Площадка компрессора газотурбинного двигателя, компрессор газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель - RU2456458C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение касается площадки компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя с первичным потоком и вторичным потоком, при этом площадка ограничивает часть поверхности носовой части, вокруг которой циркулирует первичный поток, и содержит установленные на ней лопатки, выполненные в радиальном направлении наружу, начиная от площадки.

В газотурбинном двигателе, например, по патенту US 6991428, входящий воздух делится на два потока: первичный поток, который проходит в центральную зону, и вторичный поток, который охватывает первичный поток в окружном направлении. Радиально наружная граница первичного потока, то есть область, где первичный и вторичный потоки соприкасаются, по существу образует цилиндр, ось которого является параллельной главной оси газотурбинного двигателя. При вхождении в контакт с носовой частью газотурбинного двигателя первичный поток в центральной области проходит, вращаясь и обдувая стенки носовой части газотурбинного двигателя, которая имеет форму конуса, расширяющегося в направлении прохождения воздуха, до входа в окружной контур, где стенки носовой части постепенно становятся параллельными главной оси газотурбинного двигателя. Часть конической стенки носовой части на входе в контур в направлении циркуляции первичного потока образована площадкой, называемой площадкой компрессора, на которой установлены лопатки. Эти лопатки позволяют сжимать воздух первичного потока и придавать ему осевое вращательное движение. Проходя вдоль этого конуса между лопатками компрессора до входа в контур и при этом вращаясь, первичный поток сжимается также в радиальном направлении между стенкой конуса и вторичным воздушным потоком, и его внутренняя граница удаляется от главной оси газотурбинного двигателя. Такой механизм позволяет получить на входе контура сжатый воздух, энергия которого увеличилась, так как он вращается по отношению к главной оси газотурбинного двигателя со средним радиусом (среднее расстояние относительно главной оси), который превышает его первоначальный средний радиус.

Первичный и вторичный потоки разделяются на входе окружного контура, охватывая носовую часть газотурбинного двигателя, при этом первичный поток заходит в контур, а вторичный поток проходит вдоль радиально наружной поверхности кольцевой стенки, ограничивающей контур снаружи. В этом контуре находятся лопатки, выполненные в радиальном направлении и позволяющие еще больше сжимать первичный поток. Желательно, чтобы воздух первичного контура, поступающий в контур, был максимально сжатым, чтобы облегчить работу сжатия этого воздуха компрессором низкого давления контура. Эффективность сжатия воздуха первичного потока лопатками компрессора повышается с увеличением числа лопаток. Однако стоимость лопаток является высокой. Существует возможность уменьшения числа лопаток. Сокращение числа лопаток приводит к уменьшению веса площадки и, следовательно, к уменьшению ее инерции. Однако в площадке компрессора, содержащей меньше лопаток, сжатие воздуха, проходящего между лопатками, становится затрудненным. В результате затрудняется работа компрессора на выходе.

Задачей настоящего изобретения является устранение или, по крайней мере, ограничение вышеуказанных недостатков.

Задача решается тем, что на площадке компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя с первичным потоком и вторичным потоком, ограничивающей часть поверхности носовой части, вокруг которой циркулирует первичный поток, и содержащей установленные на ней лопатки, выполненные в радиальном направлении наружу, начиная от площадки, согласно изобретению между двумя смежными лопатками предусмотрен по меньшей мере один выступ, выступающий в пространство между двумя лопатками, предназначенный для создания компрессии воздуха первичного потока и находящийся в наиболее нижней по потоку зоне пространства, занимающей 30% или 40% указанного пространства, причем выступ находится максимально близко к задним кромкам лопаток в направлении циркуляции первичного потока.

Целесообразно, чтобы по меньшей мере один выступ был выполнен ковкой вместе с площадкой.

Целесообразно также, чтобы по меньшей мере один выступ был выполнен механической обработкой в площадке.

Предпочтительно, чтобы расстояние между вершиной по меньшей мере одного выступа и местом соединения передней кромки выступа с площадкой превышало расстояние между вершиной и местом соединения задней кромки выступа с упомянутой площадкой.

Предпочтительно также, чтобы радиально наружный конец по меньшей мере одного выступа имел наклон в сторону направления вращения упомянутой площадки.

Предпочтительно также, чтобы по меньшей мере один выступ был выполнен изогнутым по всей своей длине вдоль своего радиального направления в сторону направления вращения упомянутой площадки.

Предпочтительно также, чтобы указанная площадка содержала два выступа между двумя смежными лопатками.

Еще одним объектом настоящего изобретения является компрессор газотурбинного двигателя, содержащий лопатки, установленные на вышеуказанной площадке.

Еще одним объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, оборудованный вышеуказанным компрессором.

Таким образом, в настоящем изобретении предлагается площадка компрессора газотурбинного двигателя, которая позволяет наиболее эффективно сжимать воздух первичного потока при заданном количестве лопаток, установленных на площадке.

Этот технический результат достигается за счет того, что, как было упомянуто выше, между двумя смежными лопатками на площадке предусмотрен, по меньшей мере, один выступ, предназначенный для участия в компрессии воздуха первичного потока, находящийся в зоне вышеупомянутого пространства между лопатками, расположенной максимально низко по потоку и занимающей 40% этого пространства, причем выступ находится максимально близко к задним кромкам лопаток в направлении циркуляции первичного потока.

Благодаря этим выступам, которые выходят в пространство, где циркулирует первичный поток, воздух первичного потока, проходящий между лопатками, сжимается в большей степени по сравнению с конфигурацией без выступов. Кроме того, каждый выступ позволяет снизить интенсивность завихрения, которое возникает, начиная от передней кромки каждой лопатки (то есть конца лопатки, находящегося максимально ниже по потоку в направлении циркуляции первичного потока), в месте, где он соединяется с площадкой. Эти завихрения являются зонами турбулентности, которые являются нежелательными, так как они снижают эффективность лопаток. Таким образом, площадка в соответствии с настоящим изобретением является по существу такой же эффективной, как и площадка с большим числом лопаток, зато является гораздо более дешевой и более легкой, так как выступы, менее дорогие в изготовлении и требующие для изготовления меньше материала, заменяют часть лопаток.

Предпочтительно, чтобы выступ занимал зону, охватывающую 30% пространства, ограниченного лопатками, и находящуюся как можно ниже по потоку в направлении циркуляции первичного потока.

Такое положение выступа позволяет снизить интенсивность завихрения, которое возникает, начиная от передней кромки лопатки, и которое создает зону турбулентности, мешающую прохождению воздуха между лопатками.

Настоящее изобретение в дальнейшем поясняется описанием варианта его осуществления, представленного в качестве неограничительного примера. Описание приведено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует вид в продольном разрезе передней части двухконтурного газотурбинного двигателя с указанием расположения первичного потока и вторичного потока.

Фиг.2 - вид в изометрии площадки в соответствии с настоящим изобретением с двумя смежными лопатками.

Фиг.3 - вид в поперечном разрезе по линии III-III фиг.2.

Фиг.4 - вид площадки в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда выступы содержат закругленную заднюю кромку.

Фиг.5А и 5 В - вид площадки в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда выступы не являются прямолинейными.

Фиг.6 - вид площадки в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда пространство между двумя смежными лопатками содержит два выступа.

На фиг.1 показана передняя часть двухконтурного газотурбинного двигателя, главной осью которого является ось А. С учетом симметрии относительно оси А на фигуре показана только верхняя половина газотурбинного двигателя. В дальнейшем тексте описания термином «передний» обозначается часть детали, находящаяся на вверх по потоку воздушного потока, проходящего в газотурбинном двигателе, и термином «задний» - часть детали, находящаяся вниз по потоку этого воздушного потока.

Передняя часть газотурбинного двигателя содержит носовую часть 10, заостренный конец которой направлен вперед, то есть влево на фиг.1. Эта носовая часть сначала расширяется вправо, следуя по существу форме конуса, затем стенки носовой части постепенно становятся параллельными оси А, образуя, по существу, цилиндр с осью А. Носовая часть 10 охвачена по существу цилиндрическим наружным картером 17, осью симметрии которого является ось А. Радиально внутренняя поверхность 18 наружного картера 17 и поверхность 12 носовой части 10 ограничивают кольцевую область, в которой циркулирует воздушный поток. Газотурбинный двигатель перемещается справа налево, то есть воздушный поток циркулирует между наружным картером 17 и носовой частью 10 слева направо в направлении стрелки F.

Сзади относительно переднего конца наружного картера 17 находится кольцевая часть 20, которая имеет, по существу, форму цилиндра с осью вращения А. Вместе с носовой частью 10 эта кольцевая стенка 20 ограничивает кольцевой контур 5. Кольцевая стенка 20 делит воздушный поток на первичный поток 1, который входит в контур 5, и на вторичный поток 2, который охватывает в окружном направлении первичный поток 1. Таким образом, первичный поток ограничен носовой частью 10 и вторичным потоком, затем носовой частью 10 и кольцевой стенкой 20, тогда как вторичный поток ограничен первичным потоком и радиально внутренней поверхностью 18 наружного картера 17, затем кольцевой стенкой 20 и радиально внутренней стенкой 18 наружного картера 17. Область раздела между первичным потоком 1 и вторичным потоком 2 спереди кольцевой стенки 20 имеет, таким образом, по существу форму цилиндра 3, осью симметрии которого является ось А.

По мере прохождения в газотурбинном двигателе вторичный поток 2 имеет, таким образом, постоянное сечение и занимает кольцевой объем, ограниченный цилиндром 3 и радиально внутренней поверхностью 18 наружного картера 17. С учетом того, что носовая часть 10 имеет конусообразную форму, поперечное сечение кольцевой области, в которой циркулирует первичный воздушный поток 1, уменьшается по мере прохождения воздуха в газотурбинном двигателе (слева направо на фиг.1), так как эта область ограничена снаружи цилиндром 3 и изнутри поверхностью 12 носовой части 10, которая постепенно удаляется от оси А в направлении циркуляции воздушного потока. Поэтому воздух, поступающий в контур 5, сжимается.

Кроме того, окружная часть поверхности 12 носовой части 10 спереди контура 5 образована площадкой 40 компрессора, на которой установлены лопатки 30. Эти лопатки 30 распределены вдоль окружности площадки 40 через равномерные промежутки и позволяют сжимать воздух первичного потока 1 и придавать ему движение осевого вращения.

Как показано на фиг.2 и 3, лопатки 30 выполнены изогнутыми вдоль их ширины (ширина лопатки является размером по существу в направлении главной оси А газотурбинного двигателя) таким образом, что каждая лопатка 30 содержит вогнутую сторону 32 и выпуклую сторону 33, которые спереди соединяются на передней кромке 34 и сзади - на задней кромке 35. Вогнутая сторона 32 лопаток 30 направлена в сторону направления вращения площадки 40, при этом направление вращения показано на фиг.2 и 3 стрелкой R, слева направо. Таким образом, стрелка R по существу перпендикулярна к оси А. Выпуклая сторона 33 лопатки расположена напротив вогнутой стороны 32 смежной лопатки 30. Две смежные лопатки 30 ограничивают пространство 38. Первичный поток циркулирует в пространстве 38 от передних кромок 34 лопаток 30 к задним кромкам 35 в направлении стрелки F и во время этого прохождения сжимается.

Площадка 40 содержит выступ 50, выполненный по линии, расположенной по существу на равном расстоянии от двух смежных лопаток 30. Выступ 50 содержит переднюю кромку 54, расположенную спереди, и заднюю кромку 55, расположенную сзади. Выступ 50 имеет форму плавника, который направлен радиально наружу по отношению к площадке 40. Выступ 50 может быть прямолинейным или изогнутым аналогично лопаткам 30 и в том же направлении. Выступ 50 имеет высоту, меньшую высоты лопаток 30 и даже намного меньшую. Выступ 50 может быть выполнен ковкой вместе с площадкой 40. Выступ 50 может быть также выполнен механической обработкой в площадке 40.

Как показано на фиг.3, передняя кромка 54 образует с площадкой 40 угол, меньший угла, который задняя кромка 55 образует с площадкой 50, то есть точка выступа, наиболее удаленная от площадки 40, находится ближе всего к месту, где задняя кромка 55 соединяется с площадкой 40. Например, вершина 56 может находиться в продолжение задней кромки 55, являющейся прямолинейной. Задняя кромка может также проходить в радиальном направлении перпендикулярно площадке 40, так что вершина находится на вертикали от места соединения задней кромки с площадкой 40. В альтернативном варианте, как показано на фиг.4, выступ 50 может иметь закругленную заднюю кромку 55.

Согласно фиг.2 и 3, выступ 50 находится в зоне пространства 38, ближе к его задней части, то есть ближе к задним кромкам 35, чем к передним кромкам 34 лопаток 30. Таким образом, выступ 50 более эффективно снижает интенсивность завихрения 60, которое возникает в пространстве 38, начиная от передней кромки 34 лопатки 30. Например, выступ 50 расположен таким образом, чтобы 60% пространства 38 находилось спереди места соединения передней кромки 54 с площадкой 40, а 40% пространства находилось сзади места соединения передней кромки 54 с площадкой 40. Например, выступ 50 расположен таким образом, чтобы 70% пространства 38 находилось спереди места соединения передней кромки 54 с площадкой 40, а 30% пространства находилось сзади места соединения передней кромки 54 с площадкой 40.

Выступ 50 может располагаться по отношению к оси А полностью в радиальной плоскости, перпендикулярной площадке 40. Выступ 50 может также содержать радиально наружный конец 510, имеющий наклон в сторону направления вращения площадки 40, показанного стрелкой R на фиг.5А, то есть слева направо. Таким образом, радиально наружный конец 510 образует угол с радиально внутренней частью выступа, перпендикулярной к площадке 40, как показано на фиг.5А. Выступ 50 может также содержать вдоль своего радиального направления несколько частей, последовательно наклоненных относительно друг друга в сторону направления вращения площадки 40.

Как показано на фиг.5 В, выступ 50 может также быть изогнутым по всей своей длине в радиальном направлении в сторону направления вращения площадки 40, показанного стрелкой R. В этом случае часть выступа 50, где он соединяется с площадкой 40, может быть перпендикулярной к площадке или иметь наклон относительно площадки 40 в сторону, противоположную направлению вращения.

Настоящая заявка не ограничивается описанными вариантами выполнения. В частности, между каждой парой смежных лопаток 30 может находиться несколько выступов 50. Например, площадка 40 может содержать между двумя смежными лопатками 30 два выступа, как показано на фиг.6.

Реферат

Площадка компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя с первичным и вторичным потоками, ограничивающая часть поверхности носовой части, вокруг которой циркулирует первичный поток, содержит установленные на ней лопатки, выполненные в радиальном направлении наружу, начиная от площадки. Между двумя смежными лопатками предусмотрен выступ, выступающий в пространство между двумя лопатками, предназначенный для создания компрессии воздуха первичного потока и находящийся в наиболее нижней по потоку зоне пространства между лопатками, занимающей 30% или 40% этого пространства. Выступ находится максимально близко к задним кромкам лопаток в направлении циркуляции первичного потока. Еще одно изобретение группы относится к компрессору газотурбинного двигателя, содержащему лопатки, установленные на указанной выше площадке. Другое изобретение относится к газотурбинному двигателю, оборудованному вышеуказанным компрессором. Изобретения позволяют повысить эффективность сжатия воздуха первичного потока компрессором газотурбинного двигателя. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула