RU2484264C2 - Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine - Google Patents

Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine Download PDF

Info

Publication number
RU2484264C2
RU2484264C2 RU2011118334/06A RU2011118334A RU2484264C2 RU 2484264 C2 RU2484264 C2 RU 2484264C2 RU 2011118334/06 A RU2011118334/06 A RU 2011118334/06A RU 2011118334 A RU2011118334 A RU 2011118334A RU 2484264 C2 RU2484264 C2 RU 2484264C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pressure turbine
channel
height
flow
wall
Prior art date
Application number
RU2011118334/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011118334A (en
Inventor
Юрий Игоревич Гладков
Борис Викторович Барановский
Original Assignee
Юрий Игоревич Гладков
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 Юрий Игоревич Гладков filed Critical Юрий Игоревич Гладков
Priority to RU2011118334/06A priority Critical patent/RU2484264C2/en
Publication of RU2011118334A publication Critical patent/RU2011118334A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2484264C2 publication Critical patent/RU2484264C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: continuous annular transient channel between a high-pressure turbine and a low- pressure turbine with expansion degree of more than 1.6 and an equivalent opening angle of a flat diffuser of more than 12° includes external and internal perforated walls. Flow swirl after the high-pressure turbine runner is transformed in the direction of its amplification at walls and attenuation in the centre. The swirl is transformed due to shaping of a stage of the high-pressure turbine and due to a swirling device located after the runner of the high-pressure turbine with the height of 10% of the channel height to 5% of the height on internal and external walls of the channel, or due to a twisting-untwisting device of total height.
EFFECT: invention allows reducing losses in a transient channel between high-pressure and low-pressure turbines.
3 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области авиационных газотурбинных двигателей, в частности к узлу, расположенному между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления внутреннего контура двухконтурного авиационного двигателя.The invention relates to the field of aircraft gas turbine engines, in particular to a node located between a high pressure turbine and a low pressure turbine of the internal circuit of a dual-circuit aircraft engine.

Уровень техникиState of the art

Авиационные газовые турбины двухконтурных двигателей предназначены для привода компрессоров. Турбина высокого давления предназначена для привода компрессора высокого давления, а турбина низкого давления предназначена для привода компрессора низкого давления и вентилятора. В авиационных двигателях пятого поколения массовый расход рабочего тела через внутренний контур в несколько раз меньше расхода через внешний контур. Поэтому турбина низкого давления по своей мощности и радиальным размерам в несколько раз превышает турбину высокого давления, а частота ее вращения в несколько раз меньше частоты вращения турбины высокого давления.Double-circuit aviation gas turbines are designed to drive compressors. The high pressure turbine is designed to drive the high pressure compressor, and the low pressure turbine is designed to drive the low pressure compressor and fan. In fifth-generation aircraft engines, the mass flow rate of the working fluid through the internal circuit is several times smaller than the flow rate through the external circuit. Therefore, the low-pressure turbine in its power and radial dimensions is several times higher than the high-pressure turbine, and its rotation speed is several times lower than the rotational speed of the high-pressure turbine.

Такая особенность современных авиационных двигателей конструктивно воплощается в необходимости выполнения переходного канала между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, который является кольцевым диффузором.This feature of modern aircraft engines is structurally embodied in the need to make the transition channel between the high pressure turbine and the low pressure turbine, which is an annular diffuser.

Жесткие ограничения по габаритным и массовым характеристикам авиационного двигателя применительно к переходному каналу выражаются в необходимости выполнять канал относительно короткой длины, с высокой степенью диффузорности и явно отрывным эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора. Под степенью диффузорности понимается отношение выходной площади поперечного сечения ко входной. Для современных и перспективных двигателей степень диффузорности имеет значение, близкое к 2. Под эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора понимается угол раскрытия плоского диффузора, имеющего такую же длину, как и кольцевой конический диффузор, и такую же степень диффузорности. В современных авиационных ГТД эквивалентный угол раскрытия плоского диффузора превышает 10°, в то время как безотрывное течение в плоском диффузоре наблюдается только при угле раскрытия не более 6°.Severe restrictions on the overall and mass characteristics of the aircraft engine with respect to the transition channel are expressed in the need to run the channel of a relatively short length, with a high degree of diffusivity and a clearly tear-off equivalent opening angle of the flat diffuser. The degree of diffuseriness refers to the ratio of the output cross-sectional area to the input. For modern and promising engines, the degree of diffusivity is close to 2. By the equivalent opening angle of a planar diffuser is meant the opening angle of a planar diffuser having the same length as the annular conical diffuser and the same degree of diffusivity. In modern aviation gas turbine engines, the equivalent opening angle of a planar diffuser exceeds 10 °, while the continuous flow in a plane diffuser is observed only at an opening angle of no more than 6 °.

Поэтому все выполненные конструкции переходных каналов характеризуются высоким коэффициентом потерь, из-за отрыва пограничного слоя от стенки диффузора. На фигуре 1 приведена эволюция основных параметров переходного канала фирмы Дженерал Электрик. На фигуре 1 по горизонтальной оси отложена степень диффузорности переходного канала, по вертикальной оси эквивалентный угол раскрытия плоского диффузора. Из фигуры 1 видно, что первоначально высокие значения эффективного угла раскрытия (≈12°) эволюционируют к значительно более низким значениям, что связано только лишь с высоким уровнем потерь. По результатам исследований кольцевого диффузора со степенью раскрытия 1,6 и эффективным углом раскрытия плоского диффузора 13,5° коэффициент потерь менялся в пределах от 15% до 24% в зависимости от закона распределения закрутки по высоте канала [1].Therefore, all completed designs of the transition channels are characterized by a high loss coefficient, due to separation of the boundary layer from the diffuser wall. The figure 1 shows the evolution of the main parameters of the transition channel of the company General Electric. In figure 1, the horizontal axis shows the degree of diffusivity of the transition channel, the vertical axis is the equivalent opening angle of the flat diffuser. Figure 1 shows that initially high values of the effective opening angle (≈12 °) evolve to significantly lower values, which is associated only with a high level of losses. According to the results of studies of a ring diffuser with a degree of opening of 1.6 and an effective opening angle of a flat diffuser of 13.5 °, the loss coefficient varied from 15% to 24% depending on the law of distribution of swirl over the channel height [1].

Аналоги изобретенияAnalogs of the invention

Отдаленными аналогами изобретения являются диффузоры, описанные в патентах US 2007/0089422 A1, DAS 1054791. В этих конструкциях для предотвращения отрыва потока от стенки диффузора используется отсос пограничного слоя из сечения, расположенного посередине канала с выбросом отсасываемого газа в сопло. Однако указанные диффузоры не являются переходными каналами между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления.Remote analogues of the invention are diffusers described in US 2007/0089422 A1, DAS 1054791. In these structures, to prevent separation of the flow from the diffuser wall, the boundary layer is sucked from a section located in the middle of the channel with the suction gas being ejected into the nozzle. However, these diffusers are not transition channels between the high pressure turbine and the low pressure turbine.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Не являющиеся ограничивающими примеры осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:Non-limiting embodiments of the present invention, its additional features and advantages will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which:

фиг.1 изображает эволюцию проточной части межтурбинного переходного канала у ТРДД фирмы General Electric,figure 1 depicts the evolution of the flow part of the inter-turbine transition channel at the turbofan engine company General Electric,

фиг.2 изображает зависимость потерь кинетической энергии потока в канале от интегрального параметра закрутки потока Ф ¯ С Т

Figure 00000001
в виде линейной аппроксимации, где ν=0 - равномерная по высоте закрутка потока; ν=-1 - увеличивающаяся по высоте закрутка потока; ν=1 - уменьшающаяся по высоте закрутка потока; у=-1,36Фст+0,38 - аппроксимационная зависимость, соответствующая коэффициенту достоверности R=0,76,figure 2 depicts the dependence of the kinetic energy loss of the flow in the channel from the integral parameter of the swirl flow F ¯ FROM T
Figure 00000001
in the form of a linear approximation, where ν = 0 is the flow swirl uniform in height; ν = -1 - increasing in height swirl flow; ν = 1 - decreasing flow swirl; y = -1.36F st +0.38 - approximation dependence corresponding to a confidence coefficient R = 0.76,

фиг.3 изображает экстраполяцию потерь отрыва в кольцевом диффузоре от величины пристеночной закрутки,figure 3 depicts the extrapolation of loss of separation in the annular diffuser from the magnitude of the wall twist,

фиг.4 изображает схему переходного канала,figure 4 depicts a transition channel diagram,

фиг.5 изображает схему перфорации,5 depicts a perforation diagram,

фиг.6 изображает схему устройства силовой стойки с подводящим каналом.6 depicts a diagram of the device power rack with a feed channel.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании переходного канала со степенью раскрытия более чем 1,6 и с эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора, превышающего 12°, течение в котором было бы безотрывным, а уровень потерь соответственно минимально возможным. Предлагается возможным снизить коэффициент потерь с 20-30% до 5-6%.The problem to which the present invention is directed, is to create a transition channel with a degree of opening of more than 1.6 and with an equivalent opening angle of a planar diffuser exceeding 12 °, the flow in which would be continuous, and the level of losses is accordingly minimally possible. It is proposed to reduce the loss factor from 20-30% to 5-6%.

Поставленная задача решается:The problem is solved:

1. На основе трансформации имеющейся закрутки за турбиной высокого давления на входе в кольцевой диффузор в направлении ее усиления на внутренней и внешней стенке канала и ослабления в середине канала.1. Based on the transformation of the existing swirl behind the high-pressure turbine at the entrance to the annular diffuser in the direction of its amplification on the inner and outer wall of the channel and attenuation in the middle of the channel.

2. На основе переменной по длине перфорации внутренних и внешних стенок кольцевого диффузора, адаптированной к местной структуре турбулентности.2. Based on the variable perforation length of the inner and outer walls of the annular diffuser, adapted to the local turbulence structure.

3. На основе отсоса пограничного слоя из зоны возможного отрыва потока от стенок диффузора.3. Based on the suction of the boundary layer from the zone of possible separation of the flow from the walls of the diffuser.

В связи с чем предлагается безотрывный кольцевой переходный канал между турбиной высокого давления (ТВД) и турбиной низкого давления (ТНД) со степенью расширения более 1,6 и эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора более 12°, содержащий внешнюю стенку и внутреннюю стенку. Внешняя и внутренняя стенка перфорированы, а имеющаяся за рабочим колесом турбины высокого давления (ТВД) закрутка преобразована в направлении ее усиления у стенок и ослабления в центре. Закрутка преобразована за счет профилирования ступени турбины высокого давления (ТВД) и за счет закручивающего устройства, расположенного за рабочим колесом турбины высокого давления (ТВД) высотой 10% от высоты канала по 5% высоты на внутренней и внешней стенках канала, или за счет подкручивающе-раскручивающего устройства полной высоты.In this connection, a continuous annular transition channel between a high-pressure turbine (HPT) and a low-pressure turbine (LPT) with a degree of expansion of more than 1.6 and an equivalent opening angle of a flat diffuser of more than 12 °, containing an outer wall and an inner wall, is proposed. The outer and inner walls are perforated, and the spin located behind the impeller of the high-pressure turbine (HPD) is transformed in the direction of its strengthening at the walls and weakening in the center. The swirl is converted by profiling the stage of the high pressure turbine (HPT) and by means of a swirling device located behind the impeller of the high pressure turbine (HPT) with a height of 10% of the channel height at 5% of the height on the inner and outer walls of the channel, or by tightening full height unwinder.

Преобразованная закрутка ограничена достижением интегрального параметра закрутки до уровня Фст=0,3-0,35. Секция перфорации, расположенная на расстоянии 0,6-0,7 длины переходного канала от входного сечения, соединена с полостью в силовых стойках, имеющих щели на 80% высоты стоек симметрично геометрической середины канала, а щели расположены вблизи входной кромки.The converted twist is limited by the achievement of the integral twist parameter to the level Ф st = 0.3-0.35. The perforation section, located at a distance of 0.6-0.7 of the length of the transition channel from the inlet section, is connected to the cavity in power racks having slots at 80% of the height of the racks symmetrically to the geometric middle of the channel, and the slots are located near the input edge.

Как известно, газ движется в диффузоре по инерции в сторону роста давления, а отрыв (отслоение) потока от стенок физически обусловлен недостаточной инерционностью внутренних пристеночных слоев пограничного слоя. Пункты 1, 2 призваны увеличить инерционность движения пристеночного потока газа за счет увеличения скорости движения, а соответственно его кинетической энергии.As you know, the gas moves in the diffuser by inertia in the direction of pressure increase, and the separation (delamination) of the flow from the walls is physically caused by the insufficient inertia of the inner wall layers of the boundary layer. Paragraphs 1, 2 are designed to increase the inertia of the motion of the near-wall gas flow by increasing the speed of movement, and accordingly its kinetic energy.

Наличие закрутки в пристеночном потоке газа увеличивает скорость движения, а значит и его кинетическую энергию. В результате увеличивается устойчивость потока к отрыву (отслоению от стенок), а потери снижаются. На фигуре 2 приведены результаты опытного исследования кольцевого диффузора со степенью раскрытия 1,6 и эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора 13,5°. По вертикальной оси представлен коэффициент потерь, определяемый традиционным образом: отношение потерь механической энергии в диффузоре к кинетической энергии газового потока на входе в диффузор. По горизонтальной оси представлен интегральный параметр закрутки, определяемый следующим образом:The presence of a swirl in the near-wall gas flow increases the speed of movement, and hence its kinetic energy. As a result, the flow resistance to separation (peeling from the walls) increases, and losses are reduced. The figure 2 shows the results of a pilot study of a ring diffuser with a degree of opening of 1.6 and an equivalent opening angle of a flat diffuser of 13.5 °. The vertical axis shows the loss coefficient, determined in the traditional way: the ratio of the loss of mechanical energy in the diffuser to the kinetic energy of the gas stream at the inlet to the diffuser. The horizontal axis represents the integral spin parameter, defined as follows:

Ф с т = Ф в т + Ф п е р Ф . ,

Figure 00000002
F from t = F at t + F P e R F . ,
Figure 00000002

где Ф . = 2 π R R + H ρ w u r 2 d r 2 π R R + H ρ w 2 r d r ( R + H 2 )

Figure 00000003
Where F . = 2 π R R + H ρ w u r 2 d r 2 π R R + H ρ w 2 r d r ( R + H 2 )
Figure 00000003

- интегральный параметр закрутки на входе в канал, ρ - плотность, w - осевая скорость, u - окружная скорость, r - текущий радиус, R - радиус с внутренней образующей диффузора, Н - высота канала, Фвт - интегральный параметр закрутки, рассмотренный в диапазоне высот от 0% до 5% от втулочного сечения, т.е.is the integral parameter of the swirl at the entrance to the channel, ρ is the density, w is the axial velocity, u is the peripheral speed, r is the current radius, R is the radius with the internal generatrix of the diffuser, N is the height of the channel, and Fw is the integral parameter of swirl considered in height range from 0% to 5% of the sleeve section, i.e.

Ф в т = 2 π R R + 0,05 H ρ w u r 2 d r 2 π R R + H ρ w 2 r d r ( R + H 2 ) ;

Figure 00000004
F at t = 2 π R R + 0.05 H ρ w u r 2 d r 2 π R R + H ρ w 2 r d r ( R + H 2 ) ;
Figure 00000004

Фпер - тот же параметр, но в диапазоне высот от 95% до 100% от втулочного сечения, т.е.F per - the same parameter, but in the height range from 95% to 100% of the sleeve section, i.e.

Ф п е р = 2 π R + 0,95 H R + H ρ w u r 2 d r 2 π R R + H ρ w 2 r d r ( R + H 2 ) .

Figure 00000005
F P e R = 2 π R + 0.95 H R + H ρ w u r 2 d r 2 π R R + H ρ w 2 r d r ( R + H 2 ) .
Figure 00000005

Как видно из фигуры 2, потери в переходном канале снижаются по мере увеличения доли пристеночной закрутки.As can be seen from figure 2, the loss in the transition channel decreases as the proportion of parietal twist increases.

На фигуре 3 представлена линейная экстраполяция зависимости ξ (Фст) до уровня потерь трения в эквивалентном канале постоянного сечения. В этом случае на долю пристеночной закрутки (10% от высоты канала) должно приходиться примерно 30% закрутки потока.The figure 3 presents a linear extrapolation of the dependence ξ (f article ) to the level of friction loss in the equivalent channel of constant cross section. In this case, the near-wall swirl (10% of the channel height) should account for approximately 30% of the swirl of the flow.

Как известно, при турбулентном режиме течения в каналах, непосредственно вблизи стенки имеет место ламинарный режим течения из-за невозможности поперечного пульсационного движения. Толщина ламинарного подслоя составляет примерно 10 μ ρ τ с т .

Figure 00000006
В последнем выражении µ - динамическая вязкость, τст - напряжение трения на стенке. Как известно, напряжение трения быстро убывает вдоль диффузора, а в точке отрыва оно вообще равно нулю. Поэтому толщина ламинарного подслоя в переходном канале со сплошной стенкой стремительно нарастает по ходу потока. Соответственно увеличивается толщина пристеночного слоя течения с малым уровнем кинетической энергии.As is known, with a turbulent flow regime in the channels, a laminar flow regime takes place right near the wall due to the impossibility of transverse pulsating motion. The thickness of the laminar sublayer is approximately 10 μ ρ τ from t .
Figure 00000006
In the last expression, µ is the dynamic viscosity, τ st is the friction stress on the wall. As is known, the friction stress rapidly decreases along the diffuser, and at the separation point it is generally equal to zero. Therefore, the thickness of the laminar sublayer in the transition channel with a continuous wall is rapidly increasing along the flow. Accordingly, the thickness of the wall layer of the flow with a low level of kinetic energy increases.

Перфорация внутренней и внешней стенок переходного канала делает возможным поперечное пульсационное движение на любом расстоянии от перфорированной стенки. Поскольку в турбулентном течении продольное пульсационное течение статистически связано с поперечным, то перфорация позволяет увеличить зону собственно турбулентного течения. Чем выше степень перфорации стенки, тем тоньше ламинарный подслой, тем выше скорость движения газа в пристеночном слое, тем выше кинетическая энергия пристенного потока и его стойкость к отрыву (отслоению от стенки).Perforation of the inner and outer walls of the transition channel makes possible transverse pulsation movement at any distance from the perforated wall. Since the longitudinal pulsation flow is statistically related to the transverse one in a turbulent flow, perforation allows to increase the area of the turbulent flow itself. The higher the degree of perforation of the wall, the thinner the laminar sublayer, the higher the gas velocity in the wall layer, the higher the kinetic energy of the wall flow and its resistance to separation (peeling from the wall).

Описание конструкции переходного канала между турбиной высокого давления и турбиной низкого давленияDescription of the design of the transition channel between the high pressure turbine and the low pressure turbine

Переходный канал между турбиной высокого давления (ТВД) и турбиной низкого давления (ТНД) внутреннего контура двухконтурного турбореактивного двигателя (Фиг.4) является кольцевым диффузором, имеющим внутреннюю стенку 1 и внешнюю стенку 2. Внутренняя и внешняя стенки на стыке с ТВД и ТНД имеют определенные радиусы сопряжения.The transition channel between the high-pressure turbine (high pressure turbine) and the low-pressure turbine (low pressure turbine) of the internal circuit of a dual-circuit turbojet engine (Figure 4) is an annular diffuser having an inner wall 1 and an outer wall 2. The inner and outer walls at the junction with the turbine and high pressure turbines specific mating radii.

Через переходный канал проходят силовые стойки 3, которые обеспечивают смазку, суфлирование и охлаждение опор роторов ТВД и ТНД. Стойки 3 имеют в поперечном сечении несимметричный аэродинамический профиль, обеспечивающий раскрутку потока в центре канала и подкрутку потока у стенок канала до уровня Фст=0,3-0,35.Through the transition channel pass power racks 3, which provide lubrication, venting and cooling of the supports of the rotors of the high pressure fuel pump and high pressure pump. Racks 3 have an asymmetric aerodynamic profile in cross section, which ensures the promotion of the flow in the center of the channel and the twisting of the flow at the channel walls to the level Ф st = 0.3-0.35.

Стенки 1 и 2 перфорированы (Фиг.5). Во избежание перетекания рабочего тела в перфорациях, части перфорации 4 изолированы друг от друга поперечными стенками 5.Walls 1 and 2 are perforated (Figure 5). To avoid overflow of the working fluid in the perforations, the parts of the perforation 4 are isolated from each other by transverse walls 5.

Из секции перфорации 9, расположенной на расстоянии 0,6-0,7 от входа в диффузор, организован отсос и удаление через подводящий канал 6 в щели 7 стоек 3. Удаление отсосанной части пограничного слоя производится через щели, расположенные вблизи кромки профиля стоек в зоне минимума местного статического давления. В канале, соединяющем полость 9 с полостью стоек 3, установлены мерные шайбы 8, регулирующие расход газа.From the perforation section 9, located at a distance of 0.6-0.7 from the entrance to the diffuser, suction and removal through the feed channel 6 in the slots 7 of the racks 3 is organized. Removing the suction part of the boundary layer is done through slots located near the edge of the racks profile in the zone minimum local static pressure. In the channel connecting the cavity 9 with the cavity of the uprights 3, measuring washers 8 are installed that control the gas flow.

За рабочим колесом ТВД 11 установлен подкручивающий аппарат 12, увеличивающий закрутку потока у стенок. Высота лопаток аппарата 12 составляет 10% от высоты канала на входе. При необходимости подкручивающий аппарат 12 может быть преобразован в раскручивающе-подкручивающий аппарат, расположенный по всей высоте канала. Центральная часть аппарата раскручивает поток, а пристеночная подкручивает, так что в результате закрутки потока на входе в диффузор составляет Фст=0,3-0,35.Behind the impeller of the theater 11 is installed a twisting apparatus 12, which increases the swirl of the flow at the walls. The height of the blades of the apparatus 12 is 10% of the height of the channel at the entrance. If necessary, the twisting apparatus 12 can be converted into a twisting-twisting apparatus located along the entire height of the channel. The central part of the apparatus spins up the flow, and the wall part spins up, so that as a result of the swirling of the flow at the inlet to the diffuser, it is Ф st = 0.3-0.35.

В том случае, если безотрывное течение в диффузоре достигается только лишь за счет профилирования соплового аппарата 10 и рабочего колеса 11 ТВД и закручивающе-раскручивающего воздействия силовых стоек 3, закручивающее устройство 12 и щели 7 с каналом 6 отсутствуют.In the event that an uninterrupted flow in the diffuser is achieved only due to the profiling of the nozzle apparatus 10 and the impeller 11 of the turbine engine and the twisting-unwinding effect of the power struts 3, the twisting device 12 and slots 7 with channel 6 are absent.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Безотрывный режим течения в переходном канале достигается закруткой потока в пристеночных зонах течения, раскруткой потока в центре, перфорацией меридиональных образующих переходного канала, отсосом пограничного слоя.The continuous flow regime in the transition channel is achieved by swirling the flow in the near-wall zones of the flow, by unwinding the flow in the center, by perforating the meridional components of the transition channel, by suction of the boundary layer.

Особенности организации рабочего процесса в современных ГТД таковы, что за турбиной высокого давления имеет место закрутка потока порядка 30-40°. Высокий уровень закрутки у внутренней и наружной стенки (на расстоянии 5% от высоты канала) следует сохранить, а если это необходимо - усилить за счет профилирования ступени и если необходимо - за счет установки закручивающего лопаточного аппарата на входе в переходный канал. Закрутку потока на высотах от 5% от втулочного сечения до 95% от того же сечения следует уменьшить как за счет профилирования ступени, так и за счет раскручивания потока силовыми стойками, конструктивно проходящими через канал. При необходимости, добиться нужной раскрутки потока следует установкой дополнительного раскручивающего лопаточного аппарата на входе в переходный канал. Раскрутка потока в центральной части канала призвана снизить радиальный градиент статического давления и уменьшить интенсивность вторичных течений, утолщающих пограничный слой и уменьшающих его стойкость к отрыву. Величина относительной пристеночной закрутки должна быть по возможности приближена к значению 0,3-0,35.The features of the organization of the working process in modern gas turbine engines are such that behind a high-pressure turbine there is a swirling flow of about 30-40 °. A high level of swirling at the inner and outer walls (at a distance of 5% of the height of the channel) should be maintained, and if necessary, strengthened by profiling the step and, if necessary, by installing a twisting blade device at the entrance to the transition channel. The flow swirl at heights from 5% of the sleeve section to 95% of the same section should be reduced both due to the profiling of the stage, and due to the unwinding of the flow by power struts constructively passing through the channel. If necessary, to achieve the necessary promotion of the flow should be the installation of an additional spinning vane apparatus at the entrance to the transition channel. The promotion of the flow in the central part of the channel is designed to reduce the radial gradient of static pressure and to reduce the intensity of secondary flows, thickening the boundary layer and reducing its resistance to separation. The value of the relative parietal twist should be as close as possible to a value of 0.3-0.35.

Поскольку установка дополнительного лопаточного аппарата связана с появлением потерь в этом аппарате, то его следует устанавливать только в том случае, если уменьшение коэффициента потерь в переходном канале заметно превышает величину потерь в дополнительном закручивающем и раскручивающем устройстве. Как вариант возможна установка дополнительного закручивающего аппарата на втулке и периферии ограниченного высотами от 5% до 10% Н (Фиг.4).Since the installation of an additional blade apparatus is associated with the appearance of losses in this apparatus, it should be installed only if the decrease in the loss coefficient in the transition channel significantly exceeds the amount of losses in the additional twisting and untwisting device. Alternatively, it is possible to install an additional twisting apparatus on the sleeve and periphery limited by heights of 5% to 10% N (Figure 4).

Перфорация меридиональных образующих переходного канала изменяет режим течения в ламинарном подслое на турбулентный. Экстраполяция логарифмического профиля скорости [2] на область ламинарного подслоя до расстояния от твердой стенки, равного 8% толщины ламинарного подслоя, дает для величины скорости значение τ с т ρ 6,5

Figure 00000007
, что всего лишь в 2 раза меньше скорости на границе ламинарного подслоя, в то время как как скорость течения собственно в ламинарном подслое (на этом расстоянии) в 4 раза меньше, а удельная кинетическая энергия в 16 раз меньше.Perforation of the meridional components of the transition channel changes the flow regime in the laminar sublayer to turbulent. Extrapolation of the logarithmic velocity profile [2] to the region of the laminar sublayer to a distance from the solid wall equal to 8% of the thickness of the laminar sublayer gives for the velocity value τ from t ρ 6.5
Figure 00000007
, which is only 2 times less than the velocity at the boundary of the laminar sublayer, while the flow velocity in the laminar sublayer itself (at this distance) is 4 times less, and the specific kinetic energy is 16 times less.

Экстраполяция логарифмического закона распределения скоростей, характерного сугубо для турбулентного режима течения на область ламинарного подслоя, предполагает полную свободу для перемещения турбулентных вихрей. Такая возможность существует при двух условиях: 1) степень перфорации твердой поверхности близка к 100%;The extrapolation of the logarithmic law of velocity distribution, which is characteristic of the purely turbulent flow regime to the region of the laminar sublayer, implies complete freedom for the movement of turbulent vortices. This possibility exists under two conditions: 1) the degree of perforation of a solid surface is close to 100%;

2) турбулентные вихри всех размеров в данном сечении имеют полную свободу для перемещений в поперечном направлении.2) turbulent vortices of all sizes in a given section have complete freedom for movement in the transverse direction.

Реально эти условия недостижимы в полном объеме, но практически можно близко к ним подойти. В результате скорость движения у перфорированной поверхности будет в разы выше скорости движения на том же расстоянии от стенки у сплошной поверхности. При этом плотность расположения элементов перфорации и ее структура должны быть согласованы с максимумом энергетического спектра турбулентных пульсаций в отношении их линейного размера для данного сечения переходного канала.In reality, these conditions are unattainable in full, but you can practically get close to them. As a result, the speed of movement at the perforated surface will be several times higher than the speed of movement at the same distance from the wall at the continuous surface. The density of the perforation elements and its structure should be consistent with the maximum energy spectrum of turbulent pulsations in relation to their linear size for a given section of the transition channel.

Плотность перфорации (отношение площади перфорации к общей площади) следует выдерживать максимально возможной по конструктивным и жесткостным соображениям.The perforation density (the ratio of the perforation area to the total area) should be maintained as high as possible for structural and stiff reasons.

Структура перфорации адаптирована к линейному размеру энергосодержащих вихрей местной турбулентности, определяемому высотой переходного канала и его средним радиусом в данном сечении. В качестве модели структуры перфорации может быть принята следующая модель:The perforation structure is adapted to the linear size of energy-containing vortices of local turbulence, determined by the height of the transition channel and its average radius in this section. The following model can be adopted as a model of the perforation structure:

d=lэ(R, II);d = l e (R, II);

dmin=(0,2-0,5)lэ(R, II);d min = (0.2-0.5) l e (R, II);

dmax=(1,5-2)lэ(R, II);d max = (1.5-2) l e (R, II);

d ¯ = ( 0,6 0,8 )

Figure 00000008
; d ¯ = ( 0.6 - 0.8 )
Figure 00000008
;

d min ¯ = ( 0,2 0,3 )

Figure 00000009
; d min ¯ = ( 0.2 - 0.3 )
Figure 00000009
;

d max ¯ = ( 0,1 0,2 )

Figure 00000010
; d max ¯ = ( 0.1 - 0.2 )
Figure 00000010
;

гдеWhere

dmin - минимальный диаметр перфорации; d=lэ(R, II) - основной диаметр перфорации, равный линейному размеру энергосодержащих вихрей турбулентной структуры; dmax - максимальный диаметр перфорации; d ¯ = S d S

Figure 00000011
- доля основного размера перфорации; Sd - площадь перфорации, выполненная по размеру d=(lэ(R, II); S - общая площадь перфорации; d min ¯ = S d min S
Figure 00000012
- доля минимального размера перфорации; Sdmin - площадь перфорации, выполненная по размеру dmin; d max ¯ = S d max S
Figure 00000013
- доля максимального размера перфорации; Sdmax - площадь перфорации, выполненная по размеру dmax (Фиг.5).d min - the minimum diameter of the perforation; d = l e (R, II) - the main diameter of the perforation equal to the linear size of the energy-containing vortices of the turbulent structure; d max - the maximum diameter of the perforation; d ¯ = S d S
Figure 00000011
- the proportion of the main size of the perforation; S d is the area of perforation made in size d = (l e (R, II); S is the total area of perforation; d min ¯ = S d min S
Figure 00000012
- the proportion of the minimum size of the perforation; S dmin is the perforation area, made in size d min ; d max ¯ = S d max S
Figure 00000013
- the proportion of the maximum perforation size; S dmax is the perforation area, made in size d max (Figure 5).

Размер энергосодержащих вихрей lэ(R, II) определяется расчетным путем в зависимости от принятой модели турбулентности.The size of energy-containing vortices l e (R, II) is determined by calculation, depending on the accepted turbulence model.

В переходных каналах с очень большой степенью расширения (n>2) и очень большим эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора (αэкв>17°) максимально достижимой пристеночной закруткой (Фст≈0,3) и максимально достижимой и должным образом структурированной перфорации ( S ¯ 0,8

Figure 00000014
, где S ¯ = S п е р S
Figure 00000015
, Sпер - общая площадь перфорированной поверхности, S - суммарная площадь меридиональных обводов) может не хватить для организации безотрывного течения по всей длине переходного канала. В этом случае возможный отрыв на последней трети длины диффузора следует предотвратить путем отсоса пограничного слоя через часть перфорации. Удаление отсасываемого газа следует организовать в центральную часть канала через соответствующие отверстия в силовых стоках, которые расположены вблизи входной кромки профиля стенок, т.е. там, где местное статическое давление минимально. Площадь части перфорации 9, работающей на отсос, и площади проходных сечений в стойках 7 должны быть согласованны между собой.In transition channels with a very large degree of expansion (n> 2) and a very large equivalent opening angle of a flat diffuser (α equiv > 17 °), the maximum achievable near-wall twist (Ф ст ≈0.3) and the maximum achievable and properly structured perforation ( S ¯ 0.8
Figure 00000014
where S ¯ = S P e R S
Figure 00000015
, S per - the total area of the perforated surface, S - the total area of the meridional contours) may not be enough to organize a continuous flow along the entire length of the transition channel. In this case, a possible separation in the last third of the length of the diffuser should be prevented by suction of the boundary layer through part of the perforation. The removal of the suction gas should be arranged in the central part of the channel through the corresponding openings in the power drains, which are located near the inlet edge of the wall profile, i.e. where local static pressure is minimal. The area of the part of the perforation 9, working on the suction, and the area of the passage sections in the racks 7 should be consistent with each other.

Полость в силовых стойках имеет щели, расположенные вблизи входной кромки, вертикальная протяженность которых может достигать 0,8 от высоты стоек. Щели расположены симметрично относительно середины канала. Совокупность полостей и каналов, связанная с перфорацией и щелями в силовых стойках, организует отсос пограничного слоя в переходном канале.The cavity in the power racks has slots located near the input edge, the vertical length of which can reach 0.8 of the height of the racks. Slots are located symmetrically relative to the middle of the channel. The set of cavities and channels associated with perforation and slots in the power racks, organizes the suction of the boundary layer in the transition channel.

Организация отсоса пограничного слоя целесообразна только в том случае, если потери смешения при вдуве отсосанного газа на вход в переходный канал меньше величины уменьшения потерь в диффузоре в связи с отсосом.The organization of suction of the boundary layer is advisable only if the loss of mixing when injecting the suction gas at the entrance to the transition channel is less than the reduction in losses in the diffuser due to suction.

Список использованной литературыList of references

1. Гладков Ю.И. Исследование переменной по радиусу входной закрутки потока на эффективность межтурбинных переходных каналов ГТД [Текст]: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.07.05 / Ю.И.Гладков - Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А.Соловьева. - 2009 - 16 с.1. Gladkov Yu.I. Study of the variable along the radius of the input swirl of the flow on the efficiency of the inter-turbine transitional channels of the gas turbine engine [Text]: dissertation abstract for the degree of candidate of technical sciences 05.07.05 / Yu.I. Gladkov - P.A.Soloviev Rybinsk State Aviation Technological Academy. - 2009 - 16 p.

2. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя [Текст] / Г.Шлихтинг. - М.: Наука, 1974. - 724 с.2. Schlichting, G. Theory of the boundary layer [Text] / G. Schlichting. - M .: Nauka, 1974.- 724 p.

Claims (3)

1. Безотрывный кольцевой переходный канал между турбиной высокого давления (ТВД) и турбиной низкого давления (ТНД) со степенью расширения более 1,6 и эквивалентным углом раскрытия плоского диффузора более 12°, содержащий внешнюю стенку и внутреннюю стенку, отличающийся тем, что внешняя и внутренняя стенка перфорированы, а имеющиеся за рабочим колесом турбины высокого давления (ТВД) закрутка преобразована в направлении ее усиления у стенок и ослабления в центре за счет профилирования ступени турбины высокого давления (ТВД) и за счет закручивающего устройства, расположенного за рабочим колесом турбины высокого давления (ТВД) высотой 10% от высоты канала по 5% высоты на внутренней и внешней стенках канала, или за счет подкручивающе-раскручивающего устройства полной высоты.1. An uninterrupted annular transition channel between a high-pressure turbine (HPT) and a low-pressure turbine (LPT) with a degree of expansion of more than 1.6 and an equivalent opening angle of a flat diffuser of more than 12 °, comprising an external wall and an internal wall, characterized in that the external and the inner wall is perforated, and the spin located behind the impeller of the high pressure turbine (HPT) is converted in the direction of its strengthening at the walls and weakening in the center due to the profiling of the high pressure turbine stage (HPT) and due to twisting guide device located behind the impeller of high pressure turbine (HPT) 10% of the height of the channel height of 5% of the height on the inner and outer walls of the channel, or by podkruchivayusche-untwisting device total height. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что преобразованная закрутка ограничена достижением интегрального параметра закрутки до уровня Фст=0,3-0,35.2. The channel according to claim 1, characterized in that the converted twist is limited by the achievement of the integral twist parameter to the level of f article = 0.3-0.35. 3. Канал по п.1, отличающийся тем, что секция перфорации, расположенная на расстоянии 0,6-0,7 длины переходного канала от входного сечения, соединена с полостью в силовых стойках, имеющих щели на 80% высоты стоек симметрично геометрической середины канала, а щели расположены вблизи входной кромки. 3. The channel according to claim 1, characterized in that the perforation section located at a distance of 0.6-0.7 of the length of the transition channel from the inlet section is connected to the cavity in power racks having slots 80% of the height of the racks symmetrically to the geometric middle of the channel , and the slots are located near the input edge.
RU2011118334/06A 2011-05-05 2011-05-05 Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine RU2484264C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011118334/06A RU2484264C2 (en) 2011-05-05 2011-05-05 Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011118334/06A RU2484264C2 (en) 2011-05-05 2011-05-05 Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011118334A RU2011118334A (en) 2012-11-10
RU2484264C2 true RU2484264C2 (en) 2013-06-10

Family

ID=47322118

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011118334/06A RU2484264C2 (en) 2011-05-05 2011-05-05 Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2484264C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729589C1 (en) * 2017-04-26 2020-08-11 Аесс Кемешл Эйркрафт Энджин Ко., Лтд. Nozzle with blade profile tube for gas turbine

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1054791B (en) * 1954-11-11 1959-04-09 Licentia Gmbh Boundary layer suction device for walls flowed by condensable steam
SU141488A1 (en) * 1961-03-20 1961-11-30 конов Р.И. Дь Diffuser
SU1606743A1 (en) * 1988-04-05 1990-11-15 Завод-Втуз При Производственном Объединении Турбостроения "Ленинградский Металлический Завод" Method of and diffuser for converting fluid stream energy
SU1638373A2 (en) * 1989-04-04 1991-03-30 Всесоюзный Проектно-Технологический Институт Энергетического Машиностроения Axial diffuser
US5467591A (en) * 1993-12-30 1995-11-21 Combustion Engineering, Inc. Gas turbine combined cycle system
EP1329595A1 (en) * 2002-01-22 2003-07-23 Snecma Moteurs Diffuser for an aircraft or industrial gas turbine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1054791B (en) * 1954-11-11 1959-04-09 Licentia Gmbh Boundary layer suction device for walls flowed by condensable steam
SU141488A1 (en) * 1961-03-20 1961-11-30 конов Р.И. Дь Diffuser
SU1606743A1 (en) * 1988-04-05 1990-11-15 Завод-Втуз При Производственном Объединении Турбостроения "Ленинградский Металлический Завод" Method of and diffuser for converting fluid stream energy
SU1638373A2 (en) * 1989-04-04 1991-03-30 Всесоюзный Проектно-Технологический Институт Энергетического Машиностроения Axial diffuser
US5467591A (en) * 1993-12-30 1995-11-21 Combustion Engineering, Inc. Gas turbine combined cycle system
EP1329595A1 (en) * 2002-01-22 2003-07-23 Snecma Moteurs Diffuser for an aircraft or industrial gas turbine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729589C1 (en) * 2017-04-26 2020-08-11 Аесс Кемешл Эйркрафт Энджин Ко., Лтд. Nozzle with blade profile tube for gas turbine
US11028708B2 (en) 2017-04-26 2021-06-08 Aecc Commercial Aircraft Engine Co., Ltd. Blade profile tube nozzle for gas turbine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011118334A (en) 2012-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2711204C2 (en) Gas turbine engine airflow straightening assembly and gas turbine engine comprising such unit
US6338609B1 (en) Convex compressor casing
CN102852857B (en) High-load super transonic axial gas compressor aerodynamic design method
CZ170593A3 (en) Axial flow turbine
US8721272B2 (en) Ring diffuser for an axial turbomachine
EP2660424B1 (en) Inter-turbine ducts with variable area ratios
US11732588B2 (en) Profiled structure for an aircraft or turbomachine for an aircraft
US11131205B2 (en) Inter-turbine ducts with flow control mechanisms
EP2554793A2 (en) Inter-turbine ducts with guide vanes of a gas turbine engine
US9631518B2 (en) Exhaust diffuser and method for manufacturing an exhaust diffuser
JP2016538482A (en) Axial fluid machine and method for power extraction
CN101598036A (en) Flow control method in a kind of large expansion angle channel
EP3236012A1 (en) Gas turbine engine transition duct and turbine center frame
RU2484264C2 (en) Continuous transient channel between high-pressure turbine and low-pressure turbine of double-flow aircraft engine
US9631624B2 (en) Exhaust diffuser and method for manufacturing an exhaust diffuser
RU2460905C2 (en) Axial-flow fan or compressor impeller and fan of bypass fanjet incorporating said impeller
Wang et al. Study of shock wave control by suction & blowing on a highly-loaded transonic compressor cascade
Al-Busaidi et al. Review of efficiency and stable operating range enhancements options of centrifugal compressors
Xu et al. Numerical Predication of Swept Blade Aerodynamic Effects
RU215239U1 (en) COMBINED RACK ASSEMBLY OF GTE TURBINE NOZZLE APPARATUS WITH MODIFIED INPUT EDGE OF POWER PROFILE
Zhang et al. Flow control in an aggressive inter-turbine duct using low profile vortex generators
RU219909U1 (en) Turbine nozzle
Kumar et al. Effect of differential tip clearance on the performance of a tandem rotor
Liu et al. Influence of 3D guide vanes on the channel vortices in the runner of a Francis turbine
Zhao et al. Aerodynamic Design and Analysis of a Multistage Vaneless Counter-Rotating Turbine

Legal Events

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

Effective date: 20130506

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140710

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180506