Oblast techniky

Vynález se týká problematiky integrovaného radiálně-axiálního difuzoru, který je součástí odstředivého kompresoru.

Dosavadní stav techniky

Odstředivé kompresory jsou v letectví i v jiných oborech stále používány ve značném rozsahu. Jsou výrobně jednoduché a mají vysokou spolehlivost. Jedna ze všeobecně známých nevýhod spočívá ve velkých čelních rozměrech motoru, které rostou přímo úměrně s rostoucím hmotnostním tokem protékajícího média.

Klasický stupeň odstředivého kompresoru 16 s axiálním výstupem podle stavu techniky je schematicky znázorněn v meridiánovém řezu na obr. 1. Obvykle sestává z oběžného kola 15, bezlopatkového radiálního difuzoru 2 a lopatkového radiálního difuzoru 3, přechodové části 4 bez lopatek a axiálního lopatkového difuzoru 5.

Stále rostoucí požadavky na tah, resp. výkon, motorů vedou, kromě nárůstu teplot před turbínou, k vyšším hodnotám stlačení kompresoru. Stále vyšší obvodové rychlosti zvedají velikost Machova čísla relativní rychlosti na vnějším průměru vstupu do oběžného kola 15, což vede k poklesu účinnosti celého stupně kompresoru a k dřívějšímu aerodynamickému ucpání vstupu.

Jedno z řešení, jak tomuto jevu předejít, je zvětšení průměru oběžného kola. Na druhé straně je zde často požadavek na co nejmenší rozměry motoru. To vše vede ke zmenšení radiální části difuzoru. V důsledku poklesu poměru vnějšího poloměru bezlopatkového radiálního difuzoru ku vnějšímu poloměru oběžného kola R3/R2 a tedy i poměru vnějšího poloměru lopatkového radiálního difuzoru ku vnějšímu poloměru bezlopatkového radiálního difuzoru R4/R3 podle obr. 1 mimo rozsahy běžně používané u návrhů radiálních lopatkových difuzorů se vstupní hrana 14 přibližuje k výstupnímu průměru oběžného kola. Původně bezlopatková část částečně stabilizující proudění za oběžným kolem i samotná radiální část lopatkového difuzoru se, pokud jde o poměry poloměrů vztažených k vnějšímu poloměru oběžného kola, dostávají mimo doporučené hodnoty.

Ve spise US 7 717 672 B2 je představen radiální lopatkový difuzní systém s možnostmi směrování proudu pomocí integrálních pracovních lopatek. Skříň obsahuje přívod vzduchu a výstup vzduchu a definuje radiální úsek, který zasahuje radiálně směrem ven z přívodu vzduchu, dále pak axiální úsek, který sahá v axiálním směru k výstupu vzduchu a přechodovou část obsahující oblouk a rozprostírající se mezi radiálním a axiálním úsekem. Difuzní a integrální pracovní lopatky jsou připojeny ke skříni. Integrální pracovní lopatky jsou pokud možno vyrobeny z materiálu, který je odlišný a lehčí než materiál použitý pro výrobu lopatek difuzoru. Lopatky difuzoru jsou vyrobeny z oceli nebo z jakéhokoli jiného kovu nebo jiného typu materiálu, které jsou schopny vydržet relativně vysokou teplotu a tlak a odolávají potenciální erozi. Integrální přechodově-axiální pracovní lopatky jsou vyrobeny z titanu nebo v určitých provedeních vynálezu z hliníku nebo různých typů plastů nebo z jiných relativně lehkých kovů, slitin, plastů nebo jiných materiálů, aby bylo možné snížit hmotnost difuzéru. Je zde uvedeno, že u radiálního difuzoru je první lopatkový komponent vyroben z přinejmenším v určité části z prvního materiálu a druhý lopatkový komponent je vyroben přinejmenším v určité části z druhého materiálu a druhý materiál je lehčí než první materiál s tím, že první materiál je ocel a druhý materiál je vybrán ze skupiny sestávající se z titanu, hliníku a plastu.

- 1 CZ 307347 B6

Spis US 6540481 B2 přestavuje difuzor pro odstředivé čerpadlo, který je používán v plynových turbínách ke zvýšení tlaku vzduchu předtím, než vstoupí do spalovací komory. Radiální a přechodově-axiální část difuzoru jsou ze dvou různých kusů.

Spis US 6279322 B1 představuje protivířivý systém pro odstředivý kompresor, který obsahuje vícero lopatek v obloukovitém průchodu spojeném s difuzorem. Radiální část difuzoru je vytvořena jako samostatná část a přechodové a axiální části difuzoru je rovněž samostatná.

EP 0622549 B1 představuje odstředivý kompresor a lopatkový difuzor. Radiální část difuzoru je vytvořená jako samostatný díl a přechodová a axiální část je rovněž vytvořena jako samostatná.

Jednotlivé lopatkové části difuzoru ve výše uvedených spisech jsou tedy vyrobené vždy z několika různých částí, často i z různých materiálů.

Podstata vynálezu

Cílem tohoto vynálezu je představit integrální radiálně-axiální difuzor IRA, kteiý je součástí odstředivého kompresoru, který by vykazoval menší ztráty v porovnání s klasickým uspořádáním, právě při degradovaných čelních rozměrech radiální části difuzoru, a dále by byla usnadněná výroba difuzoru a montáž difuzoru snížením počtu spojovacích prvků.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že lopatky, provedené jako integrální díly, se rozprostírají po celé difuzorové ploše ložiskové skříně, přičemž integrální difuzomí kanály jsou pak vytvořeny připojením protikusu na takto vytvořenou difuzorovou plochu ložiskové skříně, a to pomocí předepjatých šroubů umístěných v radiální části difuzoru.

Ve výhodném provedení je mezi dvěma lopatkami uspořádána jedna nebo více mezilopatek.

V dalším výhodném provedení je vstupní hrana mezilopatek situována v radiální, přechodové nebo v axiální části difuzoru.

V dalším výhodném provedení je vnější obvod mezilopatek opatřen technologickými otvory.

V dalším výhodném provedení je radiální část lopatek opatřena technologickými otvory.

Popsaným provedením difuzoru podle tohoto vynálezu je docíleno snížení ztrát při průtoku plynu stupněm s extrémně sníženými relativními rozměry radiální části bezlopatkového a lopatkového difuzoru. Eliminovány jsou rovněž ztráty způsobené vířením protékajícího média v přechodové oblasti.

Objasnění výkresů

Tento vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, na kterých obr. 1 znázorňuje schematicky klasický stupeň odstředivého kompresoru s axiálním výstupem dle stavu techniky, na obr. 2 je schematicky znázorněn meridiánový řez integrálním radiálně-axiálním difuzorem, který je součástí odstředivého kompresoru dle tohoto vynálezu, na obr. 3 je prostorový pohled na integrální radiálně-axiální difuzor s lopatkováním podle tohoto vynálezu a na obr. 4 a 5 jsou uvedeny experimentálně získané charakteristiky kompresoru v klasickém provedení difuzoru Kl-AxDl a difuzoru IRA nebo IRA1 podle tohoto vynálezu, přičemž obr. 4 znázorňuje průběh stlačení kompresoru v závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou poměrné otáčky kompresoru, a obr. 5 znázorňuje průběh poměrné isentropické účinnosti kompresorového stupně v závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou opět poměrné otáčky kompresoru.

-2CZ 307347 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 2 je schematicky v meridiánovém řezu a na obr. 3 v prostorovém pohledu znázorněn integrální radiálně-axiální difuzor J tvořený lopatkami 7, které se jako integrální díly rozprostírají po celé difuzorové ploše 20 od prostoru těsně za oběžným kolem 15 přes radiální část 16, dále plynule přes přechodovou část 17 do axiální části 18.Vtéto axiální části 18 je tvořený zpravidla jednou nebo více mezilopatkami 8 umístěnými vždy mezi dvěma lopatkami 7. Lopatky 7 i mezilopatky 8, pokud jsou přítomny, jsou vyrobeny jako nedílná součást nosné nebo ložiskové skříně 6. Vstupní hrana 9 mezilopatek 8, což je znázorněno na obr. 2 čárkovaně, může být situována v radiální části 16, přechodové části 17 nebo v axiální části 18 difuzoru 1.

Difuzomí kanály jsou pak vytvořeny spojením takto vytvořeného dílce s protikusem 11 pomocí předepjatých šroubů 10, umístěných v radiální části 16 difuzoru 1 v otvorech 19 pro šroub 10 protikusu Η. a v otvorech 21 v nosné nebo ložiskové skříni 6. Protikus Umůže být vyroben ze stejného nebo jiného materiálu jako nosná či ložisková skříň 6. Radiální část lopatek 7 je opatřena technologickými otvory 12 pro průchod neznázoměných nosných šroubů, přívod a odvod oleje, pro neznázoměnou elektroinstalaci a podobně.

Vnější obvod mezilopatek 8 může být rovněž opatřen technologickými otvory 13 pro přívod a odvod mazání, elektroinstalaci a podobně.

Lopatkový integrální radiálně-axiální difuzor 1 má průběhy tlouštěk lopatek 7 a mezilopatek 8 přizpůsobené jak požadavku difuzomího proudění s co nejmenšími ztrátami, tak potřebám konstrukčně montážním, jako je průchod stahovacích šroubů, přívod a odvod mazacího oleje, chladicího vzduchu, elektroinstalace apod. Jedno z možných provedení je na obr. 3.

Skutečnosti byly experimentálně prokázány srovnáním klasického difuzoru a difuzoru IRA podle tohoto vynálezu měřením charakteristiky kompresoru, přičemž oba difuzory byly navrženy se stejným omezením radiálních rozměrů.

Na obr. 4 a 5 jsou uvedeny experimentálně získané charakteristiky kompresoru s klasicky provedeným difuzorem Kl-AxDl, zobrazené tenkou čarou, a kompresoru s difuzorem IRA nebo IRA1 podle tohoto vynálezu, zobrazené tlustou čarou, přičemž obr. 4 znázorňuje průběh stlačení kompresoru v závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou poměrné otáčky kompresoru, a obr. 5 znázorňuje průběh poměrné isentropické účinnosti kompresorového stupně v závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou opět poměrné otáčky kompresoru.

Z obou grafů je zřejmé, že při stejném hmotnostním toku a poměrných otáčkách má difuzor IRA podle tohoto vynálezu větší stlačení a větší poměrnou účinnost v porovnání s klasickým provedením.