RU2466279C2 - Система подъема граничного слоя посредством плазмы для лопатки газотурбинного двигателя (варианты) и способ использования газотурбинного двигателя - Google Patents

Система подъема граничного слоя посредством плазмы для лопатки газотурбинного двигателя (варианты) и способ использования газотурбинного двигателя Download PDF

Info

Publication number
RU2466279C2
RU2466279C2 RU2007140322/06A RU2007140322A RU2466279C2 RU 2466279 C2 RU2466279 C2 RU 2466279C2 RU 2007140322/06 A RU2007140322/06 A RU 2007140322/06A RU 2007140322 A RU2007140322 A RU 2007140322A RU 2466279 C2 RU2466279 C2 RU 2466279C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
along
plasma
blade
turbine engine
chord
Prior art date
Application number
RU2007140322/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2007140322A (ru
Inventor
Чин-Пан ЛИ (US)
Чин-Пан ЛИ
Аспи Рустом ВАДИЯ (US)
Аспи Рустом ВАДИЯ
Дэвид Гленн ЧЕРРИ (US)
Дэвид Гленн ЧЕРРИ
Цзе-Чин ХАНЬ (US)
Цзе-Чин ХАНЬ
Original Assignee
Дженерал Электрик Компани
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дженерал Электрик Компани filed Critical Дженерал Электрик Компани
Publication of RU2007140322A publication Critical patent/RU2007140322A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2466279C2 publication Critical patent/RU2466279C2/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/141Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145Means for influencing boundary layers or secondary circulations
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00Stators
    • F01D9/02Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00Control
    • F05D2270/01Purpose of the control system
    • F05D2270/17Purpose of the control system to control boundary layer
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00Control
    • F05D2270/01Purpose of the control system
    • F05D2270/17Purpose of the control system to control boundary layer
    • F05D2270/172Purpose of the control system to control boundary layer by a plasma generator, e.g. control of ignition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914Device to control boundary layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Система подъема граничного слоя посредством плазмы содержит лопатку газотурбинного двигателя с аэродинамическим профилем, проходящим по длине этой лопатки, и генераторы для создания плазмы. Аэродинамический профиль имеет внешнюю поверхность, проходящую вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками. Генераторы для создания плазмы расположены вдоль хорды на расстоянии друг от друга, причем плазма распространяется по внешней поверхности аэродинамического профиля вдоль хорды. В другом варианте система подъема граничного слоя содержит лопаточный венец, включающий ряд расположенных по окружности на расстоянии друг от друга лопаток газотурбинного двигателя, каждая из которых содержит генераторы для создания плазмы. Другое изобретение группы относится к способу использования газотурбинного двигателя с указанной выше системой подъема граничного слоя, в соответствии с которым формируют плазму, распространяющуюся в направлении вдоль хорды по внешней поверхности аэродинамического профиля лопатки газотурбинного двигателя. Изобретения позволяют повысить эффективность газотурбинного двигателя. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Предпосылки создания изобретения
Область техники
Настоящее изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям и, в частности, к аэродинамическим профилям лопатки турбины газотурбинных двигателей.
Обычный газотурбинный двигатель турбовентиляторного типа в общем случае содержит передний вентилятор и бустер или компрессор низкого давления, расположенный в середине внутренний контур двигателя и турбину низкого давления, которая снабжает энергией упомянутые вентилятор и бустер или компрессор низкого давления. Внутренний контур двигателя включает компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, расположенные последовательно в направлении потока газа. Компрессор высокого давления и турбина высокого давления, относящиеся к внутреннему контуру двигателя, соединены валом высокого давления. Воздух под высоким давлением из компрессора высокого давления смешивается с топливом в камере сгорания и поджигается для получения высокоэнергетического потока газа. Поток газа протекает через турбину высокого давления, приводя во вращение ее и вал высокого давления, который, в свою очередь, приводит во вращение компрессор высокого давления.
Поток газа, выходящий из турбины высокого давления, проходит, расширяясь, через вторую турбину или турбину низкого давления. Турбина низкого давления приводит во вращение вентилятор и бустер-компрессор посредством вала низкого давления. Вал низкого давления проходит через ротор высокого давления. Бόльшая часть получаемой тяги создается вентилятором. Морские или промышленные газотурбинные двигатели имеют турбины низкого давления, которые снабжают энергией генераторы, судовые винты, насосы и другие устройства, в то время как в турбовинтовых двигателях турбины низкого давления используются для снабжения энергией винтов, обычно через редуктор.
Турбина высокого давления имеет сопло, включающее, по меньшей мере, один ряд расположенных по окружности на определенном расстоянии друг от друга аэродинамических профилей или лопаток, проходящих в радиальном направлении между внутренним и наружным ободами. Лопатки обычно являются полыми и имеют внешнюю стенку, которая охлаждается за счет охлаждающего воздуха, поступающего из компрессора. Горячие газы, протекающие вдоль охлаждаемой внешней стенки лопатки турбины, формируют поток и создают тепловые граничные слои вдоль внешних поверхностей внешней стенки лопатки, а также поверхностей торцевых стенок внутреннего и наружного ободов, вдоль которых эти горячие газы проходят.
Существуют градиенты скорости в граничном слое потока газа и градиенты температуры газа в тепловом граничном слое, примыкающем к внешней поверхности внешней стенки лопатки. Градиент скорости приводит к возникновению касательных напряжений в потоке газа и созданию нежелательного аэродинамического сопротивления. Градиент температуры газа приводит к возникновению нежелательного переноса тепла от горячего газа к более холодной внешней поверхности, создающего ненужный нагрев поверхности. Желательно снизить градиенты скорости в граничном слое потока газа, чтобы уменьшить поверхностное сопротивление и улучшить аэродинамическую эффективность. Также желательно снизить градиенты температуры в тепловом граничном слое газа, чтобы уменьшить перенос тепла с целью продления срока службы элементов двигателя или снижения требований к охлаждающему потоку для улучшения эффективности работы двигателя.
В уровне техники, из документа ЕР 1672966 А1, МПК Н05Н 1/54, 21.06.2006, известна система подъема граничного слоя посредством плазмы, однако из данного документа не следует возможность реализации такой системы для лопатки газотурбинного двигателя с устранением известных недостатков.
Исходя из предшествующего уровня техники в основе изобретения лежит задача создания системы подъема граничного слоя посредством плазмы для лопатки газотурбинного двигателя и способа эксплуатации газотурбинного двигателя, в которых обеспечивается снижение градиентов скорости в граничном слое потока газа, а также градиенты температуры в тепловом граничном слое газа. За счет настоящего изобретения обеспечивается уменьшение поверхностного сопротивления и улучшение аэродинамической эффективности лопатки, а также уменьшение переноса тепла и продление срока службы элементов двигателя или снижение требований к охлаждающему потоку для улучшения эффективности работы двигателя.
Решение указанной задачи достигается посредством системы подъема граничного слоя посредством плазмы, содержащей по меньшей мере одну лопатку газотурбинного двигателя, с аэродинамическим профилем, проходящим по длине этой лопатки, при этом аэродинамический профиль имеет внешнюю поверхность, проходящую в направлении вдоль хорды между расположенными против друг друга передней и задней кромками; и расположенные вдоль упомянутой хорды на расстоянии друг от друга генераторы для создания плазмы, распространяющейся в направлении по внешней поверхности вдоль упомянутой хорды.
Альтернативно изобретением предлагается система подъема граничного слоя посредством плазмы, содержащая лопаточный венец, включающий ряд расположенных по окружности на расстоянии друг от друга и проходящих в направлении по радиусу лопаток газотурбинного двигателя; причем каждая из лопаток имеет аэродинамический профиль, проходящий по длине этой лопатки, при этом аэродинамический профиль имеет внешнюю поверхность, проходящую в направлении вдоль хорды между расположенными против друг друга передней и задней кромками; и расположенные вдоль упомянутой хорды на расстоянии друг от друга генераторы для создания плазмы, распространяющейся в направлении вдоль хорды по внешней поверхности.
Также предлагается способ использования газотурбинного двигателя с системой подъема граничного слоя посредством плазмы. Способ использования газотурбинного двигателя с системой подъема граничного слоя посредством плазмы, включающего, по меньшей мере, одну лопатку газотурбинного двигателя из ряда расположенных по окружности на расстоянии друг от друга и проходящих в направлении по радиусу лопаток газотурбинного двигателя, каждая лопатка газотурбинного двигателя имеет аэродинамический профиль, проходящий по длине этой лопатки и имеющий внешнюю поверхность, проходящую в направлении вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками; и расположенные вдоль упомянутой хорды на расстоянии друг от друга генераторы для создания плазмы, содержит этап, на котором формируют плазму, распространяющуюся в направлении вдоль хорды по внешней поверхности аэродинамического профиля лопатки газотурбинного двигателя.
Предпочтительные варианты изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
Раскрытие изобретения
Система подъема граничного слоя посредством плазмы включает, по меньшей мере, одну лопатку газотурбинного двигателя, которая имеет аэродинамический профиль, проходящий по длине (размаху) лопатки, с внешней поверхностью, проходящей вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками. Установленные вдоль хорды на расстоянии друг от друга генераторы плазмы используются для создания плазмы, распространяющейся по внешней поверхности в направлении вдоль хорды. В примере данной системы генераторы плазмы установлены на аэродинамическом профиле. Каждый из генераторов плазмы содержит внутренний и внешний электроды, разделенные диэлектрическим материалом. Диэлектрический материал размещен внутри проходящей по длине лопатки канавки, выполненной на внешней поверхности аэродинамического профиля. С электродами для создания на них высокой разности потенциалов соединен источник питания переменного тока.
В более предпочтительном варианте данной системы аэродинамический профиль является полым, и генераторы плазмы установлены на внешней стенке этого профиля, а диэлектрический материал размещен внутри проходящей по длине лопатки канавки, выполненной на внешней поверхности внешней стенки. Данная система предназначена для использования в сопле турбины высокого давления, но может использоваться с другими лопаточными венцами в двигателе.
Способ использования газотурбинного двигателя с системой подъема граничного слоя посредством плазмы включает этап, на котором создают плазму, распространяющуюся в направлении вдоль хорды по внешней поверхности аэродинамического профиля одной или более лопаток газотурбинного двигателя, образующих ряд лопаток, которые расположены по окружности на расстоянии друг от друга и проходят в радиальном направлении. В более предпочтительном варианте данного способа на упомянутом этапе создания плазмы дополнительно снабжают энергией генераторы плазмы, которые расположены вдоль хорды на расстоянии друг от друга и проходят в направлении длины лопатки. Генераторы плазмы могут работать в установившемся или неустановившемся режимах.
Краткое описание чертежей
Описанные выше аспекты и другие отличительные особенности настоящего изобретения далее описаны более подробно с использованием сопровождающих чертежей, из которых изображено:
фиг.1 - продольное сечение одного из примерных вариантов авиационного газотурбинного двигателя с системой подъема граничного слоя посредством плазмы для сопловых лопаток, расположенных в секции турбины высокого давления этого двигателя;
фиг.2 - вид в увеличенном масштабе сопловых лопаток и системы подъема граничного слоя посредством плазмы, показанных на фиг.1;
фиг.3 - общий вид в увеличенном масштабе лопаток и генераторов плазмы, показанных на фиг.2;
фиг.4 - сечения лопаток, изображенных на фиг.3;
фиг.5 - схема, иллюстрирующая подключение к источнику питания генераторов плазмы, изображенных на фиг.4, и структуру граничного слоя; и
фиг.6 - схема, иллюстрирующая структуру граничного слоя при отсутствии подключения к источнику энергии генераторов плазмы, изображенных на фиг.4.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 изображен пример газотурбинного двигателя 10 турбовентиляторного типа, линией симметрии которого является центральная ось 8, и который содержит вентилятор 12, принимающий воздух 14 из окружающей среды, бустер или компрессор 16 низкого давления (LPC), компрессор 18 высокого давления (НРС), камеру 20 сгорания, в которой топливо смешивается с воздухом 14, нагнетаемым компрессором 18 высокого давления, для получения газов сгорания или потока 19 горячих газов сгорания, который течет далее через турбину 22 высокого давления (НРТ) и турбину 24 низкого давления (LPT), посредством которой газы сгорания выбрасываются из двигателя 10. Турбина 22 высокого давления соединена с компрессором 18 высокого давления с образованием ротора 29 высокого давления. Вал 28 низкого давления соединяет турбину 24 низкого давления как с вентилятором 12, так и с компрессором 16 низкого давления. Второй вал или вал 28 низкого давления с возможностью вращения установлен соосно и, по меньшей мере, частично внутри ротора высокого давления.
На фиг.2 и 3 изображено сопло 30 турбины 22 высокого давления, через которое поток 19 горячих газов сгорания выбрасывается из камеры 20 сгорания. Примерный вариант сопла 30 турбины, которое, кроме того, в более общем смысле обозначено как лопаточный венец 31, изображенный на фиг.2 и 3, включает ряд 33 расположенных по окружности на определенном расстоянии друг от друга и проходящих в радиальном направлении лопаток 32, имеющих полые аэродинамические профили 39 и объединенных в целостный узел на внутреннем и наружном концах 34 и 36 соответственно с внутренним и наружным в радиальном направлении ободами 38 и 40. В примерном варианте изображенного сопла 30 турбины ободы и лопатки объединены в расположенные по окружности сегменты 42, обычно с двумя лопатками 32 на сегмент. Может иметься более двух сегментов, и сегменты имеют обычно осевые соединительные стыки, подходящим образом соединяемые вместе посредством обычных шлицевых соединений. Часть нагнетаемого охлаждающего воздуха отводится из компрессора для подвода охлаждающего воздуха к соплу 30 турбины для охлаждения различных ее элементов, включая полые аэродинамические профили 39, а также внутренний и наружный ободы.
Как показано на фиг.3 и 4, каждый аэродинамический профиль 39 содержит внешнюю стенку 26, имеющую сторону 46 нагнетания и расположенную напротив сторону 48 всасывания, которые проходят в направлении С вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками LE, ТЕ соответственно. Аэродинамические профили 39 и внешние стенки 26 проходят по радиусу в направлении S длины лопатки между внутренним и наружным ободами 38, 40. В обычном случае ободы отливают как единое целое с соответствующими лопатками при их первоначальном изготовлении. Поток 19 горячих газов сгорания проходит через каналы 50 между аэродинамическими профилями 39. Каналы 50 ограничены внутренними поверхностями 52, обращенными в сторону потока 19 горячих газов сгорания, внутреннего и наружного ободов 38, 40 и внешними поверхностями 54 сторон нагнетания и всасывания 46, 48 аэродинамических профилей 39.
Поток 19 горячих газов сгорания, текущий по охлаждаемым лопаткам 32 турбины и внешним стенкам 26, создает граничный слой 60 вдоль внутренних поверхностей 52 внутреннего и наружного ободов 38, 40 и, как схематично изображено на фиг.6, вдоль внешних поверхностей 54 сторон нагнетания и всасывания 46, 48 внешних стенок 26. В граничном слое 60, примыкающем к внешним поверхностям 54 сторон нагнетания и всасывания 46, 48 внешних стенок 26, создаются градиент U скорости и градиент Т температуры газа. Градиент U скорости приводит к возникновению касательных напряжений в потоке 19 горячих газов сгорания, вызывающих ненужное и нежелательное аэродинамическое сопротивление. Градиент Т температуры газа приводит к возникновению нежелательного переноса тепла от потока 19 горячих газов сгорания к более холодным внешним стенкам 26.
Система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы, изображенная на фиг.2-5, предназначена для подъема граничного слоя 60 потока и его удаления от внешних поверхностей 54 внешних стенок 26. Показанная здесь система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы содержит расположенные вдоль хорды на расстоянии друг от друга генераторы 2 плазмы на сторонах 48 всасывания аэродинамических профилей 39, так как данные профили подвергаются значительному нагреву именно на этих сторонах. Расположенные таким образом генераторы 2 плазмы могут также быть установлены на сторонах 46 нагнетания аэродинамических профилей 39. Генераторы 2 плазмы создают плазму 90, соответствующую форме внешней поверхности аэродинамического профиля, вдоль каждой из внешних поверхностей 54 сторон 48 всасывания аэродинамических профилей 39. Система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы поднимает граничный слой 60 потока относительно внешних поверхностей 54 внешних стенок 26 аэродинамических профилей 39 и удаляет упомянутый граничный слой от этих поверхностей, как показано на фиг.5. Это создает граничный слой 70 скольжения, по которому течет поток 19 горячих газов сгорания.
Граничный слой 70 скольжения обеспечивает границу 68 раздела между потоком 19 горячих газов сгорания и внешней поверхностью 54 внешней стенки 26, и эта граница 68 раздела не является сплошной поверхностью, когда генераторы 2 плазмы включают или подключают к источнику питания. Граничный слой 60 потока и его градиент U скорости и градиент Т температуры газа отделены от внешней поверхности 54 граничным слоем 70 скольжения, когда генераторы 2 плазмы подключены к источнику питания, как показано на фиг.5, в то время как упомянутые градиенты непосредственно возникают у внешней поверхности 54, когда генераторы 2 плазмы не подключены к источнику питания, как показано на фиг.6.
Подъем граничного слоя 60 вверх от внешних поверхностей 54 и удаление его от этих поверхностей снижает поверхностное сопротивление и перенос тепла между потоком 19 горячих газов сгорания и внешними поверхностями 54 внешних стенок 26 аэродинамических профилей 39, обусловленные наличием упомянутого граничного слоя 60. Снижение поверхностного сопротивления улучшает аэродинамическую эффективность лопаток и эффективность работы двигателя 10. Уменьшение переноса тепла продлевает срок службы элементов лопатки и снижает требования к охлаждающему потоку, таким образом, улучшая эффективность работы двигателя.
В приведенном здесь примере варианта генератора 2 плазмы предусмотрены генераторы 2 плазмы, установленные на внешних стенках 26 лопаток 32. Каждый из генераторов 2 плазмы содержит внутренний и внешний электроды 3 и 4, разделенные диэлектрическим материалом 5. Диэлектрический материал 5 размещен в проходящих по длине лопатки канавках 6, выполненных на внешних поверхностях 54 внешних стенок 26 лопаток 32. С упомянутыми электродами соединен источник питания 100 переменного тока, предназначенный для создания на этих электродах высокой разности потенциалов.
Если амплитуда переменного тока достаточно высока, поток 19 горячих газов сгорания ионизируется в области наибольшей разности потенциалов, формируя плазму 90. Множество генераторов 2 плазмы создают плазму 90, соответствующую форме внешней поверхности 54 лопатки 32, и которая покрывает существенную часть этой внешней поверхности. Плазма 90 первоначально возникает на торце 102 внешнего электрода 4, который подвергается воздействию потока 19 горячих газов сгорания, и распространяется по области 104, простирающейся над внутренним электродом 3, который закрыт диэлектрическим материалом 5. При наличии градиента электрического поля плазма 90 воздействует на поток 19 горячих газов сгорания, находящийся между ней и внешней поверхностью 54, приводя к возникновению фактической аэродинамической формы, которая вызывает изменение в распределении давления на внешней поверхности 54 внешней стенки 26 аэродинамического профиля 39.
Возникшая фактическая аэродинамическая форма и возникающее в результате изменение в распределении давления создает граничный слой 70 скольжения, по которому будет течь поток 19 горячих газов сгорания. Уже известно применение аэродинамических профилей, использующих генераторы плазмы для предотвращения разделения потока над этими профилями.
При включенных генераторах 2 плазмы градиент U скорости на границе 68 раздела меньше, чем при отключенных генераторах 2 плазмы. Аналогичным образом, при включенных генераторах 2 плазмы градиент Т температуры на границе 68 раздела также меньше, чем при отключенных генераторах 2 плазмы. Как следствие, нагрев потоком 19 горячих газов сгорания внешних поверхностей 54 сторон 48 всасывания на внешних стенках 26 аэродинамических профилей 39 также будет меньше при включенных генераторах 2 плазмы, чем при отключенных упомянутых генераторах 2. Генераторы 2 плазмы могут работать либо в установившемся, либо в установившемся режимах.
Система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы рассмотрена в данном описании для аэродинамических профилей 39 в сопле 30 турбины 22 высокого давления и, в частности, для стороны 48 всасывания на внешней стенке этих профилей. Система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы также может быть использована для стороны 46 нагнетания аэродинамического профиля и для внутренних поверхностей 52 внутреннего и наружного ободов 38, 40. Кроме того, система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы может применяться на аэродинамических профилях лопаток в других ступенях турбины высокого давления и в турбине низкого давления. Система 11 подъема граничного слоя посредством плазмы может также использоваться для лопаточного венца в компрессорах высокого и низкого давления. Лопаточный венец компрессора включает аэродинамические профили лопаток, которые проходят в направлении по радиусу между внутренним и наружным ободами этого венца, и эти профили обычно выполнены цельными, а не полыми.
Настоящее изобретение рассмотрено здесь на основе примеров вариантов его реализации, приведенных в качестве иллюстрации. Необходимо понимать, что использованная терминология, как подразумевается, служит для описания, а не для ограничения. Хотя здесь описаны считающиеся предпочтительными и примерными варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники после изучения этого описания станут очевидны и другие модификации изобретения, поэтому все подобные модификации, не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения, охвачены пунктами приложенной формулы изобретения.
Соответственно, в патенте должно быть закреплено изобретение, как оно определено и ограничено в пунктах приложенной формулы изобретения.
Список использованных обозначений
2 - генераторы плазмы
3 - внутренние электроды
4 - внешние электроды
5 - диэлектрический материал
6 - канавка
8 - центральная ось двигателя
10 - газотурбинный двигатель
11 - система подъема граничного слоя посредством плазмы
12 - вентилятор
14 - воздух окружающей среды
16 - бустер или компрессор низкого давления (СРС)
18 - компрессор высокого давления (НРС)
19 - поток горячих газов сгорания
20 - камера сгорания
22 - турбина высокого давления (НРТ)
24 - турбина низкого давления (СРТ)
26 - внешняя стенка
28 - вал низкого давления
29 - ротор высокого давления
30 - сопло турбины
31 - лопаточный венец
32 - лопатки
33 - ряд
34 - внутренние концы
36 - наружные концы
38 - внутренние ободы
39 - аэродинамические профили
40 - наружные ободы
42 - сегменты
46 - сторона нагнетания
48 - сторона всасывания
50 - каналы
52 - внутренние поверхности
54 - внешние поверхности
60 - граничный слой
68 - граница раздела
70 - граничный слой скольжения
90 - плазма
100 - источник питания переменного тока
102 - торец
104 - область
С - направление вдоль хорды
S - направление по длине лопатки
Т - градиент температуры газа
U - градиент скорости
LE - передняя кромка
ТЕ - задняя кромка

Claims (13)

1. Система (11) подъема граничного слоя посредством плазмы, содержащая
- по меньшей мере, одну лопатку (32) газотурбинного двигателя, с аэродинамическим профилем (39), проходящим по длине этой лопатки, при этом
- аэродинамический профиль (39) имеет внешнюю поверхность (54), проходящую в направлении (С) вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками (LE, ТЕ); и
- расположенные вдоль упомянутой хорды на расстоянии друг от друга генераторы (2) для создания плазмы (90), распространяющейся в направлении (С) по внешней поверхности (54) вдоль упомянутой хорды.
2. Система (11) по п.1, дополнительно содержащая генераторы (2) плазмы, которые установлены на аэродинамическом профиле (39), при этом каждый из них содержит внутренний и внешний электроды (3, 4), разделенные диэлектрическим материалом (5).
3. Система (11) по п.2, дополнительно содержащая источник питания (100) переменного тока, соединенный с упомянутыми электродами для создания на них высокой разности потенциалов.
4. Система (11) по п.3, дополнительно содержащая диэлектрический материал (5), размещенный в проходящей по длине лопатки канавке (6), выполненной на внешней поверхности (54) аэродинамического профиля (39).
5. Система (11) по п.1, дополнительно содержащая аэродинамический профиль (39), который выполнен полым и имеет внешнюю стенку (26), а также содержащая генераторы (2) плазмы, установленные на внешней стенке (26).
6. Система (11) по п.5, дополнительно содержащая генераторы (2) плазмы, каждый из которых содержит внутренний и внешний электроды (3, 4), разделенные диэлектрическим материалом (5), который размещен в проходящей по длине лопатки канавке (6), выполненной на внешней поверхности (54) внешней стенки (26).
7. Система (11) по п.2, дополнительно содержащая аэродинамический профиль (39), который представляет собой лопатку в сопле турбины высокого давления.
8. Система (11) по п.2, дополнительно содержащая аэродинамический профиль (39), который представляет собой цельный аэродинамический профиль компрессора, а также содержащая генераторы (2) плазмы, каждый из которых содержит внутренний и внешний электроды (3, 4), разделенные диэлектрическим материалом (5).
9. Система (11) подъема граничного слоя посредством плазмы, содержащая
- лопаточный венец (31), включающий ряд (33) расположенных по окружности на расстоянии друг от друга и проходящих в направлении по радиусу лопаток (32) газотурбинного двигателя; причем
каждая из лопаток (32) имеет аэродинамический профиль (39), проходящий по длине этой лопатки, при этом
аэродинамический профиль (39) имеет внешнюю поверхность (54), проходящую в направлении (С) вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками (LE, ТЕ); и
- расположенные вдоль упомянутой хорды на расстоянии друг от друга генераторы (2) для создания плазмы (90), распространяющейся в направлении (С) вдоль хорды по внешней поверхности (54).
10. Система (11) по п.9, дополнительно содержащая ряд (33) расположенных по окружности на расстоянии друг от друга и проходящих в направлении по радиусу лопаток (32) газотурбинного двигателя, при этом упомянутый ряд состоит из сегментов (42) окружности с двумя или более лопатками (32) на один сегмент.
11. Способ использования газотурбинного двигателя (10) с системой (11) подъема граничного слоя посредством плазмы, включающего, по меньшей мере, одну лопатку (32) газотурбинного двигателя из ряда (33) расположенных по окружности на расстоянии друг от друга и проходящих в направлении по радиусу лопаток (32) газотурбинного двигателя, каждая лопатка (32) газотурбинного двигателя имеет аэродинамический профиль (39), проходящий по длине этой лопатки (32) и имеющий внешнюю поверхность, проходящую в направлении вдоль хорды между расположенными друг против друга передней и задней кромками; и расположенные вдоль упомянутой хорды на расстоянии друг от друга генераторы для создания плазмы (90), содержащий этап, на котором формируют плазму (90), распространяющуюся в направлении (С) вдоль хорды по внешней поверхности (54) аэродинамического профиля (39) лопатки (32) газотурбинного двигателя.
12. Способ по п.11, в котором на упомянутом этапе создания плазмы (90) снабжают энергией генераторы (2) плазмы, которые расположены вдоль хорды на расстоянии друг от друга и проходят в направлении длины лопатки.
13. Способ по п.12, в котором генераторы (2) плазмы использованы в установившемся или неустановившемся режиме.
RU2007140322/06A 2006-10-31 2007-10-30 Система подъема граничного слоя посредством плазмы для лопатки газотурбинного двигателя (варианты) и способ использования газотурбинного двигателя RU2466279C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/591,264 2006-10-31
US11/591,264 US7766599B2 (en) 2006-10-31 2006-10-31 Plasma lifted boundary layer gas turbine engine vane

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007140322A RU2007140322A (ru) 2009-05-10
RU2466279C2 true RU2466279C2 (ru) 2012-11-10

Family

ID=38691788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007140322/06A RU2466279C2 (ru) 2006-10-31 2007-10-30 Система подъема граничного слоя посредством плазмы для лопатки газотурбинного двигателя (варианты) и способ использования газотурбинного двигателя

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7766599B2 (ru)
EP (1) EP1918520B1 (ru)
JP (1) JP5357416B2 (ru)
CA (1) CA2607038C (ru)
RU (1) RU2466279C2 (ru)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090065064A1 (en) * 2007-08-02 2009-03-12 The University Of Notre Dame Du Lac Compressor tip gap flow control using plasma actuators
US8091836B2 (en) * 2007-12-19 2012-01-10 Pratt & Whitney Rocketdyne, Inc. Rotary wing system with ion field flow control
US20100290906A1 (en) * 2007-12-28 2010-11-18 Moeckel Curtis W Plasma sensor stall control system and turbomachinery diagnostics
US20100284795A1 (en) * 2007-12-28 2010-11-11 General Electric Company Plasma Clearance Controlled Compressor
US20100205928A1 (en) * 2007-12-28 2010-08-19 Moeckel Curtis W Rotor stall sensor system
US8317457B2 (en) * 2007-12-28 2012-11-27 General Electric Company Method of operating a compressor
US8282337B2 (en) * 2007-12-28 2012-10-09 General Electric Company Instability mitigation system using stator plasma actuators
US20090169363A1 (en) * 2007-12-28 2009-07-02 Aspi Rustom Wadia Plasma Enhanced Stator
US20100047055A1 (en) * 2007-12-28 2010-02-25 Aspi Rustom Wadia Plasma Enhanced Rotor
US8348592B2 (en) * 2007-12-28 2013-01-08 General Electric Company Instability mitigation system using rotor plasma actuators
US20100047060A1 (en) * 2007-12-28 2010-02-25 Aspi Rustom Wadia Plasma Enhanced Compressor
US8282336B2 (en) * 2007-12-28 2012-10-09 General Electric Company Instability mitigation system
US20090169356A1 (en) * 2007-12-28 2009-07-02 Aspi Rustom Wadia Plasma Enhanced Compression System
US20100284785A1 (en) * 2007-12-28 2010-11-11 Aspi Rustom Wadia Fan Stall Detection System
US8006497B2 (en) * 2008-05-30 2011-08-30 Honeywell International Inc. Diffusers, diffusion systems, and methods for controlling airflow through diffusion systems
US7984614B2 (en) * 2008-11-17 2011-07-26 Honeywell International Inc. Plasma flow controlled diffuser system
US20100172747A1 (en) * 2009-01-08 2010-07-08 General Electric Company Plasma enhanced compressor duct
US20100170224A1 (en) * 2009-01-08 2010-07-08 General Electric Company Plasma enhanced booster and method of operation
US8585356B2 (en) * 2010-03-23 2013-11-19 Siemens Energy, Inc. Control of blade tip-to-shroud leakage in a turbine engine by directed plasma flow
US8500404B2 (en) 2010-04-30 2013-08-06 Siemens Energy, Inc. Plasma actuator controlled film cooling
US20130180245A1 (en) * 2012-01-12 2013-07-18 General Electric Company Gas turbine exhaust diffuser having plasma actuator
US10221720B2 (en) 2014-09-03 2019-03-05 Honeywell International Inc. Structural frame integrated with variable-vectoring flow control for use in turbine systems
US10487679B2 (en) * 2017-07-17 2019-11-26 United Technologies Corporation Method and apparatus for sealing components of a gas turbine engine with a dielectric barrier discharge plasma actuator
FR3116559B1 (fr) * 2020-11-25 2023-07-28 Safran Turbomachine comprenant une turbine à section variable

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR931295A (fr) * 1946-07-19 1948-02-18 Procédé et dispositifs pour diminuer la résistance à l'avancement d'un solide dans un fluide
FR1031925A (fr) * 1951-01-31 1953-06-29 Procédé et dispositif pour influencer l'écoulement d'un fluide le long d'une surface, par exemple une surface alaire
RU2072058C1 (ru) * 1993-06-18 1997-01-20 Геннадий Алексеевич Швеев Газотурбинный двигатель
EP1619118A2 (en) * 2004-07-21 2006-01-25 United Technologies Corporation Wing enhancement through ion entrainment of media
EP1672966A2 (en) * 2004-12-20 2006-06-21 Lockheed Martin Corporation Plasma jet systems and methods

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2129882B (en) * 1982-11-10 1986-04-16 Rolls Royce Gas turbine stator vane
US5320309A (en) * 1992-06-26 1994-06-14 British Technology Group Usa, Inc. Electromagnetic device and method for boundary layer control
EP0862532A4 (en) * 1995-11-20 2002-04-10 Univ Princeton STAGE OPERATION OF ELECTROMAGNETIC TILES FOR CONTROLLING THE INTERFACE LAYER
AU3180099A (en) * 1998-01-08 1999-07-26 Government of the United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration (NASA), The Paraelectric gas flow accelerator
US6394750B1 (en) * 2000-04-03 2002-05-28 United Technologies Corporation Method and detail for processing a stator vane
US6561760B2 (en) * 2001-08-17 2003-05-13 General Electric Company Booster compressor deicer
US6708482B2 (en) 2001-11-29 2004-03-23 General Electric Company Aircraft engine with inter-turbine engine frame
US6570333B1 (en) * 2002-01-31 2003-05-27 Sandia Corporation Method for generating surface plasma
US6732502B2 (en) 2002-03-01 2004-05-11 General Electric Company Counter rotating aircraft gas turbine engine with high overall pressure ratio compressor
US6619030B1 (en) 2002-03-01 2003-09-16 General Electric Company Aircraft engine with inter-turbine engine frame supported counter rotating low pressure turbine rotors
US6805325B1 (en) * 2003-04-03 2004-10-19 Rockwell Scientific Licensing, Llc. Surface plasma discharge for controlling leading edge contamination and crossflow instabilities for laminar flow
US7334394B2 (en) 2003-09-02 2008-02-26 The Ohio State University Localized arc filament plasma actuators for noise mitigation and mixing enhancement
GB0411178D0 (en) 2004-05-20 2004-06-23 Rolls Royce Plc Sealing arrangement
DE102006008864B4 (de) * 2006-02-25 2013-08-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Strömungsflächenelement
JP5060163B2 (ja) * 2006-04-28 2012-10-31 株式会社東芝
US7605595B2 (en) 2006-09-29 2009-10-20 General Electric Company System for clearance measurement and method of operating the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR931295A (fr) * 1946-07-19 1948-02-18 Procédé et dispositifs pour diminuer la résistance à l'avancement d'un solide dans un fluide
FR1031925A (fr) * 1951-01-31 1953-06-29 Procédé et dispositif pour influencer l'écoulement d'un fluide le long d'une surface, par exemple une surface alaire
RU2072058C1 (ru) * 1993-06-18 1997-01-20 Геннадий Алексеевич Швеев Газотурбинный двигатель
EP1619118A2 (en) * 2004-07-21 2006-01-25 United Technologies Corporation Wing enhancement through ion entrainment of media
EP1672966A2 (en) * 2004-12-20 2006-06-21 Lockheed Martin Corporation Plasma jet systems and methods

Also Published As

Publication number Publication date
CA2607038A1 (en) 2008-04-30
EP1918520A3 (en) 2009-05-06
US7766599B2 (en) 2010-08-03
JP2008115857A (ja) 2008-05-22
CA2607038C (en) 2015-06-09
EP1918520A2 (en) 2008-05-07
RU2007140322A (ru) 2009-05-10
EP1918520B1 (en) 2016-08-10
JP5357416B2 (ja) 2013-12-04
US20080101913A1 (en) 2008-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2466279C2 (ru) Система подъема граничного слоя посредством плазмы для лопатки газотурбинного двигателя (варианты) и способ использования газотурбинного двигателя
RU2471996C2 (ru) Система снижения образования вихрей на торцевой стенке (варианты) и способ работы системы
CA2612043C (en) Upstream plasma shielded film cooling
CA2605525C (en) Plasma enhanced rapidly expanded gas turbine engine transition duct
CA2612533C (en) Plasma induced virtual turbine airfoil trailing edge extension
CA2612042C (en) Downstream plasma shielded film cooling
US20100170224A1 (en) Plasma enhanced booster and method of operation
US20100172747A1 (en) Plasma enhanced compressor duct

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161031