Турбулизаторы на входе лопаточной решетки компрессора - RU2583190C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение касается области узлов с лопатками компрессора турбомашины, такой как турбореактивный двигатель или газотурбинный двигатель вертолета. Изобретение касается также компрессора, содержащего такой узел с лопатками, в частности, спрямляющего аппарата компрессора высокого давления.

Известно, что компрессорная система турбореактивного двигателя (и, в частности, компрессора высокого давления) является одним из наиболее критических компонентов двигателя. Компрессор турбореактивного двигателя состоит из нескольких последовательных ступеней сжатия, при этом каждая ступень содержит два узла с лопатками, а именно ротор и спрямляющий аппарат (статор). Обычно спрямляющий аппарат содержит внутреннюю обечайку и наружную обечайку, установленные коаксиально, а также лопатки, размещенные рядом между этими наружной и внутренней обечайками и соединенные с ними своими концами, как описано, например, в документе FR-2 896 019.

Для обеспечения работы компрессора в каждой ступени существует зазор между спрямляющим аппаратом и ступицей, образующий полость под спрямляющим аппаратом. Обычно в этой полости от выхода спрямляющего аппарата к входу циркулирует величина утечки, проходя под радиально внутренним концом внутренней обечайки. Эта величина утечки далее вновь повторно инжектируется в воздушный тракт на вход спрямляющего аппарата.

Эта величина утечки нарушает основной поток и участвует в образовании отрывов. В частности, она изменяет условия потока на входе лопаток, она способствует появлению углового отрыва, и она усиливает связанные с этим потери.

Таким образом, в этой области компрессора существуют два источника потерь: потери, связанные с рециркуляцией под статором, и потери, вызванные угловым отрывом.

Таким образом, для эффективного уменьшения потерь следует воздействовать на оба явления одновременно.

Для уменьшения отрывов из документа WO-2008/046389 известна система, в которой используются расположенные на ступице завихрители на входе неподвижных или подвижных колес компрессора. Эти завихрители, которые предусмотрены на входе внутренней или внешней стенки трубопровода, генерируют спутные турбулентные потоки, которые увеличивают энергию пограничного слоя на стенке канала. Отсюда следует увеличение составляющей потока в направлении основного потока вблизи стенки, которая благотворно действует на отрыв на уровне подвижных и неподвижных лопаток.

Система, описанная в этом документе WO-2008/046389, которая воздействует только на основной поток, решает только одну из двух упомянутых проблем отрыва, тогда как эти две проблемы связаны. Такое обычное решение не является, таким образом, полностью удовлетворительным для решения проблем на уровне спрямляющего аппарата.

Заявитель в качестве объекта изобретения предлагает узел с лопатками, который позволяет ограничить и даже аннулировать одновременно оба типа упомянутых потерь.

В соответствии с изобретением предложен узел с лопатками для компрессора турбомашины, содержащий множество индивидуальных устройств, воздействующих на поток, которые сформированы таким образом, чтобы создавать завихрения, отличающийся тем, что каждое из упомянутых индивидуальных устройств предусмотрено на входе упомянутого узла таким образом, чтобы воздействовать одновременно на основной поток и рециркуляционный поток.

Решение, предлагаемое настоящим изобретением, заключается, таким образом, в том, что в нем предусмотрены устройства - турбулизаторы, которые одновременно воздействуют на основной поток и на рециркуляционный поток, и воздействуют также одновременно на два источника упомянутых потерь, то позволяет эффективно уменьшить потери.

Действительно, когда основной поток в тракте и расход рециркуляции, выходящий из полости, встречают эти устройства по изобретению, то создаются завихрения. Эти завихрения позволяют осуществить передачу энергии основного потока к пограничным слоям. Пограничные слои, таким образом, ускоряются. Так как малые скорости в основании статора со стороны спинки в случае спрямляющего аппарата отвечают за угловое завихрение, упомянутое угловое завихрение также уменьшается.

Преимуществом решения по настоящему изобретению и его вариантам является максимальное ограничение воздействия на осевую длину компрессора.

В частном варианте осуществления, по меньшей мере, некоторые (и, предпочтительно, все) из упомянутых индивидуальных устройств турбулизаторов содержат выемки, выполненные непосредственно во входной поверхности обечайки, которая обтекается упомянутым рециркуляционным потоком.

В рамках настоящего изобретения:

- понятие входной и выходной определены относительно направления основного потока воздуха в узле с лопатками и компрессоре;

- термин радиальный относится к оси компрессора.

В предпочтительном варианте осуществления упомянутые индивидуальные устройства - турбулизаторы - сформированы таким образом, чтобы, по меньшей мере, направлять также упомянутый рециркуляционный поток. Для этого, по меньшей мере, некоторые из упомянутых устройств содержат предпочтительно ребра, расположенные на уровне входной поверхности обечайки, которая обтекается упомянутым рециркуляционным потоком.

Этот предпочтительный вариант осуществления предусматривает, таким образом, на упомянутой обечайке на выходе из полости, устройства, которые одновременно направляют текучую среду к выходу из полости и создают завихрения, позволяющие контролировать отрыв (на ножке или на вершине) узла с лопатками.

Кроме того, предпочтительным образом, некоторые из упомянутых устройств могут быть расположены:

- либо между двумя последовательными лопатками. В этом случае предпочтительное положение находится на трети межлопаточного канала со стороны спинки, если смотреть со стороны входа;

- либо каждый раз непосредственно на входе лопатки.

Кроме того, упомянутые устройства могут быть предусмотрены на всей или только на части окружности узла с лопатками.

В первом предпочтительном варианте осуществления упомянутый узел с лопатками соответствует спрямляющему аппарату для компрессора турбомашины, причем упомянутый спрямляющий аппарат содержит наружную обечайку и внутреннюю обечайку, которые являются коаксиальными, а также лопатки, расположенные рядом между наружной и внутренней обечайками и соединены с последними своими концами, при этом упомянутый спрямляющий аппарат содержит также множество индивидуальных устройств, воздействующих на поток, которые предусмотрены на внутренней обечайке, при этом каждое из упомянутых устройств предусмотрено на уровне входной поверхности внутренней обечайки вблизи радиально внешней стороны так, чтобы одновременно воздействовать на основной поток и на рециркуляционный поток, который соответствует потоку текучей среды, проходящей под радиально внутренней стороной внутренней обечайки от выходной поверхности.

Кроме того, во втором варианте осуществления изобретения упомянутый узел с лопатками соответствует ротору для компрессора турбомашины, при этом упомянутый ротор содержит внутреннюю обечайку и внешнюю обечайку, которые являются коаксиальными, а также лопатки, которые расположены радом между этими внутренней и наружной обечайками и которые соединены с последними своими концами, при этом упомянутый ротор содержит также множество индивидуальных устройств, воздействующих на поток, которые предусмотрены на наружной обечайке, причем каждое из упомянутых устройств предусмотрено на уровне входной поверхности наружной обечайки так, чтобы одновременно воздействовать на основной поток и рециркуляционный поток, которые соответствуют потоку текучей среды, проходящей по радиально внешней стороне наружной обечайки от выходной поверхности.

Независимо от вариантов осуществления уменьшение отрывов, получаемое благодаря изобретению, позволяет улучшить кпд компрессора и способствует увеличению диапазона стабильности.

Кроме того, один тип устройства позволяет контролировать поток в полостях и уменьшить соответствующие отрывы. Кроме того, эти устройства закреплены или изготовлены непосредственно в платформе (обечайке) спрямляющего аппарата или ротора, что уменьшает трудности встраивания или изготовления.

Также настоящее изобретение касается равным образом компрессора турбомашины, который содержит, по меньшей мере, узел с лопатками (спрямляющий аппарат, ротор), описанный выше, и/или турбомашины, в частности, турбореактивного двигателя летательного аппарата, который содержит такой компрессор.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг. 1 схематично изображает лопатку спрямляющего аппарата компрессора;

- фиг. 2 изображает отрыв, появляющийся на уровне лопатки, изображенной на фиг. 1;

- фиг. 3 изображает частичный вид в перспективе спрямляющего аппарата компрессора высокого давления турбомашины, содержащего устройства, воздействующие на поток, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

- фиг. 4 изображает вид, подобный виду по фиг. 2, подчеркивающий преимущества варианта осуществления по фиг. 3;

- фиг. 5 изображает частичный вид в перспективе спрямляющего аппарата компрессора высокого давления турбомашины, содержащего устройства, воздействующие на поток в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

- фиг. 6 изображает вид, подобный виду по фиг. 2, представляющий преимущества варианта осуществления по фиг. 5;

- фиг. 7 изображает частичный вид в перспективе варианта осуществления спрямляющего аппарата компрессора высокого давления турбомашины, содержащего устройства, воздействующие на поток, в соответствии с первым вариантом изобретения;

- фиг. 8 схематично представляет ротор компрессора высокого давления турбомашины, в котором может быть использовано настоящее изобретение.

На фиг. 1 изображена лопатка 1 спрямляющего аппарата 2, такая, как частично изображена на фиг. 3 и 5. Этот спрямляющий аппарат 2 является частью компрессора 3 турбомашины, в частности, турбореактивного двигателя летательного аппарата. Компрессор 3 обычно содержит несколько последовательных ступеней сжатия, при этом каждая ступень содержит ротор 22 и спрямляющий аппарат 2 (статор).

Спрямляющий аппарат 2 содержит (радиально) внешнюю обечайку 4 и (радиально) внутреннюю обечайку 5, которые являются обечайками для удержания лопаток 1. Эти две обечайки 4 и 5 являются концентрическими и множество лопаток 1 проходят, по существу, радиально от одной к другой из обечаек 4 и 5, с которыми они жестко соединены, причем эти лопатки 1 разнесены по окружности, предпочтительно равномерно.

В рамках настоящего изобретения:

- понятия входной и выходной определены относительно направления основного потока воздуха в спрямляющем аппарате 2 и компрессора 3;

- термин радиальный относится к оси компрессора 3.

На фиг. 1 стрелкой Е показано направление основного потока текучей среды, а стрелкой F тонкими линиями показаны локальные циркуляции среды у ножки лопатки 1 (внутренняя поверхность 1А и спинка 1В). У ножки лопатки 1 у ее спинки 1В появляется зона 6 углового отрыва.

Для обеспечения работы компрессора 3 на каждой ступени между спрямляющим аппаратом 2 и ступицей 7 существует зазор, образующий полость 8, называемую полостью под спрямляющим аппаратом, как изображено на фиг. 2. Обычно величина утечки (показанная стрелками G) циркулирует в этой полости 8 от выходной поверхности 10а спрямляющего аппарата 2 к входной поверхности 9В, проходя под радиально внутренним краем 11 внутренней обечайки 5. Эта величина утечки далее повторно инжектируется в воздушный тракт на вход спрямляющего аппарата 2, как показано, в частности, стрелкой Н. Эта величина утечки нарушает основной поток (изображенный стрелкой Е) и участвует в образовании отрывов, схематично показанных линией 12 на фиг. 2. В частности, величина утечки изменяет условия потока на входе лопаток 1, благоприятствует появлению углового отрыва и увеличивает соответствующие потери. Таким образом, в этой области компрессора 2 имеют место два источника потерь: потери, вызванные рециркуляцией в полости под спрямляющим аппаратом 8, и потери, вызванные угловым отрывом 6.

Настоящее изобретение предлагает решение, позволяющее воздействовать одновременно на оба явления для эффективного уменьшения сопутствующих потерь.

Для этого спрямляющий аппарат 2 содержит множество индивидуальных устройств 14А, 14В, которые воздействуют на поток. Каждое из упомянутых устройств 14А, 14В выполнено на уровне входной поверхности 10 внутренней обечайки 5 вблизи радиально внешней стороны 15 между двумя последовательными лопатками 1, как изображено на фиг. 3 и 5, так, чтобы воздействовать, на уровне передней поверхности 10, одновременно на основной поток Е и на рециркуляционный поток G (который соответствует потоку текучей среды, проходящей по полости 8 под радиально внутренней стороной 11 внутренней обечайки 5, поступая от выходной поверхности 9А), как изображено на фиг. 4 и 6.

Эти устройства 14А и 14В сформированы таким образом, чтобы создавать меньше завихрений 16, которые позволяют уменьшить отрыв, как схематично изображено линиями 17А и 17В на фиг. 4 и 6, который можно сравнить с линией 12 на фиг. 2. Завихрения 16 позволяют передать энергию основного потока Е к пограничным слоям. Пограничные слои, таким образом, ускоряются. Так как малые скорости у ножки лопаток 1 со стороны спинки 1В отвечают за угловое завихрение, то упомянутое угловое завихрение также уменьшается.

Устройства 14А, 14В - турбулизаторы завихрений 16 воздействуют, таким образом, одновременно на основной поток Е и на рециркуляционный поток G, а также одновременно на два источника упомянутых потерь так, чтобы эффективно уменьшить потери.

В первом варианте осуществления, представленном на фиг. 3 и 4, упомянутые индивидуальные устройства 14А представляют собой выемки, выполненные непосредственно во входной поверхности 10 внутренней обечайки 5, единственной функций которых является создание завихрений 16.

Кроме того, во втором предпочтительном варианте осуществления, представленном на фиг. 5 и 6, упомянутые индивидуальные устройства 14В представляют собой ребра, которые выполнены на уровне входной поверхности 10 внутренней обечайки 5 вблизи упомянутой радиально внешней стороны 15.

Эти ребра 14В выполняют двойную функцию. С одной стороны, они создают завихрения 16, которые уменьшают угловое завихрение, как устройство 14А по первому варианту осуществления. С другой стороны, они направляют поток к выходу из полости 8, который смешивается более равномерно с основным потоком, вызывая меньше отрывов.

Независимо от варианта осуществления уменьшение отрывов, полученное благодаря изобретению, позволяет улучшить кпд компрессора 3 и способствует увеличению диапазона стабильности.

Кроме того, единственный тип устройства 14А, 14В позволяет контролировать поток в полостях под спрямляющим аппаратом и уменьшить связанные с этим отрывы. Более того, эти устройства 14А, 14В закреплены или изготовлены непосредственно в платформе (внутренняя обечайка 5) спрямляющего аппарата 2, что уменьшает трудности встраивания или изготовления.

В рамках настоящего изобретения упомянутые устройства 14А, 14В могут быть расположены:

- либо между двумя последовательными лопатками 1, как представлено на фиг. 3 и 5. В этом случае предпочтительным положением является размещение на трети межлопаточного канала со стороны спинки, если смотреть от входа;

- либо каждый раз непосредственно перед лопаткой 1.

Кроме того, упомянутые устройства 14А, 14В могут быть выполнены на всей или только на части окружности спрямляющего аппарата 2.

В частном варианте осуществления, схематически изображенного на фиг. 7, спрямляющий аппарат 2 образован множеством индивидуальных конструкций 19, каждая из которых содержит лопатку 1. Эти конструкции 19 соединены одни рядом с другими, так, чтобы сформировать спрямляющий аппарат 2. В частном варианте осуществления каждая из упомянутых конструкций 19 выполнена со скосом 19А и 19В на уровне каждого из краев 20A и 20В. Таким образом, скосы 19А и 19 В двух соседних конструкций 19 образуют каждый раз выемку 14А, которая способна создавать завихрения 16, как объяснено выше.

Кроме того, настоящее изобретение может быть также использовано в роторе 22 компрессора 3 турбомашины, как схематично изображено на фиг. 8.

Известно, что подвижное колесо такого ротора 22 может являться как статором (или спрямляющим аппаратом 2), так и обечайкой 23 и полостью 24, в которой может циркулировать рециркуляционный поток G.

Изобретение может быть распространено на этот случай, предусматривая устройства-завихрители (схематично представленные треугольниками на фиг. 8) на передней кромке кольца 23 так же, как на внутреннем кольце 5 спрямляющего аппарата 2. Представленные выше отличительные признаки спрямляющего аппарата 2 (и, в частности, признаки устройств 14А, 14В завихрителей) могут быть подобным образом выполнены на роторе 22.

Цель этого варианта осуществления та же, что и для спрямляющего аппарата 2, а именно, уменьшение потерь, вызванных рециркуляцией, и потерь, вызванных угловым отрывом.

Реферат

Настоящее изобретение относится к узлу (2) с лопатками (1), в частности, спрямляющего аппарата для компрессора турбомашины. Узел (2) с лопатками (1) содержит множество индивидуальных устройств (14А), воздействующих на поток, которые сформированы таким образом, чтобы создавать завихрения (16). Каждое из упомянутых индивидуальных устройств (14А) предусмотрено на входе упомянутого узла (2) с лопатками (1) так, чтобы одновременно воздействовать на основной поток (Е) и на рециркуляционный поток (G). Уменьшение отрывов, полученное благодаря изобретению, позволяет улучшить кпд компрессора (3) и способствует увеличению диапазона стабильности. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула