способствующие интенсификации турбулентности и обмену кинетической энергией в поперечном сечении потока. Это, в свою очередь, способствует выравниванию профиля скорости и снижению потерь полного давления. Кроме того, использование поперечных канавок позволяет за каждой из них уменьшить толщину пограничного слоя и предотвратить отрыв потока от стенок диффузора или перенести отрыв ближе к выходу из участка.

К недостаткам данной конструкции диффузора следует отнести выполнение поперечных канавок только в последней по ходу движения потока воздуха секции преддифузора. Также вызывает сомнение отсутствие влияния обмена кинетической энергией в поперечном сечении потока между вихрями, образующимися в поперечных канавках, и основным потоком на выравнивание профиля скорости в пристенном слое и в выходном сечении преддифузора. Изготовление в преддифузоре нескольких по ходу движения потока смежных секций профилированных поверхностей с постоянными углами раскрытия и поперечных канавок в последней из них повышает сложность конструкции диффузора.

Известна конструкция теплообменной поверхности, выполненная в виде трубы, с нанесенными на её наружной поверхности в шахматном порядке сферических выемок с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, где h - максимальная глубина сферической выемки, d - диаметр в плане сферической выемки (см. Александров А.А., Горелов Г.М., Данильченко В.П., Резник В.Е. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при обтекании поверхностей с развитой шероховатостью в виде сферических углублений // Пром. теплотехника. 1989. Т.11, №6. С.57–61.).

Сферическая выемка с относительной глубиной h/d=0,1-0,2 образована двумя равными плавно соединенными половинами, передняя половина по ходу движения основного потока выполнена в форме диффузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, а задняя половина – в форме конфузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане.

При обтекании теплоносителем внутренних стенок диффузорного сегмента передней половины выемки с относительной глубиной h/d=0,1-0,2 на их поверхности образуются продольные микровихри наподобие вихрей Тейлора-Гёртлера, возникающие в вязком подслое пограничного слоя сравнительно небольших размеров (см. Афанасьев В.Н., Чудновский Я.П. Экспериментальное исследование структуры течения в одиночной впадине // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение, 1993. № 1.С. 85-95). Эти микровихри прилегают к обтекаемой поверхности, как бы повторяя ее профиль и поэтому не создают больших гидравлических потерь, но способствуют интенсификации теплообмена.

При обтекании теплоносителем внутренних стенок конфузорного сегмента задней половины выемки с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, сгенерированные в диффузорном сегменте передней половины сферической выемки, микровихри возвращаются в основной поток. При этом происходит разрушение вязкого подслоя на исходно гладкой поверхности за выемкой при минимальном воздействии на пограничный слой.

Недостатком данной конструкции теплообменной поверхности со сферическими выемками с относительной глубиной h/d=0,1-0,2 относится незначительное увеличение эффективности теплообмена из-за небольших значений коэффициента теплоотдачи на охлаждаемой поверхности по сравнению с сферическими выемками с относительной глубиной h/d˃0,2, что усложняет создание высокоэффективного, компактного теплообменного устройства.

Известен диффузор кольцевой, прямоугольной или конической формы с углом раскрытия более 14° наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип (см. авторское свидетельство № 149175 МПК F04F 5/14 опубл. 1962 г, Бюл. № 15). Данный диффузор для повышения эффективности действия установки и сокращения продольной длины снабжен поперечными ребрами одинаковой или различной высоты и толщины. Эти ребра расположены перпендикулярно или под каким-нибудь другим углом к поверхности проточной части диффузора. При этом верхние концы ребер вписываются в первоначальную гладкую поверхность диффузора. Шаг ребер может быть постоянным или переменным, а взаимодействуют они со всей поверхностью проточной части диффузора целиком или частично. Наличие таких ребер снижает степень отрыва потока, проходящего по проточной части диффузора, за счет локализации в межреберных полостях вихревых течений, которые интенсивно захватывают частицы из основного потока.

Описанный диффузор позволяет повысить коэффициент полезного действия установки, в которых он применяется, а также уменьшить её габариты и снизить вес.

В качестве недостатка прототипа следует отметить, что циркуляция частиц потока между вихревыми течениями, возникающими в межреберных полостях, и частицами из основного потока приводит к разрушению пограничного слоя, но при этом нарушает равномерность поля скоростей по ходу движения потока течения как у стенок диффузора, так и в его выходном сечении.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности работы диффузоров малой длины кольцевой формы с углом раскрытия более 14° с минимальными гидравлическими потерями.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении потерь полного давления и устранении отрыва потока от стенок диффузоров различной формы, повышении статического давления и обеспечении равномерности профиля скорости на выходе из диффузора, что позволит уменьшить продольную длину диффузоров и, как следствие, сократить размеры конструктивных элементов газотурбинного двигателя.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в том, что в диффузоре кольцевой формы с углом его раскрытия более 14°, новым является то, на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора в шахматном порядке выполнены сферические выемки, образованные двумя равными плавно соединенными половинами, передняя половина по ходу движения основного потока выполнена в форме диффузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, а задняя половина – в форме конфузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, сферические выемки выполнены с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, где h - максимальная глубина сферической выемки, d - диаметр в плане сферической выемки.

Сферические выемки выполнены с максимально возможной плотностью их расположения на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлена 3D модель кольцевого диффузора со сферическими выемками с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, выполненными на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора в шахматном порядке.

На фиг. 2 представлен продольный разрез в плоскости меридионального сечения 3D модели кольцевого диффузора со сферическими выемками с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, с выделенным увеличенным элементом разреза, показанным на позиции I.

Где:

1 – кольцевой диффузор;

2 – поверхность внутренних гладких стенок диффузора;

3 – сферическая выемка с относительной глубиной h/d=0,1-0,2;

θ_д – угол раскрытия диффузора;

d – диаметр в плане сферической выемки с относительной глубиной h/d=0,1-0,2;

h – максимальная глубина сферической выемки с относительной глубиной h/d=0,1-0,2 ;

l – протяженность передней и задней половин сферической выемки с относительной глубиной h/d=0,1-0,2;

– направление движения основного потока в диффузоре.

Предлагаемое изобретение позволяет снизить потери полного давления и устранить отрывы потока от стенок диффузоров различной формы, повысить статическое давление и обеспечить равномерность профиля скорости на выходе из диффузора за счет гидродинамического воздействия сферических выемок с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, выполненных в шахматном порядке на поверхности внутренних гладких стенок диффузора, что позволит уменьшить продольную длину диффузоров и, как следствие, размеры конструктивных элементов газотурбинного двигателя.

Диффузор работает следующим образом. Основной поток рабочего тела, двигаясь в продольном направлении (показано стрелкой на фиг. 2), поступает внутрь диффузора 1 (фиг. 1, 2) с углом раскрытия θ_д (фиг. 2) и протекает через диффузор 1 (фиг. 1, 2), взаимодействуя с поверхностью 2 его внутренних гладких стенок, на которых в шахматном порядке выполнены сферические выемки 3 с относительной глубиной h/d=0,1-0,2 (далее по тексту выемки). При обтекании основным потоком выемок 3 часть основного потока попадает внутрь выемок 3 и обтекает их переднюю по ходу движения половину, выполненную в форме диффузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане. При этом на стенках диффузорного сегмента передней половины выемок 3 протяженностью в продольном направлении l = 0,5d генерируются продольные микровихри сравнительно небольших размеров, наподобие вихрей Тейлора-Гёртлера, возникающие в вязком подслое пограничного слоя. Образовавшиеся микровихри перемещаются внутри выемок 3 в продольном направлении, совпадающим с направлением движения основного потока, и прилегают к обтекаемой поверхности диффузорного сегмента, как бы повторяя ее профиль, разрушая при этом вязкий подслой пограничного слоя.

Сгенерированные в диффузорном сегменте передней половины выемки 3 микровихри с помощью конфузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане второй половины выемки 3 протяженностью в продольном направлении l = 0,5d возвращаются в основной поток в процессе обтекания внутренних стенок. При этом происходит разрушение вязкого подслоя на исходно гладкой поверхности 2 между выемками 3 при минимальном воздействии на пограничный слой.

Максимальная плотность расположения выемок 3, оказывающих взаимное влияние друг на друга, повышает эффективность гидродинамических процессов, обеспечивающих снижение гидравлических потерь и препятствующих возникновению отрывных течений при увеличении угла раскрытия диффузора θ_д ˃14° (фиг. 2). Это позволяет обеспечивать устойчивость и равномерность поля скорости основного потока в выходном сечении диффузора при снижении его продольной длины.

Количество и размеры выемок 3, выполненных на внутренней поверхности 2 гладких стенок диффузора 1 (фиг. 1, 2), обусловлены необходимостью обеспечения максимальной плотности расположения выемок 3 и технологическим способом их изготовления. Простая форма выемок 3 может быть выполнена с применением традиционных способов изготовления (штамповка, выдавливание и др.), или с применением аддитивных технологий.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в газотурбинных двигателях для формирования потока рабочего тела, в частности, в камерах сгорания, выхлопных патрубках, а также других конструктивных элементах в форме диффузора и позволяет снизить потери полного давления и устранить отрывы потока от стенок диффузоров различной формы, повысить статическое давление и обеспечить равномерность профиля скорости на выходе из диффузора, что позволит уменьшить продольную длину диффузоров и, как следствие, размеры конструктивных элементов газотурбинного двигателя. Диффузор кольцевой с углом его раскрытия более 14°, отличающийся тем, на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора в шахматном порядке выполнены сферические выемки, образованные двумя равными плавно соединенными половинами, передняя половина по ходу движения основного потока выполнена в форме диффузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, а задняя половина – в форме конфузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, сферические выемки выполнены с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, где h - максимальная глубина сферической выемки, d - диаметр в плане сферической выемки. Сферические выемки выполнены с максимально возможной плотностью их расположения на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора. Изобретение повышает эффективности работы диффузоров различной формы с уменьшенной продольной длиной и углом раскрытия более 14° с минимальными гидравлическими потерями. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Диффузор кольцевой, с углом его раскрытия более 14°, отличающийся тем, на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора в шахматном порядке выполнены сферические выемки, образованные двумя равными плавно соединенными половинами, передняя половина по ходу движения основного потока выполнена в форме диффузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, а задняя половина – в форме конфузорного сегмента в плоскости меридионального сечения и в плане, сферические выемки выполнены с относительной глубиной h/d=0,1-0,2, где h - максимальная глубина сферической выемки, d - диаметр в плане сферической выемки.

2. Диффузор по п.1, отличающийся тем, что сферические выемки выполнены с максимально возможной плотностью их расположения на всей поверхности внутренних гладких стенок диффузора.