FR2480367A1 - AIR INTAKE STRUCTURE FOR A COMPRESSOR - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UNE STRUCTURE D'ADMISSION D'AIR POUR UN COMPRESSEUR. SELON L'INVENTION, ELLE COMPREND UNE GAINE D'ADMISSION 20 FORMEE AVEC UN PASSAGE D'INDUCTION D'AIR 28 AYANT UNE LONGUEUR SENSIBLEMENT COURTE LE LONG DE L'AXE 26 DU COMPRESSEUR, CE PASSAGE 28 AYANT UNE PREMIERE SECTION 30 S'ETENDANT SENSIBLEMENT DROIT A PARTIR DE L'EXTREMITE EN AVAL DU PASSAGE 28 ET UNE TROISIEME SECTION 34 RELIANT DES DEUX PREMIERES, CETTE TROISIEME SECTION AYANT UNE FORME POUR RELIER LES PREMIERE ET SECONDE SECTIONS EN ANGLE; ET UN MOYEN DE GUIDAGE 54 PREVU DANS LE PASSAGE 28 POUR RENDRE LA DISTRIBUTION DE VITESSE A L'EXTREMITE EN AVAL DU PASSAGE 28 SENSIBLEMENT REGULIERE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A UN MOTEUR A TURBINE A GAZ.THE INVENTION RELATES TO AN AIR INTAKE STRUCTURE FOR A COMPRESSOR. ACCORDING TO THE INVENTION, IT INCLUDES AN INTAKE SHEATH 20 SHAPED WITH AN AIR INDUCTION PASSAGE 28 HAVING A SENSITIVELY SHORT LENGTH ALONG THE COMPRESSOR AXLE 26, THIS PASSAGE 28 HAVING A FIRST SECTION 30 EXTENDING SENSITIVELY STRAIGHT FROM THE DOWNSTREAM END OF PASSAGE 28 AND A THIRD SECTION 34 CONNECTING THE FIRST TWO, THIS THIRD SECTION HAVING A SHAPE TO CONNECT THE FIRST AND SECOND SECTIONS AT AN ANGLE; AND A GUIDING MEANS 54 PROVIDED IN PASSAGE 28 TO RETURN THE SPEED DISTRIBUTION AT THE DOWNSTREAM END OF PASSAGE 28 SENSITIVELY REGULAR. THE INVENTION APPLIES IN PARTICULAR TO A GAS TURBINE ENGINE.
Description
La présente invention se rapportegénéralement à une structure d'admissionThe present invention relates generally to an admission structure
d'air pour un compresseur, à utiliser air for a compressor, to use
avec un moteurà turbine à gaz ou analogue. Plus parti- with a gas turbine engine or the like. More particularly
culièrement, la présente invention se rapporte à une structure d'admission d'air servant à rendre le moteur In particular, the present invention relates to an air intake structure for rendering the engine
compact sans nuire à la performance du compresseur. compact without compromising compressor performance.
La figure 1 montre une structure traditionnelle d'admission d'air, Une gaine 2 d'arrivée ou d'admission a ses deux surfaces internes concentriques 4 et 6 ayant respectivement la forme d'une trompette ou d'un hyperboloide tronqué. Les surfaces internes 4 et 6 sont respectivement symétriques autour de l'axe 8 du compresseur et définissent un passage d'induction d'air 10 entre elles. Le passage d'induction 10 comprend une partie 12 qui s'étend radialement et se termine en amont par une ouverture 14 pour y attirer l'air, suivie d'un coude 15 et une partie 16 d'une longueur suffisamment courte s'étendant axialement et faisant face, par son extrémité située en aval, à FIG. 1 shows a traditional air intake structure, an inlet or intake sheath 2 with its two concentric inner surfaces 4 and 6 respectively having the form of a truncated truncated or hyperboloid. The inner surfaces 4 and 6 are respectively symmetrical about the axis 8 of the compressor and define an air induction passage 10 between them. The induction passage 10 comprises a portion 12 which extends radially and terminates upstream by an opening 14 to draw in the air, followed by a bend 15 and a portion 16 of sufficiently short length extending axially and facing, at its downstream end, at
un rotor de compresseur 17 pour lui amener l'air. a compressor rotor 17 to bring it air.
Comme il y a une grande demande pour la réduction de la taille des structures de moteur, en particulier dans les automobiles ou les machines industrielles, les passages d'induction d'air des gaines d'admission des compresseurs sont généralement formés selon la forme courbée de la figure 1 pour rendre la longueur axiale des gaines d'admission aussi courte que possible en tenant compte de l'agencement des composants du moteur. Dans cette structure cependant, il y a, à l'entrée du rotor 17 du compresseur, comme cela est indiqué par la flèche A, une distribution assez irrégulière de vitesse. Cela est d au fait que, comme la direction de l'écoulement change fortement au coude 15 du passage d'induction 10 de la direction radiale à la direction axiale, selon l'hydrodyrauàqw du système, la vitesse sur la courbe interne devient considérablement plus importante que celle sur la Since there is a great demand for reducing the size of the motor structures, particularly in automobiles or industrial machines, the induction air passages of the compressor intake ducts are generally formed in the curved form. of Figure 1 to make the axial length of the intake ducts as short as possible taking into account the arrangement of the engine components. In this structure, however, there is, at the inlet of the rotor 17 of the compressor, as indicated by the arrow A, a fairly irregular distribution of speed. This is because, since the direction of flow strongly changes at the elbow 15 of the induction passage 10 from the radial direction to the axial direction, depending on the hydrodynamics of the system, the speed on the internal curve becomes considerably greater. important than that on the
courbe externe du coude 15 et il faut une longueur considé- external curve of the elbow 15 and it takes a considerable length
rablement plus importante de la partie 16 pour ramener cette distribution irrégulière de vitese à une distribution significantly greater in Part 16 to reduce this uneven distribution of vitese to a distribution
sensiblement régulière.substantially regular.
Cette distribution irrégulière à l'entrée du rotor du compresseur affecte de façon néfaste la performance du compresseur, et une structure traditionnelle d'admission d'air ne peut donner une structure compacte de moteur This uneven distribution at the compressor rotor inlet adversely affects compressor performance, and a traditional air intake structure can not provide a compact engine structure
sans nuire à l'efficacité de compression du compresseur. without compromising the compressive efficiency of the compressor.
Par conséquent, la présente invention a pour objet une structure d'admission d'air pour un compresseur à O utiliser dans un moteur à turbine à gaz ou analogue, rendant le moteur compact sans nuire à la performance Therefore, the present invention is directed to an air intake structure for a compressor to be used in a gas turbine engine or the like, rendering the engine compact without impairing performance.
de compression du compresseur.compression of the compressor.
La structure d'admission d'air selon l'invention comprend une gaine d'admission qui contient un passage d'induction d'air de forme courbée. Le passage d'induction présente une longueur sensiblement courte le long de l'axe du compresseur afin de rendre la longueur axiale The air intake structure according to the invention comprises an intake duct which contains a curved air induction passage. The induction passage has a substantially short length along the axis of the compressor to make the axial length
totale de la gaine d'admission aussi courte que possible. total intake duct as short as possible.
Au moins un organe de guidage est prévu dans le passage d'induction pour y définir au moins deux canaux d'écoulement pour produire une distribution sensiblement régulière de vitesse à l'extrémité du passage d'induction située At least one guide member is provided in the induction passage to define at least two flow channels therein to provide a substantially even velocity distribution at the end of the induction passage located
en aval.downstream.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci The invention will be better understood and other purposes, features, details and advantages thereof
apparaitront plus clairement au cours de la description will appear more clearly in the description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz o est illustrée une structure traditionnelle d'admission d'air; - la figure 2 est une vue en coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz o une structure d'admission d'air d'un premier mode de réalisation de l'invention est appliquée à un compresseur centrifuge; - la figure 3 est une vue en perspective montrant la forme d'une ailette de guidage à utiliser dans la structure selon l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz, o une structure dtadmission d'air d'un second mode de réalisation de l'invention est appliquée à un compresseur centrifuge, - la figure 5 est une vue en coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz ne montrant que le c8té admission du rotor du compresseur à écoulement axial., o la structure d'admission d'air du premier mode de réalisation est appliquée à un compresseur à écoulement axial; et - la figure 6 est une vue en coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz, o la structure d'admission d'air du premier mode de réalisation est appliquée à un compresseur à écoulement axial En se référant maintenant à la figure 2, on peut y voir un premier mode de réalisation de la présente invention. Une gaine d'admission 20 comporte deux surfaces internes concentriques 22 et 24 respectivement en forme de trompette ou d'hyperbololde tronqué. Les surfaces internes 22 et 24 sont respectivement symétriques autour de l'axe 26 du moteur à turbine à gaz et définissent un passage d'induction d'air 28 entre elles. Le passage d'induction 28 comprend une partie 30 qui s'étend radialement et se termine en amont par une ouverture 32 pour y attirer l'air, cette partie étant suivie d'un coude 34 et d'une partie 36 d'une longueur suffisamment courte s'étendant axialement et faisant face, par son extrémité enave l, aux aubes 38 d'un rotor de compress.eur explanatory document which will follow with reference to the accompanying schematic drawings given solely by way of example illustrating several embodiments of the invention and in which: - Figure 1 is a partial axial sectional view of a gas turbine engine o is illustrated a traditional structure of air intake; - Figure 2 is a partial axial sectional view of a gas turbine engine o an air intake structure of a first embodiment of the invention is applied to a centrifugal compressor; FIG. 3 is a perspective view showing the shape of a guide fin for use in the structure according to the invention; FIG. 4 is a partial axial sectional view of a gas turbine engine, where an air intake structure of a second embodiment of the invention is applied to a centrifugal compressor, FIG. a partial axial sectional view of a gas turbine engine showing only the intake side of the rotor of the axial flow compressor., o the air intake structure of the first embodiment is applied to a flow compressor axial; and FIG. 6 is a partial axial sectional view of a gas turbine engine, where the air intake structure of the first embodiment is applied to an axial flow compressor. Referring now to FIG. 2, there can be seen a first embodiment of the present invention. An inlet sheath 20 has two concentric inner surfaces 22 and 24 respectively trumpet-shaped or truncated hyperboloid. The inner surfaces 22 and 24 are respectively symmetrical around the axis 26 of the gas turbine engine and define an air induction passage 28 between them. The induction passage 28 comprises a portion 30 which extends radially and ends upstream by an opening 32 to attract air, this part being followed by a bend 34 and a portion 36 of a length sufficiently short extending axially and facing, by its end enave 1, to the blades 38 of a compressor rotor
centrifuge 40 pour lui fournir de l'air. centrifuge 40 to provide air.
L'air est attiré par le fonctionnement du rotor 40 dans le passage d'induction 28 par l'ouverture 32 et il est ensuite attiré dans les aubes du compresseur en rotation 38 pour y être comprimé. L'air comprimé est introduit dans une chambre de combustion 42 par un diffuseur inulaire 44, o il est mélangé à du carburant et est allumé pour produire un gaz à haute température et haute pression. Ce gaz est alors introduit dans les aubes 46 d'un rotor de turbine 48 par un carter en spirale 50 et un injecteur de turbine 52 et il se dilate pour entraîner le rotor de turbine 48, lequel rotor 48 entra ne le rotor The air is attracted by the operation of the rotor 40 in the induction passage 28 through the opening 32 and is then drawn into the blades of the rotating compressor 38 to be compressed. The compressed air is introduced into a combustion chamber 42 through an in-line diffuser 44, where it is mixed with fuel and ignited to produce a high temperature, high pressure gas. This gas is then introduced into the blades 46 of a turbine rotor 48 by a spiral casing 50 and a turbine injector 52 and expands to drive the turbine rotor 48, which rotor 48 drives the rotor
de compresseur 40 au moyen d'un arbre 53. compressor 40 by means of a shaft 53.
Une ailette de guidage 54 en forme de trompette 4 ou d'hyperbololde tronqué comme on peut le voir sur la it figure 3, est prévue dans le passage d'induction 28 à son coude 34. L'ailette 54 est disposée concentriquement A guide fin 54 in the form of a trumpet 4 or a truncated hyperboloid, as can be seen in FIG. 3, is provided in the induction passage 28 at its elbow 34. The fin 54 is arranged concentrically
aux surfaces internes 22 et 24, et elle s'étend sensible- internal surfaces 22 and 24, and it extends substantially
ment parallèlement à cell:s-cide l'extrémité amont faisant face à l'ouverture 32 à l'extrémité aval faisant face aux aubes de compresseur 38. L'ailette de guidage 54 est disposée sensiblement au milieu entre les surfaces internes 22 et 24 pour définir deux canaux d'écoulement 56 et 58 et elle est supportée à son extrémité en aval par un certain nombre de moyens de support 60 fixés à la surface interne 22 et espacés à des intervalles sensiblement parallel to said cell: the upstream end facing the opening 32 at the downstream end facing the compressor blades 38. The guide fin 54 is disposed substantially in the middle between the inner surfaces 22 and 24 to define two flow channels 56 and 58 and is supported at its downstream end by a number of support means 60 attached to the inner surface 22 and spaced at substantially intervals
réguliers sur la circonférence.regular on the circumference.
Comme on l'a décrit ci-dessus, si aucune ailette de guidage 54 n'est prévue dans le coude 34, la vitesse sur la courbe interne (sur la surface interne 24) devient considérablement plus importante que celle sur la courbe externe (sur la surface interne 22) du coude 34, donc la distribution de vitesse à l'entrée du rotor 40 du compresseur devient considérablement irrégulière. Plus particulièrement, selon l'hydrodynamique du système, la pression d'air statique dans le coude 34 est plus faible sur la courbe interne que sur la courbe externe, ainsi la vitesse de l'air dans le coude 34 est plus importante sur la courbe interne que sur la courbe externe car cette vitesse est inversement proportionnelle As described above, if no guide fin 54 is provided in the bend 34, the speed on the inner curve (on the inner surface 24) becomes considerably greater than that on the outer curve (on the inner surface 22) of the bend 34, so the speed distribution at the inlet of the rotor 40 of the compressor becomes considerably irregular. More particularly, according to the hydrodynamics of the system, the static air pressure in the elbow 34 is lower on the inner curve than on the outer curve, and the air velocity in the elbow 34 is greater on the curve. internal than on the external curve because this speed is inversely proportional
à la pression statique.at the static pressure.
En prévoyant l'ailette de guidage 54 de la figure 2, By providing the guide fin 54 of FIG.
la largeur de chacun des canaux 56 et 58 se trouve sensi- the width of each of the channels 56 and 58 is sensitively
blement égale à la moitié de toute la largeur W du coude 34, et le débit dans chaque canal devient également plus faible que tout le débit dans le coude 34. Ainsi, selon l'hydrodynamique du système, la différence de pression statique entre les courbes interne et externe du coude 34 se trouve plus faible de façon correspondante, avec pour résultat une distribution sensiblement équilibrée Equally equal to half of the entire width W of the elbow 34, and the flow rate in each channel also becomes smaller than the total flow in the elbow 34. Thus, according to the hydrodynamics of the system, the static pressure difference between the curves internal and external of the elbow 34 is correspondingly lower, resulting in a substantially balanced distribution
Se pression dans le coude 34. En conséquence, la distribu- Pressure in the elbow 34. As a result, the distribution
tion de vitesse dans le coude 34 est également sensiblement équilibrée et la distribution de vitesse à l'entrée du rotor 40 du compresseur devient sensiblement régulière, comme le montrent les flèches B, ce qui aide à une velocity in the elbow 34 is also substantially balanced and the velocity distribution at the inlet of the compressor rotor 40 becomes substantially regular, as shown by the arrows B, which
performance supérieure du compresseur. superior performance of the compressor.
En se référant maintenant à la figure 4, on peut 15. y voir un second mode de réalisation de la présente invention, o des pièces ou organes correspondants ou identiques à ceux de la figure 2 sont désignés par Referring now to FIG. 4, there can be seen a second embodiment of the present invention, wherein parts or members corresponding or identical to those of FIG.
les même repères.the same landmarks.
Dans ce mode de réalisation, deux ailettes de guidage In this embodiment, two guide vanes
64 et 66 respectivement en forme de trompette ou d'hyper- 64 and 66 respectively trumpet-shaped or hyper-
bololde tronqué comme on peut le voir sur la figure 3, truncated bolody as can be seen in Figure 3,
sont prévues dans le passage d'induction 28 en son coude 34. are provided in the induction passage 28 in its elbow 34.
Les ailettes de guidage 64 et 66 sont respectivement disposées concentriquement aux surfaces internes 22 et 24 et définissent trois canaux d'écoulement 68, 70 et 72 ayant sensiblement la même largeur, entre les surfaces internes 22 et 24. Chacune des ailettes 64 et 66 s'étend sensiblement parallèlement aux surfaces internes 22 et 24 à partir de l'extrémité amont faisant face à l'ouverture 32 jusqu'à l'extrémité aval faisant face aux aubes 38 The guide vanes 64 and 66 are respectively concentrically disposed at the inner surfaces 22 and 24 and define three flow channels 68, 70 and 72 having substantially the same width, between the inner surfaces 22 and 24. Each of the fins 64 and 66 is extends substantially parallel to the inner surfaces 22 and 24 from the upstream end facing the opening 32 to the downstream end facing the blades 38
du compresseur.of the compressor.
L'ailette de guidage 64 est supportée à s on extrémité en aval, par un certain nombre de moyens de support 74 qui sont fixés à la surface interne 22 et sont espacés The guide fin 64 is supported at its downstream end by a number of support means 74 which are attached to the inner surface 22 and are spaced apart.
à des intervalles sensiblement réguliers sur la circonfé- at substantially regular intervals on the circumference
rence. L'ailette de guidage 66 est supportée à son extrémité en aval par un certain nombre de moyens de support 76 qui sont fixés au pourtour externe de l'ailette de guidage 64, et son espacés à des intervalles sensiblement réguliers ence. Guide fin 66 is supported at its downstream end by a number of support means 76 which are attached to the outer periphery of guide fin 64, and spaced at substantially regular intervals.
sur sa circonférence.on its circumference.
Les autres composants sont semblables à ceux de la The other components are similar to those of the
figure 2.figure 2.
Avec cette construction, le débit dans chacun des canaux 68, 70 et 72 et la largeur de chaque canal sont respectivement diminués en comparaison à ceux du premier mode de réalisation, on obtient donc une distribution bien plus régulière de vitesse comme cela est désigné par With this construction, the flow rate in each of the channels 68, 70 and 72 and the width of each channel are respectively decreased in comparison with those of the first embodiment, so a much more even speed distribution is obtained as is designated by
les flèches C, à l'entrée du rotor 40 du compresseur. arrows C, at the input of the rotor 40 of the compressor.
Le nombre d'ailettes de guidage peut être accru de la même façon que dans le second mode de réalisation, pour The number of guide vanes can be increased in the same way as in the second embodiment, for
atteindre une distribution de vitesse encore plus équilibrée. achieve even more balanced speed distribution.
On notera que comme la présente invention concerne exclusivement une amélioration au c8té admission du rotor de compresseur, la structure d'admission d'air selon l'invention s'applique à des compresseurs de toute It should be noted that since the present invention relates exclusively to an improvement in the intake side of the compressor rotor, the air intake structure according to the invention applies to compressors of any type.
construction.construction.
Par exemple, la figure 5 montre la structure d'admission d'air du premier mode de réalisation, appliquée à un compresseur-à 'écoulement axial du moteur à turbine à gaz, o des pièces ou organes identiques ou correspondants sont désignés par les mêmes repères que sur la figure 2, et seul le côtéadmission du rotor de compresseur est For example, FIG. 5 shows the air intake structure of the first embodiment, applied to an axial flow compressor of the gas turbine engine, where identical or corresponding parts or members are designated by the same as in Figure 2, and only the inlet side of the compressor rotor is
illustré pour simplifier l'explication. illustrated to simplify the explanation.
Les repères 78 et 80 désignent respectivement des ailettes mobile et stationnaire du premier étage. D'autres composants non représentés sur la figure 5 peuvent avoir toute construction connue dans des compresseurs à écoulement axial. Comme cela est clair sur la figure 5, comme il n'y a pas de facteur introduit pour gêner ou réduire l'effet de la structure d'admission d'air selon l'invention, on obtient par la figure 5, le même effet que celui atteint par la figure 2, que la structure d'admission d'air selon l'invention soit appliquée à des compresseurs centrifuges ou des compresseurs à écoulement axiale Pour une meilleure compréhension, la figure 6 montre de plus un exemple o des pièces ou organes correspondants sont désignés par les mêmes repères que sur la figure 2 et o la structure d'admission d'air du premier mode de réalisation est incorporée dans un type de compresseur The marks 78 and 80 respectively designate mobile and stationary fins of the first stage. Other components not shown in Figure 5 may have any known construction in axial flow compressors. As is clear in FIG. 5, since there is no factor introduced to hinder or reduce the effect of the air intake structure according to the invention, FIG. 5 gives the same effect. 2, that the air intake structure according to the invention is applied to centrifugal compressors or axial flow compressors. For a better understanding, FIG. 6 also shows an example of parts or corresponding members are designated by the same reference numerals as in FIG. 2 and the air intake structure of the first embodiment is incorporated in a type of compressor
a écoulement axial.axial flow.
Les ailettes de guidage des premier et second modes de réalisation peuvent avoir diverses formes permettant de guider en douceur l'écoulement d'air, et de rendre la distribution de vitesse à l'extrémité aval du passage The guide vanes of the first and second embodiments may have various shapes to smoothly guide the flow of air, and to make the velocity distribution at the downstream end of the passage
d t induction sensiblement régulière. d induction substantially regular.
Bien entendu,l'uinvention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier,elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown which have been given by way of example. In particular, it includes all means constituting technical equivalents
des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles- described means as well as their combinations if these
ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre These are executed according to his spirit and implemented
dans le cadre de la protection comme revendiquée. as part of the protection as claimed.
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