RU2642203C2 - Method and system of aero/hydrodynamic control of newtonian fluid flow in radial turbomachine - Google Patents
Method and system of aero/hydrodynamic control of newtonian fluid flow in radial turbomachine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642203C2 RU2642203C2 RU2015131056A RU2015131056A RU2642203C2 RU 2642203 C2 RU2642203 C2 RU 2642203C2 RU 2015131056 A RU2015131056 A RU 2015131056A RU 2015131056 A RU2015131056 A RU 2015131056A RU 2642203 C2 RU2642203 C2 RU 2642203C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fluid
- vortex generator
- flow
- conformal
- conformal vortex
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
- F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
- F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C23/00—Influencing air flow over aircraft surfaces, not otherwise provided for
- B64C23/06—Influencing air flow over aircraft surfaces, not otherwise provided for by generating vortices
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
- F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
- F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
- F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/684—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps by fluid injection
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
- F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
- F04D29/38—Blades
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/10—Stators
- F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
- F05D2240/121—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the leading edge of a stator vane
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/10—Stators
- F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
- F05D2240/122—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the trailing edge of a stator vane
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/20—Rotors
- F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
- F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/20—Rotors
- F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
- F05D2240/304—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the trailing edge of a rotor blade
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/10—Two-dimensional
- F05D2250/18—Two-dimensional patterned
- F05D2250/183—Two-dimensional patterned zigzag
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
- F15D1/00—Influencing flow of fluids
- F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
- F15D1/06—Influencing flow of fluids in pipes or conduits by influencing the boundary layer
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/04—Air inlet arrangements
- F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
- F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
- F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/10—Drag reduction
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением национальной стадии патентной заявки США №US 2011/0006165 А1, поданной 8 июля 2010, которая является обычной заявкой, выделенной из предварительной заявки США №61/224,481, поданной 10 июля 2009, также поданной как международная заявка PCT/IB 2010/001885 в дату 9 июля 2010.[0001] This application is a partial continuation of the national stage of US patent application No. US 2011/0006165 A1, filed July 8, 2010, which is a regular application isolated from provisional application US No. 61 / 224,481, filed July 10, 2009, also filed as an international application PCT / IB 2010/001885 on July 9, 2010.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
[0002] Настоящее изобретение относится к области обрабатывающих устройств для аэро/гидродинамической обработки потока ньютоновской текучей среды и к способности повышения их энергетической эффективности и/или линии рабочих режимов при использовании новой конструкции динамики текучей среды конформного вихрегенератора (CVG). Это новое применение встроенных или интегрированных конформных вихрегенераторов обычно действует в различных местах и функциях, подобных активным дискам, каскадам аэродинамических поверхностей и управляющим потоком поверхностям в динамических турбинах, таких как подвижные турбинные двигатели, неподвижные турбины для получения энергии, вертолеты, крылья и в других случаях применения потока ньютоновской текучей среды.[0002] The present invention relates to the field of processing devices for aero / hydrodynamic processing of a Newtonian fluid stream and to the ability to increase their energy efficiency and / or line operating modes when using the new design of the fluid dynamics of a conformal vortex generator (CVG). This new application of integrated or integrated conformal vortex generators typically operates in various places and functions, such as active disks, cascades of aerodynamic surfaces and flow control surfaces in dynamic turbines, such as mobile turbine engines, stationary turbines for energy, helicopters, wings and in other cases Newtonian fluid flow applications.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
[0003] Добавочные конформные вихрегенераторы, используемые, например, в вертолетной системе защиты от эрозии (EPS), не могут быть применены и согласованы с малогабаритными сложными и запутанными конструкциями турбин с очень большим радиальным ускорением, составляющим порядка десятков тысяч гравитационных единиц "g", для которых требуются новые по своей природе встроенные или интегрированные конформные вихрегенераторы для решеток профилей с высоким коэффициентом заполнения и выдерживающие тяжелые условия окружающей среды, такие как высокие температуры и входные поверхности с острыми краями. Дополнительные конформные вихрегенераторы приклеивают с использованием адгезива к существующей аэродинамической поверхности или поверхностной конструкции фюзеляжа после стадии изготовления, когда исходную аэродинамическую поверхность или поверхность фюзеляжа согласно проектному замыслу или инженерному анализу не настраивают для улучшенного объединения преимуществ конформного вихрегенератора. С другой стороны, известный встроенный конформный вихрегенератор включен в процесс проектирования и инженерной проработки для новой аэродинамической поверхности или конструкции управляющей потоком текучей среды поверхности, в результате чего может быть обеспечена возможность создания новых комбинаций производительности, характеристик, диапазонов регулирования потока текучей среды, энергетической эффективности и выбора способов изготовления, невозможные с добавочным конформным вихрегенератором.[0003] Additional conformal vortex generators used, for example, in a helicopter erosion protection system (EPS) cannot be used and matched with small complex and intricate turbine designs with very large radial acceleration of the order of tens of thousands of gravitational units "g", which require new inherently built-in or integrated conformal vortex generators for profile gratings with a high duty cycle and withstanding harsh environmental conditions such as high e temperature, and the input surface with sharp edges. Additional conformal vortex generators are bonded using an adhesive to the existing aerodynamic surface or surface structure of the fuselage after the manufacturing stage, when the initial aerodynamic surface or the surface of the fuselage according to the design plan or engineering analysis is not configured to better combine the advantages of the conformal vortex generator. On the other hand, the well-known built-in conformal vortex generator is included in the design and engineering process for a new aerodynamic surface or design of a surface fluid flow control, as a result of which it can be possible to create new combinations of performance, characteristics, ranges of regulation of the fluid flow, energy efficiency and selection of manufacturing methods impossible with an additional conformal vortex generator.
[0004] Газотурбинный двигатель является известным примером сложной турбомашины, в который используется широкий диапазон потока ньютоновской текучей среды, термодинамики, материалов и физических способов применения к реальному устройству, обрабатывающему поток текучей среды. Каждый из последовательных функциональных блоков принимает некоторый входной поток текучей среды, обрабатывает эту текучую среду некоторым способом и затем передает эту текучую среду посредством сопрягающего устройства к следующей ступени двигателя. Исходный воздухозаборник представляет собой первое сопрягающее устройство для ввода текучей среды, и любые выхлопные сопла холодной или горячей секции завершают обработку текучей среды выпуском посредством выходного сопрягающего устройства (устройств) в окружающую атмосферу. Для двигателей турбин, в которых используется известный цикл Брайтона, эффективность оценивается по хорошо известным характеристикам термодинамического цикла отношений пиковой рабочей температуры текучей среды к конечным разностям температур на выходе и КПД потока или потерям энергии в компрессоре, турбине, камере сгорания и входного направляющем аппарате (IGV), газового тракта канализирующего средства и выходного сопла.[0004] A gas turbine engine is a well-known example of a complex turbomachine that uses a wide range of Newtonian fluid flow, thermodynamics, materials, and physical methods of application to a real fluid flow processing device. Each of the successive function blocks receives a certain fluid inlet stream, processes this fluid in some way, and then transfers this fluid through an interface to the next engine stage. The source air inlet is a first mating device for introducing a fluid, and any exhaust nozzles of a cold or hot section complete the processing of the fluid by discharging an output mating device (s) into the surrounding atmosphere. For turbine engines that use the well-known Brighton cycle, efficiency is assessed by the well-known characteristics of the thermodynamic cycle of the ratio of the peak operating temperature of the fluid to the final differences in the outlet temperature and flow efficiency or energy loss in the compressor, turbine, combustion chamber, and inlet guide vane (IGV ), the gas path of the sewer and the outlet nozzle.
[0005] В настоящей заявке описаны потоки текучей среды, которые являются рабочей ньютоновской "текучей средой", обычно атмосферой или другим газом, но множество вариантов реализации конформного вихрегенератора также подходят для жидкости или смешанной фазы, когда необходимо учитывать число Рейнольдса (Re). Известно, что множество аэродинамических поверхностей и конструкций для газовых потоков в турбомашинах и устройствах измеряются, испытываются и визуализируются для удобства, например, в резервуарах для воды с использованием маркирующих материалов и способов наблюдения за поддающимися измерению эффектами потоков текучей среды. В настоящей заявке термин "поток текучей среды" применен к любым ньютоновским газовым и/или жидким фазам, поскольку динамика текучей среды регулируется фактическими условиям потока текучей среды и числами Рейнольдса.[0005] This application describes fluid streams that are Newtonian "working fluid" fluids, typically atmospheres or other gases, but many conformal eddy generator implementations are also suitable for liquids or mixed phases when the Reynolds number (Re) needs to be considered. It is known that many aerodynamic surfaces and structures for gas flows in turbomachines and devices are measured, tested and visualized for convenience, for example, in water tanks using marking materials and methods for observing the measurable effects of fluid flows. In this application, the term "fluid stream" is applied to any Newtonian gas and / or liquid phases, since the dynamics of the fluid is governed by the actual conditions of the fluid flow and Reynolds numbers.
[0006] Конструкции дисков статора и ротора лопаток компрессора и турбины двигателя как матрицы аэродинамических поверхностей в решетке профилей оптимизируются для аэродинамических характеристик, геометрических форм двигателя и массовых потоков. "Холодная секция" компрессора и возможных ступеней обходного вентилятора и воздухопровода работает при немного смягченных условиях среды, поскольку ранние ступени работают ближе к более низким входным температурам текучей среды. Улучшения потока в этих холодных секциях не имеют сложности, связанной с влиянием высокотемпературного газа на прочность материалов, окислением или другими проблемами, для составления общих вращательных, потоковых, аэроупругих, вибрационных, усталостных и связанных с давлением напряжений. Ступени компрессора могут поглощать приблизительно 60% и более от общего количества обеспеченной топливом энергии, которая извлекается ступенями турбины. Повышение эффективности остальной доступной энергии на выходе турбины и импульс выхлопного сопла оказывают большое влияние на доступную выходную полезную работу.[0006] The design of the stator and rotor disks of the compressor blades and the engine turbine as a matrix of aerodynamic surfaces in the profile grid are optimized for aerodynamic characteristics, geometric shapes of the engine and mass flows. The “cold section” of the compressor and the possible stages of the bypass fan and the air duct operate under slightly softened environmental conditions, as the early stages operate closer to lower inlet fluid temperatures. The flow enhancements in these cold sections do not have the complexity associated with the influence of high temperature gas on the strength of materials, oxidation, or other problems to compose common rotational, flow, aeroelastic, vibrational, fatigue, and pressure-related stresses. The compressor stages can absorb approximately 60% or more of the total amount of energy provided by the fuel, which is extracted by the stages of the turbine. Increasing the efficiency of the remaining available energy at the turbine outlet and the pulse of the exhaust nozzle have a great influence on the available output useful work.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
[0007] Ступени турбин низкого давления (LPT): В множестве современных конструкций двигателя с концентрическим валом ступень турбины низкого давления обычно извлекает энергию из массового потока газов, выходящих из "горячей секции" посткамеры сгорания, индуцирующих падение давления, и проводит эту энергию через самый внутренний осевой ведущий вал к обходному вентилятору, нагрузкам вала и/или начальным ступеням компрессора.[0007] Low pressure turbine stages (LPT): In many modern concentric shaft engine designs, the low pressure turbine stage typically extracts energy from the mass flow of gases exiting the “hot section” of the combustion chamber, inducing a pressure drop, and conducts this energy through the most internal axial drive shaft to the bypass fan, shaft loads and / or compressor initial stages.
[0008] При нагружении лопаток и увеличении коэффициентов нагрузки Цвайфеля ступеней турбины низкого давления для изменения коэффициента заполнения каскада, снижении количества лопаток, размера двигателя, его веса и стоимости возникает проблема, связанная с аэродинамикой аэродинамических активно-реактивных поверхностей в решетке турбины. При пониженных числах Рейнольдса, "отклоняющихся" от проектных режимов, роторные и статорные лопатки могут испытывать нежелательные градиенты давления на засасывающей поверхности, которые индуцируют утолщение пограничного слоя (BL), переход к турбулентному потоку текучей среды, отделение потока текучей среды в нижних имеющих импульс частях пограничного слоя, общие области срыва потока текучей среды и потерю энергетической эффективности.[0008] When loading the blades and increasing the load factors of Zweifel steps of the low pressure turbine to change the cascade fill factor, reduce the number of blades, engine size, its weight and cost, a problem arises with the aerodynamics of aerodynamic reactive surfaces in the turbine grill. With low Reynolds numbers “deviating” from design conditions, rotor and stator vanes may experience undesirable pressure gradients on the suction surface, which induce thickening of the boundary layer (BL), transition to a turbulent fluid flow, separation of the fluid flow in the lower impulse parts boundary layer, common areas of disruption of the fluid flow and loss of energy efficiency.
[0009] McQuilling пишет в своей диссертации "Проектирование и оценка подъемной силы лопатки турбины низкого давления", что конструкции лопаток "с повышенной подъемной силой" (и фронтальной нагрузкой) для турбин низкого давления, подобные предложенной им лопатке L2F с улучшенными коэффициентами Цвайфеля по сравнению с общими примерами, подобными известным конструкциям лопаток типа "Pack-B" компании Pratt and Whitney Inc, могут быть построены без использования дополнительных способов модификации потока для противодействия отделению или срыву потока с лопатки при экстремальных значениях рабочего диапазона или "отклонении от проектных режимов".[0009] McQuilling writes in his dissertation, “Designing and Evaluating the Lift Force of a Low Pressure Turbine Blade,” that “high lift” blades (and frontal load) designs for low pressure turbines, similar to his proposed L2F blade with improved Zweifel coefficients compared with common examples similar to the well-known Pratt and Whitney Inc “Pack-B” blade designs, can be constructed without additional flow modification methods to counteract the separation or stall of the blade at extreme values of the operating range or "deviation from design conditions".
[0010] В данном случае, оптимизация фронтальной нагрузки аэродинамической поверхности лопатки обеспечивает возможность распространения восстановления давления засасывающей поверхности на более длинное расстояние хорды, так что нежелательный градиент давления уменьшается с улучшением потока текучей среды и уменьшением отделения имеющей низкую энергию и небольшой импульс нижней части пограничного слоя. В данном случае, основные потоки текучей среды вдоль лопатки, реакции на неустойчивые расположенные выше по течению потока вихревые следы и т.п. могут быть спроектированы с улучшением по сравнению с уровнем техники, но предельное комбинированное улучшение характеристик должно быть оптимизировано исходя из расчетной нагрузки на лопатку, и также с использованием способов улучшения потока для снижения аэродинамического сопротивления и отделения, в частности, при отклонении от проектных режимов в пределах области изменения характеристик.[0010] In this case, optimizing the front load of the aerodynamic surface of the blade allows the pressure recovery of the suction surface to extend over a longer chord distance, so that an undesirable pressure gradient decreases with an improvement in the fluid flow and a decrease in the separation of the lower energy and small momentum of the lower boundary layer . In this case, the main fluid flows along the blade, reactions to unstable upstream vortex traces, etc. can be designed with an improvement over the prior art, but the ultimate combined performance improvement should be optimized based on the design load on the blade, and also using flow improvement methods to reduce aerodynamic drag and separation, in particular when deviating from design conditions within areas of changing characteristics.
[0011] Примеры и эффекты модификации потока текучей среды обобщены и описаны, например, у Rouser в диссертации "Использование углублений для подавления отделения пограничного слоя на лопатке турбины низкого давления" ("Use of Dimples to suppress boundary layer separation on a low pressure turbine blade"), и включают множество типов поверхностных структур и способов, используемых в основном для генерирования вихревых потоков и переноса энергии от слоев потока с более высоким импульсом в нижние слои (ближе к аэродинамической поверхности) для возобновления подачи энергии в самые низкие уровни пограничного слоя и предупреждения нежелательных влияний градиента давления и отделения потока текучей среды от аэродинамической поверхности.[0011] Examples and effects of modifying a fluid flow are summarized and described, for example, by Rouser in the dissertation “Use of Dimples to suppress boundary layer separation on a low pressure turbine blade” "), and include many types of surface structures and methods used mainly to generate vortex flows and transfer energy from the layers of the stream with a higher momentum to the lower layers (closer to the aerodynamic surface) to resume the energy supply to the lowest e levels of the boundary layer and preventing undesirable effects of the pressure gradient and flow of fluid from the airfoil compartment.
[0012] Известные вихревые генераторы (VG), используемые для улучшения потоков аэродинамической поверхности, делятся на определенные категории с различными эффектами и преимуществами. Выступающие устройства, такие как наклонные элементы, наклонные лопасти, бороздки, наклонные вихревые генераторы Уилера и тому подобные устройства создают подходящие вихри, но при этом генерируют дополнительное аэродинамическое сопротивление, не смотря на то, что имеют тенденцию к изменению условий потока пограничного слоя, в частности, к снижению потерь из-за срыва потока и уменьшению аэродинамического сопротивления. Кроме того, эти выступающие устройства отбирают энергию от имеющих большую энергию верхних слоев утолщенного пограничного слоя или невозмущенного потока при пониженных числах Рейнольдса, но затем проходят вверх над более тонким пограничным слоем при повышенных числах Рейнольдса и вызывают высокое индуцированное аэродинамическое сопротивление в этой точке характеристик. Эти устройства характеризуются как имеющие высоты, составляющие значительную часть толщины пограничного слоя, например, в диапазоне 35-100% или больше от максимальной толщины пограничного слоя в традиционном вихревом генераторе.[0012] Known vortex generators (VGs) used to improve aerodynamic surface flows are divided into specific categories with various effects and advantages. Protruding devices such as inclined elements, inclined blades, grooves, wheeler inclined vortex generators and the like create suitable vortices, but at the same time generate additional aerodynamic drag, despite the fact that they tend to change the flow conditions of the boundary layer, in particular , to reduce losses due to stall and a decrease in aerodynamic drag. In addition, these protruding devices take energy from the higher energy upper layers of the thickened boundary layer or undisturbed flow at lower Reynolds numbers, but then pass upward over the thinner boundary layer at higher Reynolds numbers and cause high induced aerodynamic drag at this characteristic point. These devices are characterized as having heights that make up a significant part of the thickness of the boundary layer, for example, in the range of 35-100% or more of the maximum thickness of the boundary layer in a traditional vortex generator.
[0013] Погруженные или углубленные вихревые генераторы и микровихревые генераторы такие как S-образный погруженный канал Уилера или даже выемки глубиной меньше чем глубина пограничного слоя, были широко исследованы и при испытаниях показали генерирование с уменьшенным добавленным аэродинамическим сопротивлением по сравнению с вихревым генератором выступающего типа. Эти устройства имеют изменяющуюся геометрическую форму или высоту ступени или наклонного элемента в направлении вдоль хорды. Вершины S-образных погруженных устройств ориентированы в направлении к приходящему потоку текучей среды и не соответствуют профилю аэродинамической поверхности. Для некоторых микровихревых генераторов, расположенных в нижних уровнях пограничного слоя, сложность серийного применения состоит в необходимости генерировать вихрь с достаточной энергией, и во вращающейся среде, например, на лопатке, такое применение в непосредственной близости ухудшает характеристики.[0013] Submerged or recessed vortex generators and micro-vortex generators such as the Wheeler S-shaped submerged channel or even recesses with a depth shorter than the depth of the boundary layer, have been extensively investigated and in testing showed generation with reduced added aerodynamic drag compared to the protruding vortex generator. These devices have a varying geometric shape or height of the step or inclined element in the direction along the chord. The vertices of the S-shaped submerged devices are oriented towards the incoming fluid stream and do not correspond to the profile of the aerodynamic surface. For some microvortex generators located in the lower levels of the boundary layer, the difficulty of serial application is the need to generate a vortex with sufficient energy, and in a rotating medium, for example, on a blade, such an application in the immediate vicinity worsens performance.
[0014] Углубления обычно представляют собой простое и всенаправленное устройство, такое как описано у Rouser, которое снижает аэродинамическое сопротивление посредством подавления увеличенных пузырей срыва потока (используемое, например, для увеличения дальности полета мячей для гольфа благодаря сниженному аэродинамическому сопротивлению). Однако образованные углублением вихри имеют сложную структуру с менее чем оптимальной интенсивностью или способностью передавать большое количество энергии невозмущенного потока текучей среды в нижний пограничный слой.[0014] The recesses are usually a simple and omnidirectional device, such as described by Rouser, which reduces aerodynamic drag by suppressing increased stall bubbles (used, for example, to increase the range of golf balls due to reduced aerodynamic drag). However, the vortices formed by the recess have a complex structure with less than optimal intensity or the ability to transfer a large amount of energy of an unperturbed fluid flow to the lower boundary layer.
[0015] Углубления для управления пограничным слоем являются сложными, поскольку характеристики чувствительны к геометрической форме и числу Рейнольдса, при которых вихревые режимы являются преобладающими. Традиционный вихревой генератор лопаточного типа имеет дополнительную проблему, состоящую в том, например, что при числах Рейнольдса у реальных лопаток турбины низкого давления такие генераторы становятся очень небольшими и имеют размер порядка нескольких миллиметров, которому соответствуют очень острые, тонкие и непрочные конструкции, которые также подвержены эрозии под действием пролетающих частиц и повреждению окислением под действием горячих отработанных газов. Дополнительные проблемы состоят в механической усталости лопатки из-за концентрации локальных напряжений во время сгибания лопатки и также в опасности, которую представляют эти острые объекты для обслуживающего персонала.[0015] The recesses for controlling the boundary layer are complex because the characteristics are sensitive to the geometric shape and Reynolds number, in which vortex modes are predominant. A traditional vortex-type vortex generator has an additional problem, for example, when the Reynolds numbers of real low-pressure turbine blades, such generators become very small and have a size of the order of several millimeters, which corresponds to very sharp, thin and fragile structures, which are also subject to erosion under the influence of flying particles and damage by oxidation under the influence of hot exhaust gases. Additional problems are the mechanical fatigue of the blade due to the concentration of local stresses during the bending of the blade and also the danger posed by these sharp objects to the operating staff.
[0016] Наклонный входной (например, уилеровский, с направленным вверх наклонным потоком и обращенной назад ступенью) и наклонный выходной (например, S-образный погруженный, с направленным вниз наклонным потоком и обращенной вперед ступенью) традиционные вихревые генераторы также образуют другие вторичные структуры потока и потенциальные ударные волны, такие как поперечный поток или проходящие по размаху лопатки подковообразные вихри, которые отклоняют энергию от строгого направления перемещения вихрей вдоль хорды.[0016] Inclined inlet (eg, Wheeler, upwardly inclined flow and backward-facing step) and oblique outlet (eg, S-shaped submerged, downwardly inclined flow and forward-facing step) conventional swirl generators also form other secondary flow patterns and potential shock waves, such as a transverse flow or sweep-shaped horseshoe-shaped vortices that deflect energy from the strict direction of movement of the vortices along the chord.
[0017] Исследование НАСА показывает, что традиционные вихревые генераторы вырабатывают вихри, которые обычно существуют с перемещением в направлении потока на расстояния, составляющие приблизительно 30 высот традиционного вихревого генератора, в лучшем случае приблизительно до 40 высот традиционного вихревого генератора в заднем направлении вдоль длины хорды и заканчиваются тем, что конвектируют в направлении от аэродинамической поверхности в слои с повышенной энергией.[0017] A NASA study shows that traditional vortex generators produce vortices that typically exist with movement in the direction of flow over distances of approximately 30 heights of the traditional vortex generator, at best up to about 40 heights of the traditional vortex generator in the rear direction along the length of the chord and end up convecting away from the aerodynamic surface into layers with high energy.
[0018] Rouser также описывает другие способы без использования вихревого генератора для управления потоком пограничного слоя, как показанный на фиг. 10 (приписан McCormick), в форме пассивных пористых поверхностных устройств, в которых воздух под давлением подают на поверхность области низкого давления перед отделением через матрицу отверстий или инжекционных прорезей или ступеней. Такие подходы реализуют эффекты, подобные эффекту Коанды, или увеличение подъемной силы другими способами или с использованием закрылка со сдувом пограничного слоя, или другим всасывающим способам, используемым для стабилизации области пограничного слоя. Разумеется, одна из проблем, связанных со струйной инжекцией текучей среды, состоит в уравновешивании импульсов пограничного слоя и сопла для предотвращения струйного "отслаивания" или срыва потока при уменьшении скорости пограничного слоя или изменении числа Рейнольдса потока, причем дополнительно локальный пограничный слой дестабилизируется с формированием подковообразного вихря вокруг передней кромки (LE) столбика струйного потока текучей среды или струи прежде, чем его можно будет приблизить к поверхности лопатки.[0018] Rouser also describes other methods without using a vortex generator to control the boundary layer flow, as shown in FIG. 10 (attributed to McCormick), in the form of passive porous surface devices in which air under pressure is supplied to the surface of a low-pressure region before being separated through a matrix of holes or injection slots or steps. Such approaches realize effects similar to the Coanda effect, or increase the lifting force by other methods or using a flap with blowing of the boundary layer, or other suction methods used to stabilize the region of the boundary layer. Of course, one of the problems associated with jet injection of a fluid is to balance the impulses of the boundary layer and the nozzle to prevent jet “peeling” or stalling of the stream while decreasing the velocity of the boundary layer or changing the Reynolds number of the stream, moreover, the local boundary layer is destabilized with the formation of a horseshoe the vortex around the leading edge (LE) of the column of the jet fluid stream or jet before it can be brought closer to the surface of the blade.
[0019] Описанное в литературе управление гибридным ламинарным потоком (HLFC), примененное в авиалайнере Боинг 787 использует известную пористую всасывающую поверхность для управления пограничным слоем на передней кромке вертикального стабилизатора для улучшения управления срывом потока (вместо традиционных вихревых генераторов), например, при одном работающем двигателе, с использованием всасывания воздуха из пассивного источника. Использование пористой всасывающей поверхность, содержащей отверстия/ячейки, сталкивается с проблемой закупорки входов мусором, вязкими потерями энергии, потреблением энергии для индуцирования всасывания, наряду с компромиссом в отношении прочности композитной конструкции.[0019] The hybrid laminar flow control (HLFC) described in the Boeing 787 airliner uses a well-known porous suction surface to control the boundary layer at the leading edge of the vertical stabilizer to improve flow stall control (instead of traditional swirl generators), for example, with one running engine using air intake from a passive source. The use of a porous suction surface containing openings / cells faces the problem of clogging the entrances with debris, viscous energy losses, energy consumption to induce suction, along with a compromise regarding the strength of the composite structure.
[0020] Stephens в патенте США №2,800,291, Wheeler в патентах США №№4,455,045 и 5,058,837, Rinker в патенте США №7,900,871 и многие другие описывают варианты дополнительных наклонных вихревых генераторов или подобных дискретных форм, которые начинаются с тонкого (не нулевого) входного края и затем проходят назад в потоке текучей среды в форме наклонного элемента с вершиной, имеющей увеличенную высоту над нижележащей аэродинамической поверхностью. Геометрически или морфологически эти устройства не являются конформными для нижележащей аэродинамической поверхности в любой интерпретации. Как описано у Stephens '291, наплывы или эквивалентные конструкции вихревого генератора, подобные описанным у Rinker '871, не могут действовать в качестве снижающего аэродинамическое сопротивление средства при низком угле атаки (АоА) аэродинамической поверхности или поверхности фюзеляжа. В настоящей заявке термин "низкий угол атаки" определен как включенный диапазон положительных, нулевого и отрицательных углов атаки, ниже которых отсутствуют значительные отделения потока текучей среды (например, срывы) или пузыри отделения на аэродинамической поверхности или поверхности фюзеляжа, расположенной выше по течению потока любых обычных конечных отделений выходного потока, например, выходного потока текучей среды, или на задней кромке, где соблюдаются условия Кутта-Жуковского. Для большей части аэродинамических поверхностей диапазон углов атаки, составляющий +/-4°, мог бы отвечать этому условию, но не ограничивается указанными пределами, и в некоторых случаях может быть использован увеличенный диапазон, приближенный к углу атаки срыва. Schenk в патенте США №4,354,648 описывает матрицы выступающих низкопрофильных турбулизирующих пограничный слой устройств для генерирования турбулентности в пограничном слое и уменьшения отделения потока от аэродинамической поверхности на крыле. У Schenk '648 входная высота устройства не является нулевой, и сами устройства не являются полностью конформными в отношении к аэродинамической поверхности, так что они индуцируют аэродинамическое сопротивление в результате образования подковообразных вихрей и турбулентности даже при том, что в указанном патенте предложены вихревые генераторы, имеющие уменьшенные размеры по сравнению с размерами известных вихревых генераторов.[0020] Stephens in US patent No. 2,800,291, Wheeler in US patent No. 4,455,045 and 5,058,837, Rinker in US patent No. 7,900,871 and many others describe options for additional inclined vortex generators or similar discrete forms that start from a thin (non-zero) input edge and then pass back into the fluid stream in the form of an inclined element with an apex having an increased height above the underlying aerodynamic surface. Geometrically or morphologically, these devices are not conformal to the underlying aerodynamic surface in any interpretation. As described in Stephens '291, swells or equivalent vortex generator designs such as those described in Rinker' 871 cannot act as a drag reducing agent at a low angle of attack (AOA) of the aerodynamic surface or the fuselage surface. In this application, the term "low angle of attack" is defined as the included range of positive, zero and negative angles of attack, below which there are no significant separation of the fluid flow (for example, stalls) or separation bubbles on the aerodynamic surface or the surface of the fuselage located upstream of any conventional end compartments of the outlet stream, for example, the outlet stream of the fluid, or at the trailing edge, where the Kutta-Zhukovsky conditions are met. For most aerodynamic surfaces, the range of angles of attack of +/- 4 ° could meet this condition, but is not limited to the indicated limits, and in some cases, an increased range close to the angle of attack of the stall can be used. Schenk, in US Pat. No. 4,354,648, describes arrays of protruding low-profile boundary layer turbulence devices for generating turbulence in the boundary layer and reducing the separation of the flow from the aerodynamic surface of the wing. For Schenk '648, the input height of the device is not zero, and the devices themselves are not completely conformal to the aerodynamic surface, so that they induce aerodynamic drag as a result of horseshoe-shaped vortices and turbulence, even though vortex generators having reduced sizes compared to the dimensions of known vortex generators.
[0021] Имеющая небольшой размер, прерывистая или имеющая точечную зону действия и ненаправленная турбулентность не является эффективным способом реэнергизации пограничного слоя.[0021] Having a small size, discontinuous or having a point-like zone of action and undirected turbulence is not an effective way of reenergizing the boundary layer.
[0022] Vijgen и др. в патенте США №5,088,665 описывают модификацию в задней кромке (ТЕ) аэродинамической поверхности с добавлением после задней кромки зазубренной панели или матрицы треугольных/зубчатых элементов для "улучшения подъемной силы и характеристики аэродинамического сопротивления". Добавление дополнительных активных аэродинамических элементов, проходящих наружу за пределы физической протяженности исходной основанной аэродинамической поверхности, представляет собой значительное отличие от добавления конформных вихрегенераторов к аэродинамической поверхности перед задней кромкой и внутри исходной физической протяженности или границы аэродинамической поверхности. Fritz в патенте США №8,083,488 также описывает дополнительную панель с зазубренностями в задней кромке, которая отличается от Vijgen '665 и является патентоспособной. Shibata в патенте №6,830,436 описывает и заявляет лопатку ветрогенератора с "зубчатостью" или зазубренностями, добавленными в задней кромке, для уменьшения шума и увеличения эффективности путем изменения задней вихревой дорожки Кармана. Gliebe в патенте США №6,733,240 также описывает и заявляет зазубренное расположение задней кромки на лопатке турбовентилятора для улучшения смешивания потока и уменьшения шума и использует тот же самый аэродинамический эффект и получает те же самые результаты, как и описанные Young в патенте США №3,153,319 и Balzer в патенте США №6,612,106. Gliebe '240 не описывает уменьшение аэродинамического сопротивления ниже исходной конструкции, которая нарушает линейную заднюю кромку и явно отличается от конформных вихрегенераторов, которые просто добавляются к аэродинамической поверхности перед задней кромкой для уменьшения аэродинамического сопротивления по сравнению с исходной конфигурацией, и другие усовершенствования.[0022] Vijgen et al. In US Pat. No. 5,088,665 describe a modification in the trailing edge (TE) of an aerodynamic surface with the addition of a serrated panel or matrix of triangular / gear elements to "improve the lift and drag characteristics". The addition of additional active aerodynamic elements extending outward beyond the physical extent of the original based aerodynamic surface is a significant difference from the addition of conformal vortex generators to the aerodynamic surface in front of the trailing edge and inside the original physical length or boundary of the aerodynamic surface. Fritz in US patent No. 8,083,488 also describes an additional panel with serrations in the trailing edge, which is different from Vijgen '665 and is patentable. Shibata in Patent No. 6,830,436 describes and claims a wind turbine blade with “serrations” or serrations added to the trailing edge to reduce noise and increase efficiency by changing the back pocket vortex track. Gliebe in US Pat. No. 6,733,240 also describes and claims a serrated trailing edge on a turbofan blade to improve flow mixing and reduce noise, and uses the same aerodynamic effect and obtains the same results as Young described in US Pat. No. 3,153,319 and Balzer in U.S. Patent No. 6,612,106. Gliebe '240 does not describe a decrease in aerodynamic drag below the original design, which violates the linear trailing edge and is clearly different from conformal vortex generators, which are simply added to the aerodynamic surface in front of the trailing edge to reduce aerodynamic drag compared to the original configuration, and other improvements.
[0023] Godsk в патенте США №7,914,259 описывает использование нескольких рядов известных дискретных вихревых генераторов, расположенных вдоль лопаток ветрогенератора, для расширения исходного досрывного угла атаки от примерно +10° до примерно +16° с добавленными вихревыми генераторами, как показано на фиг. 3 в чертежах к его патенту. Godsk '259 на своем фиг. 4 показывает известную проблему с дискретными наклонными и вихревыми генераторами, встроенными в лопатки, которые действуют при низких углах атаки и до примерно +10° исходного угол атаки срыва, причем оборудованная вихревым генератором лопатка имеет более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления (Cd), чем исходная немодифицированная лопатка.[0023] Godsk in US Pat. No. 7,914,259 describes the use of several rows of well-known discrete vortex generators located along the blades of a wind generator to expand the initial subsurface angle of attack from about + 10 ° to about + 16 ° with added vortex generators, as shown in FIG. 3 in the drawings to his patent. Godsk '259 in its FIG. 4 shows a known problem with discrete inclined and vortex generators embedded in the blades that operate at low angles of attack and up to about + 10 ° the initial angle of attack of the stall, and the blade equipped with a vortex generator has a higher drag coefficient (C d ) than the original unmodified shoulder blade.
[0024] Wormian в патенте США №5,069,402 описывает использование известных увеличенных вихревых генераторов лопаточного типа для генерирования вихрей, которые затем распространяются вдоль отклоняющей поток поверхности, подобно отгибу вверх хвостовой секции С-130, для предотвращения или уменьшения отделения потока (подобного срыву) от поверхностей, которые фактически имеют высокий угол атаки, или отход от линий потока текучей среды, которые обычно создают ниже по ходу потока увеличенные завихрения и высокое индуцированное аэродинамическое сопротивление. Лопаточные вихревые генераторы, описанные в Wormian '402, во время работы сами развивают значительное зависящее от формы аэродинамическое сопротивление, но снижают гораздо большую часть аэродинамического сопротивления отделения ниже по ходу потока, так что обеспечивают общий положительный баланс снижения аэродинамического сопротивления, но в то же время фактически эти вихревые генераторы индуцируют аэродинамическое сопротивление и могут проявлять себя только как средство для относительного уменьшения лобового сопротивления в сценарии изменения другого существенного отделенного или срывного потока.[0024] Wormian, in US Pat. which actually have a high angle of attack, or a departure from the fluid flow lines, which usually create downstream turbulence and high induced aerodynamic drag occurrence. The paddle vortex generators described in Wormian '402, during operation, themselves develop a significant shape-dependent aerodynamic drag, but reduce a much larger part of the aerodynamic drag of the compartment downstream, so that they provide an overall positive balance for reducing aerodynamic drag, but at the same time in fact, these vortex generators induce aerodynamic drag and can only manifest themselves as a means to relative drag reduction in the scenario Changes another substantially separated or shear flow.
[0025] Наклонные и лопаточные вихревые генераторы имеют тенденцию к генерированию неустойчивых вихрей, проходящих в верхние уровни пограничного слоя, которые не ограничены приповерхностной областью аэродинамической поверхности. Углубления и выпуклости создают вихри, которые не являются высокоэффективными или высокоэнергетичными, и выпуклости имеют ту же самую проблему, как и лопаточные вихревые генераторы, состоящую в индуцировании избыточного аэродинамического сопротивления в верхних уровнях пограничного слоя при изменении чисел Рейнольдса и утоньшении пограничного слоя.[0025] Inclined and blade vortex generators tend to generate unstable vortices passing into the upper levels of the boundary layer, which are not limited to the near-surface region of the aerodynamic surface. Depressions and bulges create vortices that are not highly efficient or high-energy, and bulges have the same problem as scapular vortex generators, which consists in inducing excessive aerodynamic drag in the upper levels of the boundary layer when the Reynolds numbers change and the boundary layer is thinner.
[0026] Martin, McVeigh и др. в статье "Пассивное управление сжимаемого динамического срыва" в журнале AIAA пишет со ссылкой на его фиг. 27, что уменьшенные вихревые лопаточные генераторы, используемые на вертолетных роторных лопастях, увеличивают Cd лопасти от примерно 0,01 до примерно 0,015, что значительно увеличивает требование к роторной мощности примерно до 50% с одновременным уменьшением моментов динамического срыва и тангажа лопасти благодаря вихревым генераторам, увеличивающим угол атаки срыва лопасти. McVeigh в патенте США №7,748,958 заявляет эту конструкцию вихревого генератора и способ уменьшения момента динамического срыва/тангажа лопатки, но не может заявить добавление абсолютного уменьшения аэродинамического сопротивления на основании опубликованных результатов измерений и фактов, известных в физике потока.[0026] Martin, McVeigh, et al. In the article "Passive Control of Compressible Dynamic Stall" in the AIAA journal writes with reference to its FIG. 27 that the reduced vortex vane generators used on helicopter rotor blades increase the C d blades from about 0.01 to about 0.015, which significantly increases the requirement for rotor power by about 50% while reducing the moments of dynamic stall and pitch of the blades due to the vortex generators increasing the angle of attack of the stall. McVeigh in US patent No. 7,748,958 claims this design of a vortex generator and a method for reducing the moment of dynamic stall / pitch of a blade, but cannot declare the addition of an absolute decrease in aerodynamic drag based on published measurement results and facts known in flow physics.
[0027] Volino в отчете о научно-исследовательской работе НАСА "Синтетические струи вихрегенераторов, используемые для управления отделением на аэродинамических поверхностях турбин низкого давления", описывает активное управление отделением с использованием синтетических струй для вихрегенератора (VGJs), в котором вихри создаются пульсирующими наклонными струйными потоками, вводимыми в пограничный слой, в котором индуцируются частично вихревые потоки, направленные вдоль хорды и облегчающие способом, подобным традиционным вихревым генераторам, сокращение пузырей срыва потока. Подход Volino является уникальным в том, что предложенная конструкция создает импульсные струйные режимы потока без чистого потока акустической генерации для устранения необходимости в постоянном источнике энергизации потоков текучей среды воздуходувной машины, что увеличивает стоимость генерации энергии. Взаимодействие текучей среды из сопла с верхним потоком пограничного слоя и имеющими большой импульс слоями генерирует завихрение, но также вызывает аэродинамическое сопротивление в своей тенденции к одновременному распространению энергии, широко распределенной по размаху, в следующие области пограничного слоя.[0027] Volino, in NASA's Synthetic Vortex Generator Jets used to control the compartment on the aerodynamic surfaces of low pressure turbines research report, describes the active compartment management using synthetic vortex generator jets (VGJs) in which vortices are generated by pulsating oblique jet jets flows introduced into the boundary layer, in which vortex flows are partially induced, directed along the chord and facilitating in a manner similar to traditional vortex generators It is, reducing bubbles stalling. The Volino approach is unique in that the proposed design creates pulsed jet flow regimes without a clean acoustic generation flow to eliminate the need for a constant source of energy to energize the fluid flow of the blower machine, which increases the cost of energy generation. The interaction of the fluid from the nozzle with the upper flow of the boundary layer and the layers having a large momentum generates a turbulence, but also causes aerodynamic drag in its tendency to simultaneously spread energy, widely distributed over the span, to the following regions of the boundary layer.
[0028] Однако все известные устройства, предназначенные для улучшения потоков вдоль аэродинамической поверхности или лопаток турбин низкого давления и уменьшения отделения, сталкиваются с проблемой, состоящей в том, что реальная вращающаяся среда создает дополнительные сложные условия, при которых могут генерироваться вихри в верхних уровнях пограничных слоев и конвектировать наружу в направлении по размаху аэродинамической поверхности. Это происходит вследствие того, что центростремительная сила имеет тенденцию к вращению вихрей, слабо связанных с поверхностью, в направлении наружу (радиально к концу лопатки) после прохождения физически заданной точки генерации в более высокие уровни потока текучей среды пограничного слоя, поскольку отсутствует существенная сила, прижимающая указанные вихри ближе к лопатке при их ускорении вдоль криволинейного пути, а также, дополнительно, по той причине, что вихри имеют тенденцию перемещаться ниже по ходу потока, они могут конвектировать к вершине пограничного слоя, могут пересекать любые расположенные по размаху лопатки вторичные потоки и также интенсивно вырываться наружу.[0028] However, all known devices designed to improve flows along the aerodynamic surface or blades of low pressure turbines and reduce separation, face the problem that the real rotating medium creates additional difficult conditions under which vortices can be generated in the upper levels of the boundary layers and convect outward in the direction of the sweep of the aerodynamic surface. This is due to the fact that the centripetal force tends to rotate the vortices loosely coupled to the surface outward (radially toward the end of the blade) after passing the physically specified generation point to higher levels of the fluid flow of the boundary layer, since there is no significant pressure these vortices are closer to the blade when they are accelerated along a curved path, and also, additionally, because the vortices tend to move lower along the flow, they can convection Vat to the top of the boundary layer, may cross any disposed spanwise blade secondary flows and also rapidly escape to the outside.
[0029] В этом случае предпочтительная тенденция вихрей, направленных вдоль хорды, сгенерированных ранее на хорде для реэнергизации пограничного слоя и уменьшения срыва потока и аэродинамического сопротивления, фактически становится нежелательной, как показано Мартином и др., и вихри прецессируют чтобы действовать частично под углом к невозмущенному потоку (ось вихря больше ориентирована в направлении по размаху) хаотическим способом, в результате чего возникает тенденция к утолщению следующего пограничного слоя и увеличению аэродинамического сопротивления без всякого воздействия на отделение. Этот эффект ясно продемонстрирован на вертолетных роторных лопатках, работающих при ускорении приблизительно 1200 g (гравитационных единиц) на концах лопастей, что значительно ниже чем в среде решетки турбины низкого давления. Известные вихрегенераторы, возбуждающие или конвектирующие вихри выше пограничного слоя, в общем являются нежелательными для использования во вращающейся среде, как показано Martin и др.[0029] In this case, the preferred tendency of the vortices directed along the chord generated earlier on the chord to energize the boundary layer and reduce flow stall and aerodynamic drag actually becomes undesirable, as shown by Martin et al., And the vortices precess to act partially at an angle to undisturbed flow (the axis of the vortex is more oriented in the direction of the sweep) in a chaotic manner, resulting in a tendency to thicken the next boundary layer and increase aerodynamics eskogo resistance without any impact on the department. This effect has been clearly demonstrated on helicopter rotor blades operating at an acceleration of approximately 1200 g (gravitational units) at the ends of the blades, which is significantly lower than in the lattice environment of a low-pressure turbine. Known vortex generators that excite or convect vortices above the boundary layer are generally undesirable for use in a rotating medium, as shown by Martin et al.
[0030] Обращенные назад ступени, расположенные поперечно к невозмущенному потоку, как известно, генерируют захваченные вихри и, следовательно, вызывают потери текучей среды и возмущения потока, как описано Calvert и Wong в статье "Аэродинамические влияния антиэрозионных покрытий вертолетных лопаток" в журнале AIAA. Они описывают, что проходящие по размаху вихри на простой обращенной назад ступени (т.е. под углом 90° к потоку текучей среды), такой как выполненная на полосе для защиты от эрозии (EPS) передней кромки вертолетной лопасти UH-60, как известно, увеличивают аэродинамическое сопротивление лопатки примерно до +5% или больше в зависимости от рабочих режимов лопатки.[0030] Backward steps transverse to the undisturbed flow are known to generate trapped vortices and therefore cause fluid loss and flow disturbances, as described by Calvert and Wong in the article “Aerodynamic Effects of Helicopter Blade Anti-Erosion Covers” in AIAA. They describe that swirling swirls in a simple backward-facing step (i.e., at an angle of 90 ° to the fluid flow), such as that made on the erosion protection strip (EPS) of the leading edge of the UH-60 helicopter blade, as is known increase the aerodynamic drag of the blade to approximately + 5% or more, depending on the operating conditions of the blade.
[0031] В случае UH-60, для обращенной назад ступени, например, высотой ~0,5 мм и длиной 5 м можно предполагать захваченную расположенную по размаху струю образованного ступенью вихря с аспектным отношением приблизительно 10000, и в ситуации гидрогазодинамики эта очень тонкая структура вихревой струи является динамически неустойчивой. В части передней кромки вращающейся аэродинамической поверхности, подобной, например, вертолетной лопасти, действуют множество механизмов, которые интенсивно расстраивают потоки текучей среды уровня пограничного слоя. Проходящие вдоль размаха лопасти (или в общем радиально) вторичные потоки над пограничным слоем имеют тенденцию активировать наружные сдвиговые силы, которые действуют на нижние обладающие импульсом слои пограничного слоя, так что они протекают под углом к хорде аэродинамической поверхности и, следовательно, под углом к ступени системы для защиты от эрозии. Такая конфигурация потоков обеспечивает основательную причину распада образованного ступенью вихря наряду с центростремительным ускорением на вязкостно присоединенных слоях пограничного слоя, сохраняющих след перемещения аэродинамической поверхности, что может вынудить секции образованного ступенью вихря непрерывно теряться в секциях вихря, который может прецессировать с наклоном к размаху лопасти и возмущать и утолщать следующий пограничный слой на аэродинамической поверхности, а также увеличивать потери аэродинамического сопротивления, как выяснилось. В передней кромке выше по течению потока областей ламинарного течения развиваются акустические волны давления Толлмина-Шлихтинга (TS), усиливаются, распространяются назад и способствуют переходу к турбулентности пограничного слоя и шпилькообразным вихревым потокам, причем эти возмущения также влияют на устойчивость образованного ступенью вихря и частоты сбрасывания. Неожиданный результат заключается в том, что можно использовать обращенное назад расположение ступени для уменьшения аэродинамического сопротивления, снижения потерь энергии и повышения эффективности потока текучей среды поверх исходной или немодифицированной поверхности потока текучей среды.[0031] In the case of UH-60, for a backward-facing step, for example, ~ 0.5 mm high and 5 m long, one can assume a trapped, sweeping stream formed by a step vortex with an aspect ratio of approximately 10,000, and in the case of hydrodynamics this is a very fine structure vortex jet is dynamically unstable. In the part of the leading edge of a rotating aerodynamic surface, such as, for example, a helicopter blade, there are many mechanisms that intensively upset the fluid flows at the level of the boundary layer. Secondary flows passing along the span of the blade (or generally radially) above the boundary layer tend to activate external shear forces that act on the lower momentum layers of the boundary layer, so that they flow at an angle to the chord of the aerodynamic surface and, therefore, at an angle to the step erosion protection systems. This flow configuration provides the fundamental reason for the decay of the vortex formed by the step along with centripetal acceleration on the viscously attached layers of the boundary layer, which preserve the trail of the aerodynamic surface, which can cause sections of the vortex formed by the step to be continuously lost in the vortex sections, which can precess with an inclination to the blade span and disturb and thicken the next boundary layer on the aerodynamic surface, as well as increase the loss of aerodynamic sop rotation, as it turned out. Acoustic Tollmien-Schlichting (TS) pressure waves develop in the leading edge upstream of the flow of laminar flow regions, amplify, propagate backward and contribute to the transition to boundary layer turbulence and hairpin-like vortex flows, and these disturbances also affect the stability of the vortex formed by the step and the discharge frequency . The unexpected result is that you can use the backward-facing step arrangement to reduce aerodynamic drag, reduce energy loss and increase the efficiency of the fluid flow over the original or unmodified surface of the fluid flow.
[0032] Stephens '291, Wheeler '045 и '837, Rinker '871, Vijgen '665 и т.п., и все другие известные источники обычно показывают вихрегенераторы, в целом, имеющие треугольные формы с очевидным визуальным подобием, но аэродинамическое исследование показывает, что их форма и влияния явно отличаются от новых конформных вихрегенераторов согласно настоящему изобретению.[0032] Stephens' 291, Wheeler '045 and' 837, Rinker '871, Vijgen' 665 and the like, and all other known sources usually show vortex generators, generally having triangular shapes with obvious visual similarity, but aerodynamic research shows that their shape and effects are clearly different from the new conformal vortex generators according to the present invention.
[0033] Ступени турбины высокого давления (НРТ): При повышении входной температуры турбины (TIT) (температуры текучей среды из камер сгорания), в результате чего могут быть построены улучшенные, облегченные двигатели и оптимизирован удельный расход топлива (SFC), достигается точка, в которой ни один высоколегированный сплав на основе никеля не может непосредственно выдерживать температуру горячих газов, и возникает потребность в других способах эффективного охлаждения и поддерживания формы и прочности компонентов двигателя под действием нагрузок. В типичных конструкциях используют отбор охлаждающего воздуха из компрессора для охлаждения камеры сгорания, статоров и роторы турбин высокого давления и поверхностей воздуховодов до точки, в которой температура потока уменьшена до безопасных значений, и также может быть использована, например, керамическое теплоизолирующее покрытие (ТВС) для минимизации затрат энергии на охлаждение. Теплоизолирующее покрытие уменьшает требования к охлаждению и затраты энергии, связанные с ним, поскольку поверхностное тепловое сопротивление увеличивается, но остающийся тепловой поток должен быть удален, так что основные металлические компоненты остаются достаточно холодными и не достигают температуры размягчения или разрушения их кристаллической структуры.[0033] High pressure turbine stages (HPT): As the turbine inlet temperature (TIT) rises (the temperature of the fluid from the combustion chambers), resulting in improved, lightweight engines and optimized specific fuel consumption (SFC), a point is reached, in which no high-alloy nickel-based alloy can directly withstand the temperature of hot gases, and there is a need for other methods of efficient cooling and maintaining the shape and strength of engine components under the influence of heat zok. Typical designs use the extraction of cooling air from a compressor to cool the combustion chamber, stators and rotors of high-pressure turbines and duct surfaces to a point where the flow temperature is reduced to safe values, and a ceramic heat-insulating coating (FA) can also be used, for example minimize energy costs for cooling. The heat-insulating coating reduces the cooling requirements and energy costs associated with it, since the surface thermal resistance increases, but the remaining heat flux must be removed so that the main metal components remain sufficiently cold and do not reach the softening or destruction temperature of their crystalline structure.
[0034] Охлаждение турбины высокого давления: Известно, что на поверхностях воздуховода горячей секции и лопатках (роторных и статорных) происходит интенсивное смешивание или турбулизация более высоких и более горячих потоков газа с нижним пограничным слое, что вызывает увеличенную нагрузку теплового потока на поверхности компонентов, подверженных действию потоков горячего газа, и, следовательно, эти компоненты нуждаются в повышенном охлаждении. Таким образом, нежелательное отделение потока текучей среды и турбулентность приводят к проблемам, из-за которых снижается эффективность (повышается аэродинамическое сопротивление) и ухудшается теплостойкость.[0034] High pressure turbine cooling: It is known that on the surfaces of the duct of the hot section and the blades (rotor and stator) intensive mixing or turbulization of higher and hotter gas flows with the lower boundary layer occurs, which causes an increased heat flow load on the surface of the components, exposed to the flow of hot gas, and therefore, these components need increased cooling. Thus, unwanted separation of the fluid stream and turbulence lead to problems that reduce efficiency (increase aerodynamic drag) and deteriorate heat resistance.
[0035] Примеры известных решений указанных проблем можно найти у Howald в патенте США №3,527,543, где описано пленочное охлаждение поверхности с использованием отверстий в лопатке для передачи внутреннего охлаждающего воздуха на поверхность лопатки. У Bird и др. в патенте США №5,193,975 описана лопатка турбины с внутренними охлаждающими каналами, штифтовым охлаждением и выбросом охлаждающего воздуха сквозь прорези в задней кромке. Выбрасывающие прорези с прямоугольными краями обычно являются нежелательными, так как повышают аэродинамическое сопротивление тем, что формируют нежелательный вихрь, проходящий под прямым углом к потоку, если скорости основных потоков и охлаждающего потока не будут согласованы, и разделяющий поток край прорези не имеет сужения для получения острого (очень тонкого) края. Zelesky в патенте США №5,378,108 описывает последовательность прорезей в задней кромке, модифицированных с возможностью оптимального распределения охлаждающих потоков вдоль задней кромки и тонкую заднюю кромку, толщина которой определена только толщиной стенки всасывающей поверхности, для минимизации аэродинамического сопротивления. Green в патенте США №5,374,162 описывает охлаждение с использованием фонтанной головки в передней кромке лопатки, которое является эффективным для изменения углов входного потока. Lee и др. в патенте США №7,011,502 описывают мостовое изготовленное литьем устройство в передней кромке со штифтовыми решетками и охлаждающими выходными прорезями, но выходные прорези все еще создают проблему с линейным краем, связанную с нежелательным распространением вдоль размаха вихрем, если сливающиеся потоки текучей среды не согласованы и края не являются острыми.[0035] Examples of known solutions to these problems can be found in Howald in US Pat. No. 3,527,543, which describes film cooling of a surface using holes in a blade to transfer internal cooling air to the surface of the blade. In Bird et al., US Pat. No. 5,193,975 describes a turbine blade with internal cooling channels, pin cooling and the discharge of cooling air through slots in the trailing edge. Ejecting slots with rectangular edges are usually undesirable, since they increase aerodynamic drag by forming an undesirable vortex passing at right angles to the flow, if the speeds of the main flows and the cooling flow are not matched, and the flow-separating edge of the slot has no narrowing to obtain a sharp (very thin) edges. Zelesky in US Pat. No. 5,378,108 describes a series of slots in the trailing edge, modified to optimally distribute cooling flows along the trailing edge, and a thin trailing edge, the thickness of which is determined only by the wall thickness of the suction surface, to minimize aerodynamic drag. Green in US Pat. No. 5,374,162 describes cooling using a fountain head at the leading edge of the blade, which is effective for changing the angles of the inlet stream. Lee et al. In US Pat. No. 7,011,502 describe a bridge-molded device at the leading edge with pin grids and cooling outlet slots, but the outlet slots still pose a linear edge problem associated with unwanted swirl propagation along the span if fluid flows are not merging aligned and the edges are not sharp.
[0036] Shih и Na в статье "Увеличение адиабатической эффективности пленочного охлаждения путем использования расположенного выше по ходу потока наклонного элемента" ("Increasing adiabatic film-cooling effectiveness by using an upstream ramp"), опубликованной в журнале ASME, описывают почти трехкратное улучшение адиабатической эффективности пленочного охлаждения путем использования наклонного элемента перед выходным отверстием охлаждающего сопла вместо вихревых генераторов, встроенных внутри сопел или вблизи сопловых отверстий. В данном случае, проходящий вдоль размаха (поперек невозмущенного потока) вихрь, захваченный позади наклонного элемента, модифицирует выброшенный соплом поток охлаждающей текучей среды путем дестабилизации нежелательного ведущего подковообразного образованного соплом вихря таким образом, что распространяет охлаждающую массу вдоль размаха потока и перед выходным отверстием сопла для улучшения охлаждения в боковом направлении или по размаху. Эта конфигурация с наклонным соплом показывает примерно трехкратное повышение эффективности адиабатического охлаждения благодаря наклонному элементу, но выступающая наклонная конструкция, как указано выше, является нежелательной в этой форме, или аэродинамическое сопротивление давления увеличивается поверх плоской исходная конструкции. Наклонный элемент, проходящий в слои горячего газа, также требует дополнительной массы теплоизолирующего покрытия, как указывают авторы.[0036] Shih and Na, in an article entitled “Increasing adiabatic film-cooling efficiency by using an upstream ramp”, published in ASME, describe an almost three-fold improvement in adiabatic the effectiveness of film cooling by using an inclined element in front of the outlet of the cooling nozzle instead of vortex generators embedded inside the nozzles or near the nozzle holes. In this case, a whirlwind passing along a span (across an unperturbed flow), trapped behind an inclined element, modifies the flow of cooling fluid ejected by the nozzle by destabilizing the undesired leading horseshoe-shaped vortex formed by the nozzle in such a way that it spreads the cooling mass along the span of the flow and in front of the nozzle exit for improved lateral or wide cooling. This inclined nozzle configuration shows about a three-fold increase in adiabatic cooling efficiency due to the inclined element, but the protruding inclined structure, as indicated above, is undesirable in this form, or the aerodynamic pressure resistance increases over the flat initial structure. The inclined element passing into the layers of hot gas also requires an additional mass of heat insulating coating, as the authors indicate.
[0037] Так что предложенная Shih и Na идея наклонного элемента и ступени с захваченными по размаху вихрями, способствующими распространению охлаждающей текучей среды, за улучшение охлаждения платит нежелательными потерями эффективности за счет повышения аэродинамического сопротивления потоку текучей среды и вязкостными потерями. Было выполнено моделирование наклонного элемента для генерации только проходящих по размаху вихрей без любых вихрей, направленных вдоль хорды, на краях наклонного элемента, подобного вихревому генератору Уилера. Heidmann, по сообщению НАСА в статье "Численное исследование пленочных охлаждающих структур на основе пары "вихрь-антивихрь" (anti-vortex) с высокой степенью раздува" ("A Numerical Study of Anti-Vortex Film Cooling Designs at High Blowing Ratio") описывает пару "вихрь-антивихрь", образованную имеющими уменьшенный размер расположенными выше по течению потока соплами, которая минимизирует нежелательные почковидные вихри основного потока охлаждающего сопла. Этот способ представляет собой попытку распространения вдоль размаха адиабатического охлаждения и предотвращения струйного отслаивания, при котором струйный поток отделяется от поверхности, но не раскрыт как комбинация, уменьшающая потери из-за аэродинамического сопротивления аэродинамической поверхности или повышающая эффективность снижения аэродинамического сопротивления турбины.[0037] So, the idea of the inclined element and stage proposed by Shih and Na with swirling swirls promoting the spread of the cooling fluid pays for the improvement of cooling with undesirable loss of efficiency due to increased aerodynamic resistance to the fluid flow and viscosity loss. The inclined element was simulated to generate only swirling vortices without any vortices directed along the chord at the edges of the inclined element, similar to the Wheeler vortex generator. Heidmann, according to NASA, in an article "A Numerical Study of Anti-Vortex Film Cooling Designs at High Blowing Ratio" describes a numerical study of film cooling structures based on a high-blow-up vortex (anti-vortex) pair. a vortex-antivortex pair formed by nozzles having a reduced size located upstream of the stream, which minimizes unwanted kidney-like vortices of the main stream of the cooling nozzle. This method is an attempt to propagate along the span of adiabatic cooling and prevent jet peeling, in which the jet stream is separated from the surface, but not disclosed as a combination that reduces losses due to aerodynamic drag of the aerodynamic surface or increases the efficiency of reducing the aerodynamic drag of the turbine.
[0038] Турбулизаторы также могут быть выполнены в форме треугольников, наклонных элементов, шевронов и т.п., расположенных в путях потоков охлаждающей текучей среды в трубопроводах и внутренних змеевидных охлаждающих каналах охлаждаемых роторных и статорных лопаток и поверхностей, обтекаемых потоком горячего газа в турбинах высокого давления (НРТ). В этом случае геометрическая форма потока, в отличие от конформных вихрегенераторов, сформирована для обеспечения максимальной турбулентности потока для перемешивания нагретых текучих сред приповерхностного пограничного слоя с охлаждающими основными потоками текучей среды для максимизации теплопередачу или теплопроводности и повышения эффективности охлаждения независимо от индуцированного аэродинамического сопротивления. В данном случае сформированные в поверхности генерирующие вихрь ступени или шевроны и индуцирующие турбулентность конструкции выполнены аэродинамически вплотную друг к другу, так что охлаждающая текучая среда не реорганизуется в плавные гладкие потоки в результате распада завихренностей. Ясно, что такой подход не обеспечивает низкое лобовое сопротивление при манипулировании потоками текучей среды, и отделение пограничного слоя турбулентного течения фактически увеличивается с улучшением теплопередачи рабочей текучей среды, так что эти известные конструкции явно отличаются от конформных вихрегенераторов.[0038] The turbulators can also be made in the form of triangles, inclined elements, chevrons, etc. located in the flow paths of the cooling fluid in pipelines and internal serpentine cooling channels of the cooled rotor and stator vanes and surfaces streamlined by the flow of hot gas in the turbines high pressure (НРТ). In this case, the geometric shape of the flow, in contrast to conformal vortex generators, is formed to provide maximum flow turbulence for mixing heated fluids of the surface boundary layer with the main cooling fluid flows to maximize heat transfer or thermal conductivity and increase cooling efficiency regardless of the induced aerodynamic drag. In this case, vortex-generating steps or chevrons and turbulence-inducing structures formed in the surface are aerodynamically close to each other, so that the cooling fluid does not reorganize into smooth smooth flows as a result of the decay of the vortices. It is clear that this approach does not provide low drag when handling fluid flows, and the separation of the boundary layer of turbulent flow actually increases with improved heat transfer of the working fluid, so that these known designs are clearly different from conformal eddy generators.
[0039] Теплоизолирующие характеристики турбины высокого давления: Terry в патенте США №2,757,105 и Haskell в патенте США №5,260,099 описаны покрытия для лопаток двигателя, и Driver в патенте США №4,303,693 описывает плазменноструйный способ изготовления покрытий. Kojima и др. в патенте США №5,630,314 описывают "плиточное" или колоночное теплоизолирующее покрытие (ТВС) для лопаток турбин, и Nissley и др. в патенте США №5,705,231 описывают способ изготовления керамического покрытия путем плазменного напыления предварительно измельченного или сегментированного керамического материала, который позволяет создать теплоизолирующее покрытие, имеющее высокие износостойкость и сопротивление растрескиванию при температурах газовой турбины. У Nissley и в известных источниках также описан способ промежуточной диффузии или поверхностного соединительного слоя (например, из сплава MCrAlY, алюминида, алюмооксида, и т.п.) для улучшения керамической адгезии, улучшения согласования коэффициентов теплового расширения, создания пластичного переходного слоя и обеспечения усовершенствованной защиты от термического окисления основного слоя, например, из никелевых жаропрочных сплавов, обычно используемых в компонентах, выдерживающих высокую механическую и тепловую нагрузку.[0039] Thermal insulation characteristics of a high pressure turbine: Terry in US Pat. No. 2,757,105 and Haskell in US Pat. No. 5,260,099 describe coatings for engine blades, and Driver in US Pat. No. 4,303,693 describes a plasma jet coating method. Kojima et al. In US Pat. No. 5,630,314 describe a “tile” or column heat insulating coating (FA) for turbine blades, and Nissley et al. In US Pat. No. 5,705,231 describe a method of manufacturing a ceramic coating by plasma spraying a pre-ground or segmented ceramic material that allows you to create a heat-insulating coating having high wear resistance and resistance to cracking at temperatures of the gas turbine. Nissley and well-known sources also describe an intermediate diffusion method or surface bonding layer (for example, of MCrAlY alloy, aluminide, alumina, etc.) to improve ceramic adhesion, improve the matching of thermal expansion coefficients, create a plastic transition layer and provide an improved protection against thermal oxidation of the base layer, for example, from nickel heat-resistant alloys commonly used in components withstanding high mechanical and thermal loads.
[0040] Spengler и др. в патенте США №4,576,874 описывают применение одного или большего количества керамических слоев теплоизолирующего покрытия к лопатке турбины для повышения износостойкости и, в частности, применение керамики при высоких температурах, приближенных к температурам эксплуатационных режимов, в результате чего при циклическом повторении перехода к более холодному состоянию керамика под действием растягивающих нагрузок в меньшей степени подвержена растрескиванию и раскалыванию. Strangman в патенте США №6,224,963 описывает лазерную сегментацию теплоизолирующего покрытия для смягчения проблем раскалывания при истирании или механическом повреждении секции покрытия. Таким образом, важной проблемой использования теплоизолирующего покрытия в ступенях турбины является сопротивление механическому повреждению, раскалыванию и наилучшего согласования несоизмеримых коэффициентов теплового расширения для обеспечения наилучшего сопротивления тепловым и инерциальным нагрузкам, а также и химическим коррозионным воздействиям.[0040] Spengler et al. In US Pat. No. 4,576,874 describe the application of one or more ceramic layers of a heat insulating coating to a turbine blade to increase wear resistance and, in particular, the use of ceramics at high temperatures close to operating temperatures, resulting in cyclic repetition of the transition to a colder state, ceramics under the action of tensile loads are less prone to cracking and cracking. Strangman, in U.S. Patent No. 6,224,963, describes laser segmentation of a heat insulating coating to mitigate cracking problems due to abrasion or mechanical damage to a coating section. Thus, an important problem of using a heat-insulating coating in the steps of a turbine is the resistance to mechanical damage, cracking and the best coordination of incommensurable coefficients of thermal expansion to ensure the best resistance to thermal and inertial loads, as well as chemical corrosion effects.
[0041] Характеристики компрессора: эффективность компрессора является важной характеристикой его работы, и присущее управление пограничным слоем, которое может задерживать отделение потока текучей среды и, таким образом, обеспечивать возможность работы статорных и роторных лопаток ближе к неуправляемым условиям отделения и, таким образом, достигать более высокого коэффициента диффузности, увеличенного угла поворота и повышенной нагрузки на лопасть, в результате чего может быть достигнута возможность применения повышенного давления на каждую ступень. Кроме того, с компрессором может быть связана проблема, состоящая в том, что срыв потока, который распространяется между множеством ступеней (пар дисков статора/ротора) может привести к полному разрушению структуры потока текучей среды, помпажу/потере мощности и в экстремальных случаях к повреждению оборудования.[0041] Compressor characteristics: compressor efficiency is an important characteristic of its operation, and the inherent control of the boundary layer, which can delay the separation of the fluid flow and, thus, enable the stator and rotor blades to work closer to uncontrolled separation conditions and, thus, achieve higher diffusivity, increased rotation angle and increased load on the blade, as a result of which the possibility of applying increased pressure on every step. In addition, there may be a problem with the compressor, namely, that a stall of the flow that propagates between many stages (pairs of stator / rotor disks) can lead to complete destruction of the fluid flow structure, surge / loss of power and, in extreme cases, to damage equipment.
[0042] Для уменьшения срывов потока могут быть использованы сопла для потока текучей среды, расположенные на засасывающей аэродинамической поверхности. Роторные и статорные лопатки компрессора являются намного более тонкими и менее изогнуты, чем, например, аэродинамические поверхности ступеней турбины, так что добавление внутренних поточных каналов для обеспечения возможности отбора потока текучей среды для сопел является затруднительным для изготовления, но в целом большая часть центрального материала лопатки сконцентрирована вблизи к нейтральной оси напряжений, так что некоторая часть материала может быть удалена без значительного ухудшения инерционных свойств секции или ее прочности. Разумеется, уменьшенные проточные тракты более восприимчивы к засорению, и остается еще одна проблема, связанная с тем, что сопла могут индуцировать подковообразные вихри, которые могут вызвать отслаивание, если ими не управлять. В реактивных двигателях малой мощности часто используются компрессоры центробежного типа, расположенные в ступенях высокого давления перед камерами сгорания.[0042] In order to reduce flow stalls, fluid nozzles located on a suction aerodynamic surface can be used. The rotor and stator blades of the compressor are much thinner and less curved than, for example, the aerodynamic surfaces of the turbine stages, so the addition of internal flow channels to enable the selection of the fluid flow for the nozzles is difficult to manufacture, but in general most of the central material of the blade concentrated near the neutral axis of stresses, so that some of the material can be removed without significant deterioration of the inertial properties of the section or its Nost. Of course, reduced flow paths are more susceptible to clogging, and another problem remains that the nozzles can induce horseshoe-shaped vortices that can cause delamination if they are not controlled. In low-power jet engines, centrifugal compressors are often used, located in high pressure stages in front of the combustion chambers.
[0043] Ступень вентилятора: Лопатки ротора вентилятора или диски исполнительно-приводного механизма обычно изготавливают из высокопрочного титана или стеклопластика (FRP), поскольку снабженные лопатками конструкции для потока текучей среды обычно преобразуют вращающий момент ступеней турбины низкого давления в тягу для холодной секции, которая обходит сердечник двигателя для увеличения тяги горячей секции с высоким коэффициентом усиления тяги, составляющим, например, 5-10:1. Стеклопластиковые лопатки, изготовленные, например, из углеродного волокна и эпоксидной смолы или других смол (и даже металлические лопатки), являются восприимчивыми к эрозии передней кромки от дождя, града, песка или других засасываемых небольших инородных повреждающих объектов (FOD) и даже переносимого по воздуху вулканического пепла, и являются высокопрофилированными в трехмерном пространстве (3D) для улучшения аэродинамических характеристик и ламинарных течений. Например, в вентиляторе из композитных материалов для двигателя GE90 диаметром 123 дюйма/3,1 м, в котором используются лопатки с заглубленной в переднюю кромку и связанной с ней полосой из обработанного машинным способом титана, имеющей сложную объемную форму, для обеспечения защиты от эрозии и способности принимать и выдерживать воздействие инородных повреждающих объектов, таких как, например, птицы.[0043] Fan stage: The fan rotor blades or actuator-drive disks are usually made of high-strength titanium or fiberglass (FRP), since the bladed structures for the fluid flow usually convert the torque of the low-pressure turbine stages to draft for the cold section, which bypasses an engine core for increasing traction of a hot section with a high traction gain of, for example, 5-10: 1. Fiberglass blades made, for example, of carbon fiber and epoxy resin or other resins (and even metal blades), are susceptible to erosion of the leading edge from rain, hail, sand or other absorbed small foreign damaging objects (FOD) and even carried by air volcanic ash, and are highly profiled in three-dimensional space (3D) to improve aerodynamic performance and laminar flows. For example, in a fan made of composite materials for a GE90 engine with a diameter of 123 inches / 3.1 m, which uses blades with a machined titanium having a complex volumetric shape buried in the leading edge and connected to it to provide protection against erosion and the ability to accept and withstand the effects of foreign damaging objects, such as, for example, birds.
[0044] Сопрягающее устройство между полосами системы для защиты от эрозии в передней кромке и задней композитной конструкцией представляет собой точку, неизбежно содержащую небольшие зазоры, которые могут расширяться под действием вибрации или индуцированного напряжением краевого разрушения клеевого соединения или эрозией и затем создавать возможность возникновения нежелательных проходящих по размаху вихрей. Предпочтительно встроенная вровень полоса передней кромки обеспечивает минимальную защиту от эрозии для окрашенной поверхности непосредственно позади перехода, который впоследствии, во время эксплуатации, может отогнуться и дестабилизировать воздушные потоки и вызывать дополнительное аэродинамическое сопротивление и потери энергии.[0044] The mating device between the strips of the erosion protection system at the leading edge and the rear composite structure is a point that inevitably contains small gaps that can expand due to vibration or stress induced edge destruction of the adhesive joint or erosion and then create the possibility of undesired passing by the swirl scale. Preferably, the flush front edge strip provides minimal erosion protection for the painted surface immediately behind the transition, which subsequently, during use, can bend and destabilize airflows and cause additional aerodynamic drag and energy loss.
[0045] Все устройства с зазубренной аэродинамической поверхностью или задней кромкой корпуса, подобные, например, описанным у Gliebe '240, или у Stephens '291 в параграфе 13, также вводят точки концентрации механического напряжения на напряженной и обязательно самой тонкой задней кромке аэродинамической аэроупругой поверхности, которая в результате может стать местами усталостного инициирования и распространения трещин.[0045] All devices with a serrated aerodynamic surface or trailing edge of the body, such as those described for Gliebe '240, or Stephens' 291 in
[0046] Шум и разрушение крупных вихрей (LEBU): смешивание потоков холодного/горячего воздуховодов: У Young '319 описаны множество типов зубчатых и подобных объемных устройств для увеличения смешивания потока, разрушения завихрений потока и, следовательно, уменьшения градиентов скорости потока, а также механизмы возникновения шума в потоках горячих выходящих газов реактивного двигателя. У Balzer' 106 описаны шевронные расширения выхлопного сопла, улучшающие перемешивание потока выходящих газов для уменьшения шума двигателя. В гондоле двигателя самолета Боинг 787 используется описанные у Balzer '106 элементы зубчатого типа для уменьшения шума двигателя, но результирующие потоки действуют не в пограничном слое, прижатом к аэродинамической поверхности корпуса, а на границе невозмущенного потока между потоком холодной текучей среды и потоком горячей текучей среды, так что эти вихри используются при смешивании потока только для уменьшения излученных шумов из акустических спектров. Такая конфигурация, как сообщают, снижает шум, но увеличивает аэродинамическое сопротивление, что является ожидаемым для вихрей, которые не улучшают реламинаризацию потока пограничного слоя, но просто индуцируют вихревой импульс потока текучей среды и вызывают потери.[0046] Noise and Large Vortex Destruction (LEBU): Mixing Cold / Hot Air Duct Flows: Young '319 describes many types of gear and similar volumetric devices for increasing flow mixing, breaking flow vortices, and therefore reducing flow velocity gradients, as well as mechanisms of noise in the jet exhaust hot gases. Balzer '106 describes chevron exhaust nozzle extensions that improve mixing of the exhaust gas flow to reduce engine noise. In the engine nacelle of a Boeing 787, the gear elements described in Balzer '106 are used to reduce engine noise, but the resulting flows do not act in the boundary layer pressed against the aerodynamic surface of the body, but on the boundary of the unperturbed flow between the cold fluid flow and the hot fluid flow so that these vortices are used in mixing the flow only to reduce the emitted noise from the acoustic spectra. Such a configuration is reported to reduce noise, but increase aerodynamic drag, which is expected for vortices that do not improve the relaminarization of the boundary layer flow, but simply induce a vortex momentum of the fluid flow and cause losses.
[0047] Каналы потока в сердечнике двигателя: Lutjen и др. описывают в заявке на патент США №2011/0300342 металлическую подложку, которая может быть профилирована для формирования матрицы выемок или глухих отверстий, окруженных поднятыми вертикальными частями (стенками), которые затем дополнительно модифицируют механической чеканкой/деформацией для формирования нависающих выступов, которые предназначены последующего механического замыкания, удерживания и стабилизации известного имеющего верхний слой керамического теплоизолирующего покрытия. Эта конструкция проистекает из известных способов "укладки плиток" из керамики в небольшие секции для захвата и удерживания растрескавшихся секций теплоизолирующего покрытия, так что раскалывание и утеря теплоизолирующего покрытия минимизированы.[0047] Flow channels in the engine core: Lutjen et al. Describe in US patent application No. 2011/0300342 a metal substrate that can be profiled to form a matrix of recesses or blind holes surrounded by raised vertical parts (walls), which then further modify mechanical embossing / deformation for the formation of overhanging protrusions, which are intended for subsequent mechanical closure, retention and stabilization of the known having a top layer of ceramic insulating coating. This design stems from known methods for “laying ceramic tiles” in small sections to capture and hold cracked sections of the heat insulating coating, so that splintering and loss of heat insulating coating is minimized.
[0048] У Lutjen '342 описано, что в его устройстве нижняя плоская часть 50 углубления специально выполнена под прямым углом к боковой стенке 54 выступа. Эта конструкция имеет тот недостаток, что указанное соединение под прямым углом (т.е. имеющее небольшой радиус скругления или перехода) нагруженных и вибрирующих механических секций формирует концентратор напряжения, который способствует уменьшению усталостного ресурса и формирует точку для начала потенциального растрескивания материала. Расположенные выше и различные сформированные боковые стенки с увеличенными радиусами углубления обеспечивают возможность значительного увеличения добавленного локального момента инерции и формируют более прочное несущее нагрузку балочное расширение нагруженной поверхности, которое также поддерживает эту поверхность и способствует минимизации режимов вибрации и сгибания или отклонения. Разумеется, увеличенные поверхности управления потоком, которые изгибаются простыми или сложными способами, будут сопротивляться приложенным силам давления и инерциальным нагрузкам, а также оказывать сопротивление аэроупругим воздействиям, но наличие боковых стенок выступа способствует улучшению структурной эффективности (общей прочности во всех измерениях в отношении к полной массе), которая является пригодным для использования и от которой отказывается Lutjen. Напряжение сгибания, индуцированное вибрацией, нежелательно для надежного крепления "плитки" теплоизолирующего покрытия.[0048] For Lutjen '342, it is described that in its arrangement, the lower
[0049] Кроме того, как описывает Lutjen, сформированные удерживающие элементы 28 и 28' выступов обычно находятся в самой тонкой точке в конечном профилированном гладком теплоизолирующем покрытии (как показано на фиг. 5 и 6 у Lutjen) и, таким образом, несут наибольшие тепловые нагрузки, переданные сверху сквозь теплоизолирующее покрытие от горячих газов. В данном случае, как описано у Lutjen, по существу прямые боковые стенки 54 углубления не обеспечивают минимального теплового сопротивления охлаждающей текучей среде или газу под ними, в отличие от основания стенки в углублении с увеличенным радиусом, и, таким образом, не являются оптимальной теплопередающей конфигурацией для поддерживания металлических областей выступа (вершины стенки) при самых высоких температурных напряжениях, при самой низкой возможной температуре, при которой металл имеет максимальную прочность и минимальное искривление/максимальное сопротивление ползучести. У Lutjen '342 описано, что защитное теплоизолирующее покрытие применяется в основном к статическим канализирующим поверхностям, но имеется возможность применения указанного теплоизолирующего покрытия к другим элементам, требующим защитного теплоизолирующего покрытия, но Lutjen описывает только тепловые преимущества, и не описывает абсолютные свойства уменьшения аэродинамического сопротивления поверхности или профиля.[0049] Furthermore, as Lutjen describes, the formed
[0050] Wennerstrom в патенте США №4,076,454 описывает добавление лопаточных вихревых генераторов на входной воздухопровод в осевом компрессоре. Он не описывает и не может заявить снижение канализирующего аэродинамического сопротивления как особенность, а вихревые генераторы заявлены как способствующие поддерживанию неотделенных потоков текучей среды на расположенных ниже по ходу потока лопатках без какого-либо преимущества снижения лобового сопротивления в воздухопроводе или диффузорах. Модификация потока из статического роторного входного воздухопровода описана как наличие вихрей, непрямым способом улучшающих характеристику срыва ниже по ходу потока вращающихся лопаток компрессора.[0050] Wennerstrom in US Pat. No. 4,076,454 describes the addition of blade vortex generators to an inlet duct in an axial compressor. He does not describe and cannot declare a reduction in canalizing aerodynamic drag as a feature, and vortex generators are declared to help maintain unseparated fluid flows on blades located downstream without any advantage of reducing drag in an air duct or diffusers. Modification of the flow from a static rotary inlet air duct is described as the presence of vortices, which indirectly improve the stall characteristic downstream of the compressor rotor blades.
[0051] Гондола и крепежный пилон: Вход рабочей текучей среды, т.е. газов в современный турбовентиляторный двигатель, подобный например, CFM-56, установленный на авиалайнере Боинг 737-600, закрыт окружающей гондолой, и большая часть гондол действует в качестве исходного внутреннего отклоняющего воздуховода или диффузора для замедления приходящего потока текучей среды таким образом, чтобы вентиляторная секция первой ступени и ступени компрессора могли работать без того, чтобы концы лопастей каскада становились сверхзвуковыми и генерировали сверхзвуковые или ударные волны Маха с высокими потерями. При высоком угле атаки крыла/гондолы некоторая часть исходного внутреннего отклоняющегося потока текучей среды гондолы может отделяться от внутренних стенок гондолы, что является нежелательным состоянием, или некоторое количество используемого управления потоком диффузора должно быть ограничено для предотвращения этого состояния, или активное всасывающее управление должно быть добавлено к внутренней поверхности воздуховода для сдерживания срывов потока перед лопатками вентилятора. Воздух холодной секции, выходящий из секции вентилятора, переходит в сочетание расходящихся затем сходящихся воздуховодов на внутренних и наружных поверхностях воздуховода, так что может быть подвержен действию факторов потока, таких как вихри Тейлора-Гёртлера (TG) на вогнутых секциях. Пересечение вихревых следов другого летательного аппарата также может вызывать проблемы с прилипанием неустойчивого потока и помпажем и т.п., по всему двигателю.[0051] Gondola and mounting pylon: Inlet of a working fluid, i. E. gases into a modern turbofan engine, such as the CFM-56, mounted on a Boeing 737-600 airliner, is closed by a surrounding nacelle, and most of the nacelles act as the original internal deflecting duct or diffuser to slow the incoming fluid flow so that the fan section the first stage and the compressor stage could work without the ends of the cascade vanes becoming supersonic and generating high-loss supersonic or Mach shock waves. At a high angle of attack of the wing / nacelle, some of the initial internal deviating nacelle fluid flow may be separated from the inner walls of the nacelle, which is an undesirable condition, or some of the diffuser flow control used must be limited to prevent this condition, or an active suction control must be added to the inner surface of the duct to contain flow stalls in front of the fan blades. The air of the cold section, leaving the fan section, goes into a combination of diverging then converging ducts on the inner and outer surfaces of the duct, so that it can be exposed to flow factors such as Taylor-Goertler (TG) vortices on the concave sections. The intersection of the vortex traces of another aircraft can also cause problems with the sticking of an unstable flow and surging, etc., throughout the engine.
[0052] В современных гондолах двигателей авиалайнеров Боинг 737-600, Аэробус 319 и С-17 используются большеразмерные лопаточные или лопастные вихревые генераторы, расположенные в позиции приблизительно на 2 часа и/или 10 часов по циферблату позади наружной входной передней кромки гондолы для того, чтобы наружные потоки текучей среды вокруг верхних поверхностей гондолы с высоким углом атаки прилипали к поверхности и протекали должным образом позади крепежных пилонов, а также под остальной частью крала и поверх крыла, как требуется для минимальных дестабилизации потока и потерь из-за турбулентности. В полете с крейсерской скоростью эти вихревые генераторы имеют минимальный угол атаки, поскольку вихри не требуются, так что они встречают минимизированное профильное сопротивление, но всегда вызывают дополнительное аэродинамическое сопротивление формы и влажной поверхности обшивки. В общем и целом эта конфигурация не является конфигурацией с минимальным аэродинамическим сопротивлением для генерирования вихрей для улучшения взаимодействия потоков гондолы/пилона/крыла/фюзеляжа.[0052] In modern engine nacelles of Boeing 737-600, Airbus 319 and C-17 airliners, large-sized vane or vane vortex generators are used located at a position of approximately 2 hours and / or 10 hours on the dial behind the outer front leading edge of the nacelle in order to so that the external fluid flows around the upper surfaces of the nacelle with a high angle of attack adhere to the surface and flow properly behind the mounting pylons, as well as under the rest of the wing and on top of the wing, as required for minimum destabilization of flow and losses due to turbulence. In flight at cruising speed, these vortex generators have a minimum angle of attack, since vortices are not required, so that they meet minimized profile drag, but always cause additional aerodynamic drag of the shape and wet surface of the skin. In general, this configuration is not a configuration with minimal aerodynamic drag to generate vortices to improve the interaction of the gondola / pylon / wing / fuselage flows.
[0053] Пилоны, соединяющие гондолу с двигателем, представляют собой другую область проблем сопрягающего устройства потока и аэродинамического сопротивления из-за контакта и побочных эффектов, требующих, чтобы обтекатель управлял потерями потока текучей среды и аэродинамическим сопротивлением. Это относится ко всем присоединенным наружным аэродинамическим телам и устройствам, например, крыльям или фюзеляжу, таким как подвешенные на пилоне топливные баки, топливные баки, установленные в концевых обтекателях крыльев или другие переходные устройства или конструкции, такие как штыревые антенны в форме лопасти всенаправленного ОВЧ-радиомаяка, на которых тангаж и рыскание летательного аппарата, а также вихри вторичных потоков могут вызвать нежелательные подъемные силы, срыв потока, динамические неустойчивости и взаимодействия потока и аэродинамическое сопротивление. Эти проблемы также присутствуют в гидродинамических примерах, таких как подводное крыло с присоединенными стойками или тягами, и т.п.[0053] The pylons connecting the nacelle to the engine represent another area of problems for the flow coupler and aerodynamic drag due to contact and side effects requiring the fairing to control fluid loss and aerodynamic drag. This applies to all attached external aerodynamic bodies and devices, for example, wings or fuselage, such as fuel tanks suspended on a pylon, fuel tanks mounted in wing end fairings or other transition devices or structures, such as VHF omnidirectional whip antennas a beacon in which the pitch and yaw of the aircraft, as well as the vortices of the secondary flows, can cause undesirable lifting forces, stall, dynamic instabilities and interactions current and wind resistance. These problems are also present in hydrodynamic examples, such as a hydrofoil with attached struts or rods, etc.
[0054] Leon в патенте США №5,156,362 описывает сдвигающийся вихревой генератор лопастного типа для управления срывом потока гондолы двигателя. Верхний край лопасти является конформным по отношению к гондоле и струйному потоку, когда вихревой генератор находится во втянутом положении. В активном положении поверхность лопатки вихревого генератора находится под углом к потоку и не является конформной к поверхности гондолы, т.е., в крейсерском полете она индуцирует аэродинамическое сопротивление, вот почему используется сдвигающаяся и механически сложная особенность. Высота этого лопастного вихревого генератора составляет большое количество толщин пограничного слоя и собирает максимальную энергию невозмущенного потока текучей среды выше пограничного слоя для индуцирования устойчивых вихревых эффектов в выпущенном положении.[0054] Leon, in US Pat. No. 5,156,362, describes a paddle-type displacement vortex generator for controlling the stall of an engine nacelle flow. The upper edge of the blade is conformal to the nacelle and the jet stream when the vortex generator is in the retracted position. In the active position, the surface of the vortex generator blade is at an angle to the flow and is not conformal to the surface of the nacelle, i.e., in cruise flight it induces aerodynamic drag, which is why a shifting and mechanically complex feature is used. The height of this blade vortex generator is a large number of thicknesses of the boundary layer and collects the maximum energy of the unperturbed fluid flow above the boundary layer to induce stable vortex effects in the released position.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
[0055] Задача настоящего изобретения состоит в повышении энергетической эффективности и производительности турбин, устройств и способов, с использованием которых вводят поток ньютоновской текучей среды, обрабатывают его с использованием конформного вихрегенератора на основании технологии изменения потока текучей среды и, затем, выпускают этот поток текучей среды. Обработка означает добавление или извлечение энергии или работы из этого потока ньютоновской текучей среды, и/или отклонение и модификация скоростей, давлений и/или импульса потока текучей среды. Задача вариантов реализации настоящего изобретения состоит в создании нового экологически чистого встроенного конформного вихрегенератора и уменьшении использования энергии и сопутствующей эмиссии углекислого газа. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационной энергетической эффективности и/или расширения проектного диапазона регулирования потока текучей среды.[0055] An object of the present invention is to increase the energy efficiency and productivity of turbines, devices and methods by which a Newtonian fluid stream is introduced, processed using a conformal vortex generator based on a technology for changing a fluid stream, and then this fluid stream is released . Processing means adding or extracting energy or work from this Newtonian fluid stream, and / or deviating and modifying the velocities, pressures and / or momentum of the fluid stream. The task of the implementation options of the present invention is to create a new environmentally friendly built-in conformal vortex generator and reduce energy use and the associated emission of carbon dioxide. The technical result is to improve operational energy efficiency and / or expand the design range of regulation of the fluid flow.
[0056] В отличие от уровня техники, в новом встроенном конформном вихрегенераторе использована эффективная схема традиционного вихревого генератора во вращающейся среде решетки, которая понижает аэродинамическое сопротивление, в частности, при низких значениях угла атаки. Эффекты встроенного конформного вихрегенератора могут быть улучшены на аэродинамических поверхностях или лопатках для пассивного индуцирования дополнительной энергии потока текучей среды пограничного слоя поверх увеличенной аэродинамической поверхности задней части засасывающей поверхности для дополнительного задерживания отделения путем использования потока текучей среды, собранного с нагнетающей поверхности, или других источников текучей среды вдоль путей управления потоком, который затем направляют к засасывающей поверхности для улучшения характеристик срыва или отделения потока текучей среды.[0056] In contrast to the state of the art, the new integrated conformal vortex generator uses an efficient circuit of a traditional vortex generator in a rotating lattice environment, which lowers aerodynamic drag, in particular, at low angles of attack. The effects of the integrated conformal vortex generator can be improved on aerodynamic surfaces or vanes to passively induce additional energy of the boundary layer fluid flow over the increased aerodynamic surface of the back of the suction surface to further delay separation by using a fluid stream collected from the injection surface or other fluid sources along flow control paths, which are then directed to a suction surface for improving the performance of stalling or separating the fluid stream.
[0057] Конформные вихрегенераторы могут быть выполнены с возможностью улучшения выходного смешивания потока текучей среды и уменьшения шума потока без индуцирования добавленного аэродинамического сопротивления и потерь энергии. Гондола двигателя, пилоны и другие аэродинамические сопрягающие устройства и поверхности фюзеляжа представляют собой область, в которой уменьшение аэродинамического сопротивления и усовершенствованные способы управления потоком также обеспечивают преимущество нового конформного вихрегенератора.[0057] Conformal vortex generators may be configured to improve output mixing of the fluid stream and reduce flow noise without inducing added aerodynamic drag and energy loss. The engine nacelle, pylons, and other aerodynamic mating devices and fuselage surfaces are an area in which the reduction in aerodynamic drag and advanced flow control methods also provide the advantage of a new conformal vortex generator.
[0058] Центробежные компрессоры, а также крыльчатки и диффузоры с гладким смешанным потоком, насосы для текучей среды, турбокомпрессоры и т.п., обеспечивают преимущество за счет управления потоком пограничного слоя, которое минимизирует отделения потока текучей среды путем использования нового встроенного конформного вихрегенератора, который снижает аэродинамическое сопротивление потока текучей среды, срыв потока/кавитацию и акустический шум, генерируемый на крыльчатке и лопатках диффузора и связанных с ними структурах, управляющих потоком текучей среды.[0058] Centrifugal compressors, as well as smooth mixed-flow impellers and diffusers, fluid pumps, turbochargers, and the like, provide an advantage by controlling the boundary layer flow, which minimizes fluid flow separations by using a new integrated conformal vortex generator, which reduces the aerodynamic resistance of the fluid flow, stall / cavitation and acoustic noise generated on the impeller and diffuser blades and related structures controlling eye fluid.
[0059] В настоящей заявке описаны усовершенствования в канализации потока и, например, S-образные каналы двигателя, являющиеся фактическим случаем общих потоков ньютоновской текучей среды в трубопроводе или канале другого типа для потока текучей среды или средства для ограничения поверхности (как для внутренних, так и наружных потоков), которые обеспечивают возможность реализации способов управления потоком посредством конформного вихрегенератора для использования на стенках, поверхностях, в трубопроводах, воздуховодах и любых конструкциях для управления потоком, в настоящее время используемых для известных поверхностей, управляющих потоком текучей среды.[0059] The present disclosure describes improvements in flow sewerage and, for example, S-shaped ducts of an engine, which are an actual case of general Newtonian fluid flows in a pipe or other type of channel for a fluid flow or surface restriction means (both for internal and and external flows), which provide the possibility of implementing flow control methods by means of a conformal vortex generator for use on walls, surfaces, in pipelines, ducts, and any structures flow control applications currently used for known surfaces controlling fluid flow.
[0060] Новые конструкции конформного вихрегенератора вырабатывают постоянные вихри без существенных энергопотребляющих поперечных структур потока и передают максимальную и избираемую энергию потока в вихри, которые имеют тенденцию к конвектированию к расположенным ниже по ходу потока поверхностям потока текучей среды, которые препятствуют срыву потока. Это обеспечивает превосходный способ выгодного изменения любой поверхности и пограничного слоя потоков текучей среды для обеспечения сопротивления срыву потока, понижения абсолютного аэродинамического сопротивления и поддерживания этого сниженного аэродинамического сопротивления при работе в режимах неотделенного потока и/или ситуациях, отклоняющихся от проектных режимов. Основная конструкция встроенного конформного вихрегенератора демонстрирует эти свойства, и будучи встроенной в двигатели или устройства и поверхности для управления потоком текучей среды, могут быть выполнены с возможностью значительного усовершенствования уровня техники в многочисленных случаях применения и вариантах реализации.[0060] New conformal vortex generator designs generate constant vortices without significant energy-consuming transverse flow patterns and transfer maximum and selectable flow energy to vortices, which tend to convect to downstream fluid flow surfaces that prevent flow stall. This provides an excellent way to advantageously change any surface and boundary layer of fluid flows to provide stall resistance, lower absolute aerodynamic drag and maintain this reduced aerodynamic drag when operating in non-separated flow modes and / or situations deviating from design conditions. The basic design of the integrated conformal vortex generator demonstrates these properties, and being integrated in engines or devices and surfaces for controlling fluid flow, can be implemented with the possibility of significant improvement of the prior art in numerous applications and implementations.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0061] Все чертежи не обязательно являются масштабированными, но подробно показывают множество дополнительных особенностей вариантов реализации в иллюстративных целях.[0061] All of the drawings are not necessarily scaled, but show in detail many additional features of the embodiments for illustrative purposes.
[0062] На фиг. 1а показана часть статора турбины низкого давления или роторной лопатки со встроенным интегрированным конформным вихрегенератором. На фиг. 1b показан вид нагнетающей поверхности турбины низкого давления с подробностями встроенного конформного вихрегенератора, и на фиг. 1с показан вид всасывающей или верхней поверхности, включая дополнительные конформные вихрегенераторы, встроенные в кромку лопатки, и вторичные конформные вихрегенераторы.[0062] FIG. 1a shows a portion of the stator of a low pressure turbine or rotor blade with an integrated integrated conformal eddy generator. In FIG. 1b shows a view of the discharge surface of a low-pressure turbine with details of an integrated conformal vortex generator, and FIG. 1c shows a view of a suction or top surface, including additional conformal eddy generators embedded in the edge of the blade and secondary conformal eddy generators.
[0063] На фиг. 2а показаны подробности другого примера статора турбины низкого давления или роторной лопатки со встроенным интегрированным конформным вихрегенератором, с разрезом корневого конца, показывающим один пример варианта реализации опционального добавления сопел, управляющих расширенным потоком текучей среды из засасывающей поверхности, и пазы для расширения образованного ступенью вихря. На фиг. 2b показан дополнительный заборный канал (каналы) источника текучей среды для управляющего сопла, отбирающий текучую среду из точки минимума конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность, и/или точек сбора в области конца лопатки. На фиг. 2с показана в разрезе обращенная назад ступень конформного вихрегенератора, встроенного в наклонную засасывающую поверхность, с подробностями воздушных потоков.[0063] FIG. 2a shows the details of another example of a low pressure turbine stator or rotor blade with an integrated integrated conformal vortex generator, with a root end cut, showing one example of an embodiment of the optional addition of nozzles controlling the expanded fluid flow from the suction surface and grooves for expanding the vortex formed by the stage. In FIG. 2b shows an additional intake channel (s) of a fluid source for a control nozzle that draws fluid from a minimum point of a conformal vortex generator embedded in the discharge surface and / or collection points in the region of the blade end. In FIG. 2c shows a sectional view of the backward-facing step of a conformal vortex generator integrated in an inclined suction surface with details of air flows.
[0064] На фиг. 3 показана статорная или роторная лопатка турбины низкого давления с обтекателями втулки хвостовика и также показаны модифицированные, подрезанные, удвоенные и пиковые кончики конформного вихрегенератора, наряду с асимметричными и расширенными конфигурациями ступени конформного вихрегенератора, а также конформные вихрегенераторы, встроенные в концевую стенку профилированной втулки.[0064] FIG. Figure 3 shows the stator or rotor blade of a low-pressure turbine with cowl cowl fairings and also shows the modified, cropped, doubled and peak ends of the conformal vortex generator, along with asymmetric and expanded configurations of the stage of the conformal vortex generator, as well as the conformal vortex generators embedded in the end wall of the profile.
[0065] На фиг. 4а показан пример части всасывающей поверхности статорной или роторной лопатки компрессора низкого давления (LPC) с заостренными встроенными конформными вихрегенераторами с разрезом, показывающим варианты реализации элементов для дополнительного струйного управления потоком. На фиг. 4b показана часть нагнетающей поверхности статорной или роторной лопатки компрессора низкого давления с дополнительным заборным каналом (каналами) источника текучей среды для управляющего сопла, забирающим текучую среду из точки минимума конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность, и/или из точек отбора в области кончика. На фиг. 4b также показана заостренная версия матрицы конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность, с различным шагом и смещениями от матрицы конформного вихрегенератора на засасывающей поверхности.[0065] FIG. 4a shows an example of a portion of the suction surface of a stator or rotor blade of a low pressure compressor (LPC) with cut-in built-in conformal vortex generators with a section showing embodiments of elements for additional jet flow control. In FIG. 4b shows a portion of the discharge surface of the stator or rotor vanes of a low-pressure compressor with an additional intake channel (s) of the fluid source for the control nozzle that draws fluid from the minimum point of the conformal vortex generator integrated into the discharge surface and / or from the sampling points in the tip region. In FIG. 4b also shows a pointed version of a conformal vortex generator matrix embedded in the discharge surface, with different pitch and offsets from the conformal vortex generator matrix on the suction surface.
[0066] На фиг. 5а показан пример засасывающей поверхности лопатки вентилятора с металлической полосой для защиты от эрозии передней кромки и дополнительным концевым эластомерным улучшающим подъемную силу триммером (eLET) для снижения нагрузки на конец лопатки. На фиг. 5b показан пример нагнетающей поверхности лопатки вентилятора с дополнительными встроенными конформными вихрегенераторами, эластомерными улучшающими подъемную силу триммерами (eLET's), концевыми конформными вихрегенераторами, а также пример конфигурации для дополнительного струйного управления потоком.[0066] FIG. 5a shows an example of a suction surface of a fan blade with a metal strip for erosion protection of the leading edge and an additional end elastomeric lifting force-improving trimmer (eLET) to reduce the load on the blade end. In FIG. 5b shows an example of a blower fan surface with additional built-in conformal eddy generators, elastomeric lift-enhancing trimmers (eLET's), end conformal eddy generators, as well as an example configuration for additional jet flow control.
[0067] На фиг. 6а показан пример части всасывающей поверхности охлажденной статорной или роторной лопатки турбины высокого давления со встроенным интегральным конформным вихрегенератором, дополнительно показывающий управляющие потоком и охлаждающие сопла и вторичную матрицу конформного вихрегенератора. На фиг. 6b показана нагнетающая поверхность статора или ротора турбины высокого давления и матрица встроенного конформного вихрегенератора, а также показаны дополнительные управляющие потоком и охлаждающие сопла, матрица вторичного конформного вихрегенератора, матрица штифтовых охлаждающих выпускных прорезей задней кромки и матрица триммеров, улучшающих охлаждение задней кромки.[0067] FIG. 6a shows an example of a portion of the suction surface of a cooled stator or rotor blade of a high pressure turbine with an integrated integral conformal vortex generator, further showing flow control and cooling nozzles and a secondary matrix of the conformal vortex generator. In FIG. 6b shows the injection surface of the stator or rotor of the high-pressure turbine and the matrix of the integrated conformal vortex generator, as well as additional flow control and cooling nozzles, the matrix of the secondary conformal vortex generator, the matrix of pin cooling outlet slots of the trailing edge and the matrix of trimmers that improve the cooling of the trailing edge.
[0068] На фиг. 7 показана центробежная крыльчатка и дополнительная лопасть диффузора со встроенным конформным вихрегенератором на поверхностях управления потоком.[0068] FIG. 7 shows a centrifugal impeller and an additional diffuser vane with a built-in conformal vortex generator on flow control surfaces.
[0069] На фиг. 8 показана гондола двигателя, пилон и расположение крыла, показывающее места, в которых могут быть установлены конформные вихрегенераторы для повышения энергетической эффективности.[0069] FIG. 8 shows an engine nacelle, a pylon and a wing arrangement showing places where conformal eddy generators can be installed to increase energy efficiency.
[0070] На фиг. 9а и 9b показаны примеры воздуховода для потока текучей среды с матрицами конформного вихрегенератора, добавленными для улучшения потока и повышения энергетической эффективности.[0070] FIG. 9a and 9b show examples of a fluid flow duct with conformal vortex generator matrices added to improve flow and increase energy efficiency.
[0071] На фиг. 10а показаны ступени встроенного конформного вихрегенератора и ребра, выдавленные в панели поверхности воздуховода и оптимизированные с использованием встроенных многоугольных конструкций, показанных "внутри поверхности". Эти многоугольники снабжены и усилены реберными основаниями с увеличенным радиусом (не прямоугольные) для обеспечения прочности на изгиб и повышенного коэффициента теплопроводности для внутренних охлаждающих потоков с минимальным весом материала, причем противоположная сторона этой панели содержит матрицу ступеней результирующего конформного вихрегенератора (не показан), действующего в наружном потоке текучей среды, подобную матрице конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, показанное на фиг. 10b.[0071] FIG. 10a shows the steps of the integrated conformal vortex generator and the ribs extruded into the panel of the duct surface and optimized using the integrated polygonal structures shown “inside the surface”. These polygons are equipped and reinforced with ribbed bases with a larger radius (non-rectangular) to provide bending strength and increased thermal conductivity for internal cooling flows with a minimum material weight, the opposite side of this panel containing a matrix of steps of the resulting conformal vortex generator (not shown) operating in an external fluid stream similar to a conformal vortex generator matrix embedded in the heat insulating coating shown in FIG. 10b.
[0072] На фиг. 10b показана альтернативная версия поверхности воздуховода (или лопатки), показанной на фиг. 10а, с дополнительным теплоизолирующим покрытием, примененным и встроенным в многоугольную матрицу, с потоками текучей среды, протекающими теперь вдоль этой стороны теплоизолирующего покрытия. Также показаны сопла, улучшающие пленочное охлаждение и прилипание потока пограничного слоя.[0072] FIG. 10b shows an alternative version of the surface of the duct (or vanes) shown in FIG. 10a, with an additional heat-insulating coating applied and integrated into the polygonal matrix, with fluid flows now flowing along this side of the heat-insulating coating. Also shown are nozzles that improve film cooling and adhesion of the boundary layer flow.
[0073] На фиг. 11а показана в разрезе конструкция камеры сгорания, в которой используются конформные вихрегенераторы для снижения аэродинамического сопротивления и потерь энергии, и улучшения инжекции и смешивания топлива. На фиг. 11b показан альтернативный вариант реализации, в котором в качестве варианта используется керамический корпус, стенки и матрица конформного вихрегенератора, ограничивающие объем отверстия для сгорания обогащенной смеси.[0073] FIG. 11a shows a sectional view of a combustion chamber structure using conformal vortex generators to reduce aerodynamic drag and energy loss, and improve fuel injection and mixing. In FIG. 11b, an alternative embodiment is shown in which, as an option, a ceramic body, walls and a conformal vortex generator matrix are used to limit the volume of the opening for combustion of the enriched mixture.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0074] Наилучшим вариантом реализации настоящего изобретения является пример турбовентиляторного реактивного двигателя, который охватывает множество типичных областей и способов применения, которые могут обеспечить преимущество путем применения сконфигурированного должным образом интегрированного конформного вихрегенератора (CVG). Турбовентиляторный двигатель обеспечивает весьма большое количество примеров для пригодных к использованию в различных случаях применения интегрированных конформных вихрегенераторов (CVG), поскольку в нем присутствуют многочисленные гидрогазодинамические поверхности, управляющие потоками ньютоновской текучей среды, для совершения полезной работы и генерирования пригодных для использования эффектов. Этот пример является только одной формой гидрогазодинамической машины, в которой газ используется в качестве рабочей текучей среды, но большая часть способов применения конформного вихрегенератора может быть просто приспособлена для множества полезных устройств, в которых используется жидкая фаза или смешанная фаза ньютоновских физических текучих сред, и может обеспечивать подобные усовершенствования, например, для уменьшения аэродинамического сопротивления и отделения/кавитации путем геометрического масштабирования для вычисления: скоростей, давлений, чисел Рейнольдса, фаз текучей среды (переходов между газо-жидкостными состояниями) и вязкостей потоков.[0074] The best embodiment of the present invention is an example of a turbofan jet engine that covers many typical fields and applications that can provide an advantage by using a properly configured integrated conformal vortex generator (CVG). The turbofan engine provides a very large number of examples for integrated conformal vortex generators (CVGs) suitable for use in various applications, since it contains numerous hydrodynamic surfaces that control Newtonian fluid flows to perform useful work and generate usable effects. This example is just one form of a gas-and-gas dynamic machine in which gas is used as a working fluid, but most of the applications for a conformal vortex generator can simply be adapted to many useful devices that use a liquid phase or a mixed phase of Newtonian physical fluids, and can provide such improvements, for example, to reduce aerodynamic drag and separation / cavitation by geometric scaling to calculate Ia: velocity, pressure, Reynolds, fluid phase (the transitions between the states of gas-liquid) flows and viscosities.
[0075] На фиг. 1а позиционным номером 1 обозначен хвостовик стилизованного примера изолированной "корзины" роторной или статорной лопатки турбины низкого давления (LPT) с несимметричным профилем для реакции и импульса и диффузорного действия, которые обычно расположены по окружности диска ротора или статора в каскадном расположении. Для простоты представления этот пример не имеет скручивания и/или сужения, как у типичной лопатки, для обеспечения: радиального профиля скорости постоянной реакции из комбинаций крыльев ротора (реакция) и статора (диффузор), а также дополнительного управления потоком. Крепления хвостовика лопатки, втулка и торцы кончика, и соседние перекрывающиеся лопатки и расположенные выше по ходу потока диски исполнительно-приводного механизма также опущены для ясности, но используются в конечной конструкции, как известно специалистам в области каскадной аэродинамики. Позиционным номером 2 обозначена выпуклая поверхность расположенной ниже по ходу потока зоны разрежения, и вогнутая рабочая поверхность, расположенная ниже по ходу потока, обозначена позиционным номером 3. Текучая среда или горячие газы приходят под расчетным входным углом лопатки, который задает локальную аэродинамическую поверхность или рабочий угол атаки поверхности, и поток разделяется над поверхностью зоны разрежения и под рабочей поверхностью из-за геометрии и гидрогазодинамических сил, действующих на линии 4 критических точек передней кромки. Для случая диска ротора, после выполнения работы на крыльях лопатки и генерации векторов силы (в направлении стороне зоны разрежения) рабочая текучая среда выходит под расчетным углом выхода в области задней кромки 5 (ТЕ). Подъемные силы лопатки, которые раскладываются на тангенциальные составляющие, действующие вокруг оси ротора турбины, генерируют выходной вращающий момент из энергии входного потока текучей среды, и разложенный векторный компонент, действующий в заднем осевом направлении, представляет собой аэродинамическое сопротивление или вредную потерю энергии и импульса, что вызывает дополнительное падение давления на каскадной секции.[0075] FIG. 1a,
[0076] Расчетный входной угол для расположенного выше по течению потока входного источника текучей среды и выходные углы для доставки выходной текучей среды после обработки конформным вихрегенератором определяют пиковое количество энергии, которая может быть извлечена из входных потоков текучей среды из источника текучей среды в каскадной секции, в предположении, что поток в этой секции выполнен с возможностью минимизации потерь энергии, вызванных его турбулентностью, отделениями и вязкими потерями в данной рабочей точке.[0076] The estimated input angle for the upstream fluid input source and the output angles for delivering the output fluid after processing with the conformal vortex generator determine the peak amount of energy that can be extracted from the fluid input from the fluid source in the cascade section, under the assumption that the flow in this section is configured to minimize energy losses caused by its turbulence, compartments, and viscous losses at a given operating point.
[0077] При некоторых условиях потока, например, при низких числах Рейнольдса, отклоняющихся от оптимальных значений, в зонах разрежения происходит отделение потока после области минимального давления, в результате чего увеличиваются каскадные потери, уменьшается эффективность и увеличивает удельный расход топлива двигателя. Напряжение текучей среды в результате центростремительного ускорения во время пересечения вогнутой рабочей поверхности 3 также может вызывать потери энергии и утолщение пограничного слоя, например, образование вихрей Тейлора-Гёртлера. Для лопаток турбины низкого давления обычно не требуется охлаждение, поскольку поток газа значительно охлаждается при прохождении сквозь турбинные секции турбины высокого давления, и, следовательно, температуры являются ниже, чем, например, температуры материалов лопаток из сверхпрочного никелевого сплава, которые могут использоваться без опасений.[0077] Under certain flow conditions, for example, at low Reynolds numbers deviating from the optimal values, in the rarefaction zones, the flow separates after the minimum pressure region, resulting in increased cascade losses, decreased efficiency and increased specific fuel consumption of the engine. The fluid stress due to centripetal acceleration during the intersection of the
[0078] Для облегчения улучшения потоков в зоне разрежения предпочтительно возобновить подачу энергии в линии движения потока в пограничном слое (BL) таким образом, чтобы они имели достаточный импульс для протекания вплотную к лопатке, в область с нежелательным градиентом отбора давления после линии 10 пика разрежения, когда начинается замедление массы потока текучей среды, протекающей вдоль локальной поверхности, из-за состояния потока. Для обеспечения увеличенной энергии потока в самых низких слоях ниже по ходу потока пограничного слоя в зоне разрежения указанная матрица 6 верхнего конформного вихрегенератора (CVG) сконструирована и изготовлена как неразрывно интегрированная или встроенная в переднюю часть зоны разрежения в ускоренных областях потока, и эта конструкция спроектирована с возможностью преобразования доли энергии ускоренного поступающего свободного потока текучей среды в пару интенсивно вращающихся в противоположных направлениях вихрей, которые передаются потоком назад от матрицы верхних кончиков 7 конформного вихрегенератора, и это может обеспечить управление разделением зоны разрежения, подобно традиционному вихревому генератору, который фактически не может быть использован в данной среде сложных потоков и уменьшенных геометрических форм.[0078] To facilitate the improvement of flows in the rarefaction zone, it is preferable to resume the energy supply in the flow lines in the boundary layer (BL) so that they have sufficient momentum to flow close to the blade into the region with an undesirable pressure selection gradient after the
[0079] Точка 8 минимума интегрированного верхнего конформного вихрегенератора расположена вдоль хорды, так что поступающий поток текучей среды в области 9 входа в зону разрежения пересекает пару отклоняющихся наклонных обращенных назад ступенчатых краев 24 и испытывает их действие, как показано на фиг. 2а. Этот высокоскоростной поток все еще остается параллельным или тангенциальным к входной поверхности лопатки или, согласно проектному замыслу, аэродинамической поверхности в области 9 входа потока в зону разрежения и испытывает разделение (в области 27 ступенчатого срезающего разделения, как показано в разрезе на фиг. 2с) в нижних слоях потока текучей среды по всей длине и позади пересекающего верхнего края ступеней, поскольку поток не может делать резкий поворот вниз и следовать за контуром края верхней ступени.[0079] The
[0080] Этот специфический наклонный ступенчато-понижающий механизм разделения потока начинает закручивать часть отделенной малоэнергетичной и самой нижней в пограничном слое приходящей массы потока текучей среды в связанный и свободнотекущий ступенчатый вихрь 25, как показано на фиг. 2с, который перемещается и протекает вдоль нижнего края ступени и назад в направлении к кончикам 7 верхнего конформного вихрегенератора. Затем, указанный ступенчатый вихрь, состоящий из срезанных или послойно отрезанных малоэнергетичных нижних поступающих обладающих импульсом слоев текучей среды, встречается и уравновешивается с вращающимся в противоположном направлении вихрем с другой стороны кончика, и затем они перемещаются назад во вращающихся в противоположных направлениях нитях вихревых пар, сильно связанных с поверхностью вдоль хорды лопасти. Приходящий несрезанный обладающий импульсом слой потока и более верхний слой, который не совсем закручен в ступенчатые вихри, продолжает перемещаться назад как выходящий высокоэнергетичный поток 23 поверх и мимо верхней части конструкций, образующих ступенчатый вихрь, и затем вместе с исходной нисходящей скоростной компонентой снова приближается ниже по ходу потока к поверхности лопатки в области 28 повторного сближения потока после выхода из ступенчатой конструкции (как показано на фиг. 2) в форме теперь уже более высокэнергичного и более тонкого пограничного слоя с уменьшенными переходной турбулентностью, шпилькообразными вихревыми структурами и потерями аэродинамического сопротивления в этой области пограничного слоя по ходу потока между кончиками конформного вихрегенератора. Таким образом, геометрическая форма ступени конформного вихрегенератора действует на пограничный слой в качестве "ломтерезки" для создания полезных вихрей, но также обеспечивает управляемую реламинаризацию пограничного слоя ниже по ходу потока в области ширины ступени между кончиками для уменьшения лобового сопротивления поверх немодифицированной поверхности лопатки, в частности при нулевых и небольших положительных и отрицательных углах атаки.[0080] This specific inclined step-lowering mechanism for separating the flow begins to twist part of the separated low-energy and lowest in the boundary layer of the incoming mass of the fluid flow into a coupled and free-flowing
[0081] Описанная конструкция представляет собой дополнительный механизм снижения лобового сопротивления, который отсутствует в традиционных вихревых генераторах, поскольку известно, что они увеличивают аэродинамическое сопротивление при нулевых и небольших положительных и отрицательных значениях угла атаки, при которых способность вихревого генератора расширять угол атаки не действует. Диаграмма 33 вектора скорости потока пограничного слоя в области входа показывает нормальный градиент пограничного слоя от низкой приповерхностной скорости с подъемом выше в пограничный слой. Схема 34 вектора скорости выходного потока пограничного слоя ниже ступени по ходу потока показывает, что указанные нижние пограничные слои имеют большую скорость и улучшенную способность сближения с самыми низкими слоями области входа, разделенными на струи в ступенчатом вихре и затем пропущенные сквозь вихревые пары кончиков конформного вихрегенератора. Скорость воображаемой верхней струи пограничного слоя или невозмущенной струи обозначена как Vtop.[0081] The described construction is an additional drag reduction mechanism that is not available in traditional vortex generators, since it is known that they increase aerodynamic drag at zero and small positive and negative values of the angle of attack, at which the ability of the vortex generator to expand the angle of attack does not work. The diagram 33 of the flow velocity vector of the boundary layer in the inlet region shows the normal gradient of the boundary layer from a low surface velocity with a rise above the boundary layer.
[0082] Образованный ступенькой конформного вихрегенератора вихрь 25 протекает назад в форме непрерывного прогнозируемого и управляемого потока вдоль криволинейного пути, имеющего оптимальные для накопления массы длину и угол, в отличие от захваченного хаотичного вихря, образованного, например, обращенной назад расположенной по всему размаху крыла длинной ступенью. Пары первичных концевых вихрей, образованных вихреобразующими кончиками конформного вихрегенератора, являются очень интенсивными и геометрически устойчивыми; они эффективно отбирают энергию потока, а также массу и импульс текучей среды от целых областей широких полос потока, имеющих поперечный градиент скорости, которые проходят над ступенями или пересекают ступени конформного вихрегенератора вдоль его ширины. Струи спаренных концевых вихрей конформного вихрегенератора также действуют в качестве традиционного вихревого генератора при больших углах атаки, при которых они влияют на окружающий пограничный слой ниже по ходу потока и могут разбивать любые пузырьки и струйные структуры, формирующиеся в результате разделения потока текучей среды, а также обеспечивают возможность значительного увеличения угла атаки срыва с лопатки примерно на +5° в зависимости от конструкции аэродинамической поверхности. Соседние с пограничным слоем области испытывают влияние прохождения энергетичных струй концевых вихрей конформного вихрегенератора, и дополнительная энергия потока текучей среды также имеет тенденцию к подавлению шпилькообразных вихрей и утолщению указанной соседней с пограничным слоем области. Таким образом, конформный вихрегенератор увеличивает угол атаки или диапазон управления поверхностью локального потока текучей среды, который может быть обработан с пониженными потерями энергии в зависимости от базовой конфигурации поверхности.[0082] The
[0083] Следует отметить, что до точки разделения эта новаторская конструкция поверхности лопатки имеет "нормальную или идеальную" геометрическую конструкцию поверхности, которая обеспечивает эффективную область входа потока текучей среды, так что не индуцирует выше по течению потока добавленное аэродинамическое сопротивление или подковообразные вихри перед ступенями. Вихревые генераторы скошенного, уилеровского или лопаточного типов должны генерировать вихри в этой области для отклонения от правильной или идеальной формы лопатки и неэффективно добавляют лишнее расстояние в путь верхнего потока пограничного слоя, создавая аэродинамическое сопротивление.[0083] It should be noted that, to the point of separation, this innovative blade surface design has a “normal or ideal” geometric surface design that provides an effective inlet region for the fluid flow so that it does not induce added aerodynamic drag or horseshoe vortices in front of the steps . Vortex generators of beveled, wheeler or blade types must generate vortices in this area to deviate from the correct or ideal shape of the blade and inefficiently add extra distance to the path of the upper flow of the boundary layer, creating aerodynamic drag.
[0084] Поскольку интегрированные элементы или матрицы конформного вихрегенератора эффективно определяют новую конструктивную базовую желательную поверхность области входа передней кромки или конструктивную геометрическую форму аэродинамической поверхности как равную идеальной аэродинамической поверхности, позади ступени конструкция задней поверхности теперь эффективно ступенчато заглублена в поверхность благодаря этой новой конструкции встроенного конформного вихрегенератора. Таким образом, вновь спроектированное крыло или аэродинамическая поверхность остаются средством задания правильных потоков текучей среды в критических секциях передней кромки ламинарного течения, как и в исходной конструкции аэродинамической поверхности, так что теперь задние секции осажены внутрь ступенчатым смещением. Поскольку добавочные конформные вихрегенераторы на конструкциях крыла или аэродинамической поверхности не сконфигурированы или настроены для добавления конформного вихрегенератора, секция области входа передней кромки эффективно утолщена и прервана, например, удвоенной добавочной толщиной ленты/ступени матрицы конформных вихрегенераторов в прикладной области.[0084] Since the integrated elements or matrices of the conformal vortex generator effectively define the new constructive base desired surface of the leading edge entry region or the constructive geometric shape of the aerodynamic surface as equal to the ideal aerodynamic surface, behind the step, the rear surface structure is now effectively stepped into the surface thanks to this new built-in conformal design vortex generator. Thus, the newly designed wing or aerodynamic surface remains a means of setting the correct fluid flows in critical sections of the leading edge of the laminar flow, as in the original design of the aerodynamic surface, so that now the rear sections are upwardly deposited inward. Since the additional conformal vortex generators on the wing or aerodynamic surface structures are not configured or configured to add a conformal vortex generator, the section of the leading edge inlet region is effectively thickened and interrupted, for example, by the doubled additional thickness of the ribbon / step of the matrix of conformal vortex generators in the applied region.
[0085] Конформные вихрегенераторы уникальны тем, что они действуют ориентированно и обрабатывают самые низкие пограничные слои, пересекающие обращенные назад ступени (любой высоты), и генерируют постоянные основные струи концевых вихрей вдоль хорды, которые тесно связаны в их центральной взаимной линии критических точек низкого давления вдоль хорды и, таким образом, остаются в тесном контакте с поверхностями лопатки ниже по ходу потока даже при чрезвычайно высоких центростремительных ускорениях и вторичных потоках выше уровней пограничного слоя.[0085] Conformal vortex generators are unique in that they act orientedly and process the lowest boundary layers intersecting backward-facing steps (of any height) and generate constant main jets of end vortices along the chord, which are closely connected in their central mutual line of low-pressure critical points along the chord and, thus, remain in close contact with the surfaces of the scapula downstream even with extremely high centripetal accelerations and secondary flows above the boundary levels th layer.
[0086] Визуализация потока показывает, что на вертолетной роторной лопасти при радиальных ускорениях конца лопасти 1200 g (11760 м/с2) и скоростях 700 фут/сек (213,5 м/с), при которых линии критических точек вихревой пары кончиков конформного вихрегенератора захватывают поверхностную пыль и эффективно "огораживают" этот и самые низкие потоки пограничного слоя, оставляя их в направлении хорды на лопатке, под действием больших радиальных сил и других вторичных воздушных потоков, которые полностью удаляют пыль из лопаток без использования предложенного новаторского конформного вихрегенератора. Это распределение сильного ступенчатого и вихревого направленного вдоль хорды потока объясняет, каким образом конформный вихрегенератор может эффективно забирать энергию от более высоких приходящих обладающих импульсом слоев потока текучей среды и распространять ее вдоль хорды и вдоль профиля лопатки, а также облегчать управление любыми задними областями (т.е., проходящими в направлении к задней кромке 5), которые стремятся сформировать пузырь отделения потока и срыв. Основные пары концевых вихрей конформного вихрегенератора и ступенчатые вихри имеют определенное количество связанных в ними вторичных вихрей и круговых течений, которые имеют тенденцию к прогрессивному уравниванию давлений и импульса, так что течения с поперечным градиентом скорости минимизированы в конструкции конформного вихрегенератора и ступенях и позади них.[0086] The visualization of the flow shows that on a helicopter rotor blade with radial accelerations of the end of the blade 1200 g (11760 m / s 2 ) and speeds of 700 ft / s (213.5 m / s), at which the lines of critical points of the vortex pair of conformal ends vortex generator capture surface dust and effectively “enclose” this and the lowest flows of the boundary layer, leaving them in the direction of the chord on the blade, under the influence of large radial forces and other secondary air flows that completely remove dust from the blades without using the proposed innovative conformal vortex generator. This distribution of a strong stepwise and vortex directed along the chord flow explains how a conformal vortex generator can efficiently take energy from higher incoming momentum-containing fluid flow layers and distribute it along the chord and along the blade profile, as well as facilitate the control of any posterior regions (i.e. e., passing towards the trailing edge 5), which tend to form a bubble separating the flow and stall. The main pairs of end vortices of the conformal vortex generator and step vortices have a certain number of secondary vortices and circular flows connected in them, which tend to progressively equalize pressures and momenta, so that flows with a transverse velocity gradient are minimized in the design of the conformal vortex generator and steps and behind them.
[0087] Скопления пыли вдоль ступеней конформного вихрегенератора говорят о том, что поверхности и основания ступеней также являются областями торможения, и что после того, как доля самого низкого уровня и имеющего низкий импульс потока пограничного слоя разделены на потоки, которые питают пары первичных концевых вихрей, остальные верхние, обладающие более высокой энергией и более высоким импульсом, слои впоследствии могут найти эффективный путь потока немного ниже по ходу потока для восстановления сближения с поверхностью в качестве нового имеющего повышенную энергию протекающего ниже по ходу потока пограничного слоя, захваченного между кончиками конформного вихрегенератора. Следует отметить, что пары первичных вихрей конформного вихрегенератора могут быть сделаны уменьшенными и выходящими за пределы диапазона геометрических размеров ступени и толщины пограничного слоя, и обычно не оказывают влияния на невозмущенный поток или вторичные потоки, протекающие выше верхней части воображаемого пограничного слоя. Это обеспечивает возможность полного погружения вихрей конформного вихрегенератора в самые нижние уровни пограничного слоя, причем указанные вихри конформного вихрегенератора являются по меньшей мере на порядок величины более постоянными и эффективным в отношении геометрии направления ниже по ходу потока чем вихри, генерируемые другими механизмами, по сообщениям, например, NASA. Между элементами конформного вихрегенератора в матрице отсутствуют подковообразные вихри входного потока, которые генерируют потери.[0087] Dust accumulations along the steps of the conformal vortex generator indicate that the surfaces and bases of the steps are also areas of inhibition, and that after the fraction of the lowest level and low-momentum boundary layer flux is divided into flows that feed the pairs of primary end vortices , the remaining upper layers with higher energy and higher momentum, the layers can subsequently find the effective flow path slightly lower along the flow to restore convergence with the surface as new of having a higher energy flowing downstream the boundary layer trapped between the ends of the conformal vortex generator. It should be noted that the pairs of primary vortices of the conformal vortex generator can be made smaller and go beyond the range of the geometric dimensions of the step and the thickness of the boundary layer, and usually do not affect the undisturbed flow or secondary flows flowing above the upper part of the imaginary boundary layer. This makes it possible to completely immerse the vortices of the conformal vortex generator in the lowest levels of the boundary layer, and the indicated vortices of the conformal vortex generator are at least an order of magnitude more constant and effective with respect to the direction geometry downstream than the vortices generated by other mechanisms, according to reports, for example NASA. Between the elements of the conformal vortex generator in the matrix there are no horseshoe-shaped vortices of the input stream that generate losses.
[0088] Большая часть других конструкций вихревых генераторов имеют высокое аэродинамическое сопротивление (например, выступающие стабилизаторы наклонных типов), являются конструктивно непрочными (лопаточные стабилизаторы), ограничены геометрической формой в ограниченном диапазоном рабочих режимов потока Рейнольдса, не вырабатывают постоянные и погруженные вихри или вырабатывают низкоэнергетичные вихри (например, воронки) или вихри, подверженные вторичным потокам и влияниям. Известные активные устройства для управления потоком на лопатках, такие как сопла для наклонных и синтетических потоков, могут возобновлять подачу энергии в пограничный слой для уменьшения отделения потока, но вместе с тем вызывают потери энергии индуцированием подковообразных или почечных вихрей и влияют на потоки только в ограниченном диапазоне вокруг фиксированных точек и в целом являются более сложными и не обеспечивают существенного снижения лобового сопротивления по сравнению с основной немодифицированной геометрической формой.[0088] Most of the other designs of vortex generators have high aerodynamic drag (for example, protruding stabilizers of inclined types), are structurally fragile (blade stabilizers), are limited by their geometrical shape in a limited range of Reynolds flow operating conditions, and they do not generate constant and submerged vortices or produce low-energy eddies (e.g. funnels) or eddies susceptible to secondary flows and influences. Known active devices for controlling the flow on the blades, such as nozzles for inclined and synthetic flows, can renew the energy supply to the boundary layer to reduce separation of the flow, but at the same time cause energy losses by inducing horseshoe or renal vortices and affect flows only in a limited range around fixed points and in general are more complex and do not provide a significant reduction in drag compared to the main unmodified geometric shape Oh.
[0089] Возобновление подачи энергии в области пограничного слоя позади конформных вихрегенераторов обеспечивает возможность расширения угла атаки (АоА) лопатки без срыва (с небольшим лобовым сопротивлением) примерно на +5° до окончательного формирования областей срыва потока и увеличения аэродинамического сопротивления с одновременным уменьшением подъемной силы. Это усовершенствованное расширение угла атаки А-кривой, происходящее на различных испытательных аэродинамических поверхностях, доказывает, что физика потока текучей среды хорошо масштабируется для различных геометрических форм лопатки и чисел Рейнольдса. Такое усовершенствование для лопаток турбины низкого давления обеспечивает возможность увеличения расчетного угла поворота новой конструкции каскада лопаток (увеличения коэффициента Цвайфеля) для строительства более компактных турбины и/или компрессора с уменьшенным количеством ступеней в решетке лопаток, или указанное усовершенствование может быть использовано просто для обеспечения возможности расширения эксплуатационной свободы действий в отношении новых решеток лопаток, работающих с отклонением от расчетных режимов, или для предпочтительной комбинации указанных возможностей.[0089] The renewal of energy supply in the boundary layer region behind the conformal vortex generators provides the possibility of expanding the angle of attack (AoA) of the blade without stall (with a small frontal resistance) by approximately + 5 ° until the final formation of the regions of stall flow and an increase in aerodynamic drag while reducing lift . This advanced expansion of the A-angle of attack, occurring on various test aerodynamic surfaces, proves that the physics of fluid flow scales well for various geometrical shapes of the blade and Reynolds numbers. Such an improvement for low pressure turbine blades makes it possible to increase the estimated angle of rotation of the new design of the cascade of blades (increase the Zweifel coefficient) for the construction of a more compact turbine and / or compressor with a reduced number of stages in the blade grid, or this improvement can be used simply to allow expansion operational freedom of action with respect to new blade grids operating with a deviation from the design modes, or for a preferred combination of these features.
[0090] Дополнительная ценная особенность нового относительно уровня техники конформного вихрегенератора состоит в том, что лобовое сопротивление лопасти по сравнению с исходными конструкциями значительно уменьшается на величину примерно от -5% до -10% для тех же самых подъемной силы и угла атаки от нулевого угла до близкого к углу срыва. Это приписывается тому факту, что пограничный слой зоны разрежения с возобновленной подачей энергии также имеет более высокую скорость и становится тоньше и, следовательно, генерирует меньше потерь, вызванных турбулентностью потока текучей среды, с одновременной генерацией подъемной силы. Вихри матрицы конформного вихрегенератора и повышение энергии пограничного слоя являются пассивными и генерируются чрезвычайно эффективным способом, а также не оказывают неблагоприятного влияния на расчетные характеристики лобового сопротивления лопасти, но улучшают их за счет их снижения в диапазоне потока текучей среды.[0090] An additional valuable feature of the conformal vortex generator, which is new relative to the prior art, is that the drag of the blade compared to the original structures is significantly reduced by about -5% to -10% for the same lift and angle of attack from zero angle to a stall close to the corner. This is attributed to the fact that the boundary layer of the rarefaction zone with renewed energy supply also has a higher speed and becomes thinner and, therefore, generates less losses caused by turbulence in the fluid flow, while generating a lifting force. The vortices of the conformal vortex generator matrix and the increase in the energy of the boundary layer are passive and are generated in an extremely efficient way, and also do not adversely affect the design characteristics of the drag of the blade, but improve them by reducing them in the fluid flow range.
[0091] Что касается интегрированной нижней матрицы 11 конформного вихрегенератора, показан пример точки 12 минимума нижнего конформного вихрегенератора, причем нижний конформный вихрегенератор также имеет ступени, утопленные внутрь профиля аэродинамической поверхности лопатки, для формирования наклонной обращенной назад ступени тем же самым способом, что и матрица 6 верхнего конформного вихрегенератора. Рабочая поверхность имеет различные давление и профиль скорости вдоль хорды, но нижняя точка 12 минимума конформного вихрегенератора сконфигурирована подобным образом, что и точка 8 минимума верхнего конформного вихрегенератора, например, в матрице 6 верхнего конформного вихрегенератора.[0091] Regarding the integrated lower conformal
[0092] Испытание на аэродинамических поверхностях показывает, что некоторое улучшение лобового сопротивления лопасти также происходит благодаря включению матрицы 11 нижнего конформного вихрегенератора, которая улучшает поток вдоль рабочей аэродинамической поверхности и препятствует формированию, например, вихрей Тейлора-Гёртлера, вызванных напряжениями, созданными вогнутыми центростремительными потоками. Нижняя матрица 11 конформного вихрегенератора также способствует утончению пограничного слоя рабочей поверхности ниже по ходу потока, в результате чего уменьшается турбулентность и снижается аэродинамическое сопротивление.[0092] Testing on aerodynamic surfaces shows that some improvement in the drag of the blade also occurs due to the inclusion of the
[0093] Можно сконструировать лопатку для работы с любой из матриц или с обеими матрицами конформного вихрегенератора, но матрица конформного вихрегенератора в зоне разрежения устраняет одну из основных общепризнанных проблем уровня техники, относящуюся к отделению потока в зоне разрежения лопатки турбины низкого давления.[0093] It is possible to design a blade for working with either of the matrices or with both of the conformal vortex generator matrices, but the conformal vortex generator matrix in the rarefaction zone eliminates one of the main recognized problems of the prior art relating to the separation of the flow in the rarefaction zone of the low pressure turbine blade.
[0094] В решетке лопаток ударная волна, например, вызванная потоком восстановления давления в зоне разрежения может формировать и разрушать потоки межлопаточного прохода, в частности, если конструктивная толщина задней кромки лопатки индуцирует дросселирование потока в межлопаточном проходе и вызывает результирующие скачки уплотнения в некоторых потоках текучей среды. Запланированные вихревые потоки конформного вихрегенератора, сталкивающиеся с взаимодействиями скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) в областях разделений скачка уплотнения, имеющего раздвоенное основание (lambda-foot), могут быть использованы для смягчения ударных нагрузок и уменьшения потерь энергии на аэродинамических поверхностях, а также на поверхностях, управляющих потоком текучей среды, и в воздуховодах.[0094] In the blade array, a shock wave, for example, caused by a pressure recovery stream in the rarefaction zone can form and destroy the interscapular passage flows, in particular, if the structural thickness of the trailing edge of the blade induces a throttling of the flow in the interscapular passage and causes the resultant compaction jumps in some fluid flows Wednesday. Scheduled eddy flows of a conformal vortex generator that collide with the interactions of the shock wave with the boundary layer (SBLI) in the areas of separation of the shock wave having a lambda foot can be used to soften shock loads and reduce energy losses on aerodynamic surfaces, as well as on surfaces that control fluid flow and in ducts.
[0095] Преимущества конфигурации и конструкции эффективных конформных вихрегенераторов подкреплены тем фактом, что они хорошо работают в широком диапазоне геометрических форм и могут быть легко модифицированы в соответствии со специализированными требованиями. Испытание показывает, что при изменении геометрических форм конформного вихрегенератора результаты в общем остаются в пределах равномерного диапазона изменений без резких колебаний или особенных точек, т.е. они хорошо ведут себя в широком диапазоне проектных условий. Поскольку конформные вихрегенераторы всегда начинаются у основания пограничного слоя, они не вторгаются в пограничный слой с наружной стороны при любых практических значениях числа Рейнольдса.[0095] The advantages of the configuration and construction of efficient conformal vortex generators are reinforced by the fact that they work well in a wide range of geometric shapes and can be easily modified to meet specialized requirements. The test shows that when the geometric shapes of the conformal vortex generator change, the results generally remain within the uniform range of changes without sharp fluctuations or singular points, i.e. they behave well in a wide range of design conditions. Since conformal vortex generators always begin at the base of the boundary layer, they do not invade the boundary layer from the outside for any practical Reynolds number.
[0096] Завихренность начинается с чисел Рейнольдса приблизительно 300 в стандартной атмосфере и приобретает достаточную энергию приблизительно при 30000 предпочтительно. Примерно от чисел Рейнольдса 30000 до 500000 и больше, при которых лопатки турбины низкого давления еще могут работать, конформные вихрегенераторы могут быть настроены для обеспечения улучшения. От чисел Рейнольдса 500000 до, например, 10 миллионов и более конформные вихрегенераторы могут быть очень эффективными для изолированной аэродинамической поверхности и секций фюзеляжа, а также аэродинамических конструкций, включая вращающиеся компоненты. Следует отметить, что ступени конформного вихрегенератора могут составлять уменьшенную долю высоты пограничного слоя в рабочем участке и все еще создавать эффективную и выгодную возможность управления потоком текучей среды, но в более общем случае и в различных рабочих точках чисел Рейнольдса они также могут быть выгодно использованы с высотой ступени, составляющей увеличенную долю толщины пограничного слоя или даже в разы превышать локальные толщины пограничного слоя.[0096] The vortex begins with Reynolds numbers of approximately 300 in a standard atmosphere and acquires sufficient energy at approximately 30,000 preferably. Roughly from Reynolds numbers of 30,000 to 500,000 or more, at which the low pressure turbine blades can still work, conformal vortex generators can be tuned to provide improvement. From Reynolds numbers 500,000 to, for example, 10 million or more conformal vortex generators can be very effective for an isolated aerodynamic surface and fuselage sections, as well as aerodynamic structures, including rotating components. It should be noted that the steps of the conformal vortex generator can make up a reduced fraction of the height of the boundary layer in the working section and still create an effective and advantageous ability to control the fluid flow, but in the more general case and at various operating points of the Reynolds numbers, they can also be advantageously used with height steps, making up an increased proportion of the thickness of the boundary layer or even several times greater than the local thickness of the boundary layer.
[0097] Конформный вихрегенератор или CVG в широком смысле может быть представлен как элемент, изменяющий поток текучей среды, конструкция которого имеет следующие отличительные особенности: (а) имеет конфигурацию области входа с низкими потерями, которая согласует направления струй поверхностного потока в области входа; (b) содержит пересекающую поток под углом обращенную назад ступень для индуцирования срезания самых низких уровней приходящего потока текучей среды в ступенчатый вихрь, который связывает этот срезанный поток вдоль выходной поверхности с (с) точкой выхода для удаления накопленного ступенчатого вихревого срезанного потока, и (d) обеспечивает возможность баланса приходящих обладающих высокой энергией несрезанных слоев восстановления в качестве нового пограничного слоя ниже по ходу потока с более высокой энергией.[0097] A conformal vortex generator or CVG in a broad sense can be represented as a fluid flow changing element, the construction of which has the following distinctive features: (a) has a low-loss inlet region configuration that matches the directions of the surface stream jets in the inlet region; (b) comprises a backward flow intersecting flow at an angle to induce cutting of the lowest levels of the incoming fluid flow into a step vortex that connects this cut flow along the exit surface to (c) an exit point to remove the accumulated stepwise vortex shear flow, and (d ) provides the ability to balance incoming high-energy uncut recovery layers as a new boundary layer downstream with a higher energy.
[0098] Расположенные под углом к потоку ступени конформного вихрегенератора обычно сконфигурированы приблизительно под углом 22° (для воздуха в качестве рабочей ньютоновской текучей среды) вдоль размаха крыла относительно вектора локального безвихревого входного потока, но могут находиться в диапазоне допуска вокруг этого приблизительного номинального значения с некоторыми сдвигами характеристик, и точное значение этого угла зависит от условий рабочей текучей среды. Таким образом, может быть настроен любой из углов ступени конформного вихрегенератора при оптимизации для различных локальных направлений потока, таких как направления потоков в областях ступицы и кончиках лопаток, и т.п.[0098] Conformal vortex generator steps angled to the flow are typically configured at approximately an angle of 22 ° (for air as a working Newtonian fluid) along the wing span relative to the local vortex-free inlet vector, but may be within the tolerance range around this approximate nominal value with some shifts of characteristics, and the exact value of this angle depends on the conditions of the working fluid. Thus, any of the angles of the conformal vortex generator stage can be tuned for optimization for various local flow directions, such as flow directions in the areas of the hub and the tips of the blades, etc.
[0099] Ступени конформного вихрегенератора своими задними концами обычно соединены в шевронные или подобные треугольникам конструкции с концами, обращенными назад, которые затем вырабатывают постоянные и устойчивые пары выходных концевых вихрей и которые могут быть комбинированы в матрицы с изменяемым смещением определенного количества соседних ступенчатых краевых конструкций конформного вихрегенератора с изменением углов, геометрических форм ступени, а также высот ступени и длин ступени для обеспечения изменения векторов и условий входного потока. Геометрическая форма конструкции конформного вихрегенератора обеспечивает возможность точного управления потоками текучей среды в различных точках вдоль поверхности, в которую встроен вихрегенератор. Конформный вихрегенератор сконфигурирован для данной геометрической формы поверхности с такими, как высота ступени, длина и угол, и, например, для хорды лопасти турбины низкого давления шириной 50 мм могут быть, например, выбраны: пересечение потока текучей среды под локальным углом приблизительно 22°, треугольная форма, длина ступени 3 мм, высота ступени 100 мкм (микрон) и расположение вокруг высокоскоростных областей перехода ламинарного течения для ожидаемых значений числа Рейнольдса и типичной секции аэродинамической поверхности лопатки.[0099] The steps of the conformal vortex generator with their rear ends are usually connected in chevron or triangle-like designs with the ends facing back, which then produce constant and stable pairs of output end vortices and which can be combined into matrices with a variable displacement of a certain number of adjacent stepped edge structures of the conformal vortex generator with changing angles, geometric shapes of the step, as well as step heights and step lengths to ensure changes in vectors and conditions input stream. The geometric shape of the conformal vortex generator design allows precise control of fluid flows at various points along the surface into which the vortex generator is integrated. A conformal vortex generator is configured for a given geometric surface shape with, for example, step height, length and angle, and, for example, for a chord of a turbine blade of a low pressure turbine with a width of 50 mm, for example, the following can be selected: intersection of the fluid flow at a local angle of about 22 °, triangular shape,
[00100] Эти значения точки начала геометрической формы могут быть легко изменены и затем подтверждены как оптимальные последовательностью фактического испытания ступени лопатки и измерений характеристик, но практически являются невозможными для добавления конформных вихрегенераторов в этой области турбины низкого давления из-за небольшого размера и рабочих нагрузок. Высота ступени конформного вихрегенератора регулируется в широком диапазоне и выполнена с возможностью генерирования достаточной завихренности вдоль ступенчатых краев в расчетном рабочем диапазоне значений числа Рейнольдса с одновременным отклонением на заметный уровень приходящего нижнего потока пограничного слоя в первичные вихри, направленные вдоль хорды. Этот способ конструирования конформного вихрегенератора также предпочтительно может быть использован на матрице неподвижных статорных лопаток для снижения аэродинамического сопротивления и увеличения угла поворота в пределах, ограниченных отделением с отклонением от расчетной величины при различных числах Рейнольдса.[00100] These values of the geometrical start point can be easily changed and then confirmed as optimal by the sequence of actual testing of the blade stage and measurement of characteristics, but it is practically impossible to add conformal vortex generators in this area of the low pressure turbine due to its small size and operating loads. The stage height of the conformal vortex generator is adjustable in a wide range and is capable of generating sufficient vorticity along the stepped edges in the calculated operating range of the Reynolds number with a simultaneous deviation to a noticeable level of the incoming lower flow of the boundary layer into the primary vortices directed along the chord. This method of constructing a conformal vortex generator can also preferably be used on a matrix of fixed stator vanes to reduce aerodynamic drag and increase the angle of rotation within limits limited by separation with deviation from the calculated value at various Reynolds numbers.
[00101] Расположенная по размаху крыла ступень, проходящая вдоль аэродинамической поверхности под прямым углом или углом 90° к потоку, обычно захватывает хаотический расположенный по размаху крыла образованный ступенькой вихрь и, как известно, увеличивает аэродинамическое сопротивление приблизительно на +5% для базовой немодифицированной лопатки, и в лучшем случае эта ступень разбита, например, на сегменты конформного вихрегенератора, которые расположены приблизительно под углом 22° к потоку, с приблизительным снижением лобового сопротивления на -10%, но не ограничена этими значениями. Интересно то, что испытания показывают самое ухудшенное аэродинамическое сопротивление для угла больше чем 90° (в случае линейного обращенного назад ступенчатого края), когда ступень конформного вихрегенератора проходит под углом приблизительно 60° к потоку, и длина накопления ступени является большой. Это показывает, что в некоторой точке ступенчатые вихри перевозбуждаются за счет накопленной массы низкоэнергетичной текучей среды при определенном размере образованного ступенькой вихря и расходе потока и начинают расширяться, становясь препятствием для струй приходящего потока, и, таким образом, механизм конформного вихрегенератора становится нежелательной причиной повышения аэродинамического сопротивления в еще большей степени, чем линейная расположенная по размаху крыла обращенная назад ступень. Несмотря на то, что понижение аэродинамического сопротивления является ключевой целью конструкции, способность создавать количественно управляемое увеличение и уменьшение аэродинамического сопротивления, обеспечивает возможность использования конформных вихрегенераторов в качестве нового инструмента для модификации потока текучей среды более точными способами.[00101] A wing span step that extends along a aerodynamic surface at a right angle or angle of 90 ° to the flow typically captures a chaotic span vortex formed by the wing and is known to increase aerodynamic drag by approximately + 5% for the base unmodified blade , and in the best case, this step is divided, for example, into segments of the conformal vortex generator, which are located at an angle of approximately 22 ° to the flow, with an approximate decrease in drag -10%, but not limited to these values. Interestingly, the tests show the most degraded aerodynamic drag for an angle greater than 90 ° (in the case of a linear backward edged edge), when the conformal vortex generator step extends at an angle of approximately 60 ° to the flow and the accumulation length of the step is large. This shows that at some point the step vortices are overexcited due to the accumulated mass of low-energy fluid at a certain size of the vortex formed by the step and the flow rate and begin to expand, becoming an obstacle to the jets of the incoming flow, and, thus, the mechanism of the conformal vortex generator becomes an undesirable cause of an increase in aerodynamic resistance to an even greater degree than a linear span wing located backward. Despite the fact that lowering the aerodynamic drag is a key design goal, the ability to create a quantitatively controlled increase and decrease in aerodynamic drag makes it possible to use conformal vortex generators as a new tool for modifying fluid flow in more precise ways.
[00102] Механическая точность и точность изготовления и определение конструкций конформного вихрегенератора не являются особенно критичными, но чем "острее" верхний край ступени (меньше радиус скругления угла), тем выше устойчивость и предсказуемость разделения потоков в области входа и тем меньше вторичных завихрений. Точка минимума конформного вихрегенератора также может быть просто сконфигурирована с некоторым радиусом скругления, и кончики конформного вихрегенератора могут быть либо острыми, либо также могут быть сконфигурированы с некоторым радиусом скругления или иметь другую геометрическую форму с минимальной чувствительностью характеристик. Переход от основания ступени к выходной поверхности является критической областью, создающей другие вихри вторичного напряжения, так что может быть задано обтекание с удобным радиусом, которое не нарушает срезающую функцию верхнего края ступени.[00102] The mechanical accuracy and manufacturing accuracy and the determination of conformal vortex generator designs are not particularly critical, but the sharper the upper edge of the step (the smaller the rounding radius of the angle), the greater the stability and predictability of the separation of flows in the inlet region and the lower the secondary turbulence. The minimum point of the conformal vortex generator can also be easily configured with a certain fillet radius, and the ends of the conformal vortex generator can be either sharp or can also be configured with some fillet radius or have a different geometric shape with minimal sensitivity. The transition from the base of the step to the exit surface is a critical region creating other vortices of secondary voltage, so that a flow around with a convenient radius can be specified that does not violate the shearing function of the upper edge of the step.
[00103] Поскольку литая, штампованная, изготовленная ручным или механическим способом часть может быть сформирована в результате любой комбинации способов обработки, материалов или способов изготовления, предпочтительно радиус нижних краев ступени должен способствовать как снижению напряжений при изготовлении, так и минимизации концентрированных вибрационных напряжений и режимов во время эксплуатации. Верхний край ступени обычно является свободным от изотропного объемного напряжения и линий прогиба.[00103] Since the molded, stamped, made manually or mechanically part can be formed as a result of any combination of processing methods, materials or manufacturing methods, preferably the radius of the lower edges of the step should contribute to both reducing stresses in the manufacture and minimizing concentrated vibrational stresses and modes during operation. The upper edge of the step is usually free of isotropic bulk stress and deflection lines.
[00104] В условиях большого ускорения и/или вибрации может быть оптимизировано расположение конформных вихрегенераторов, при котором они пространственно сконфигурированы на тех же самых и противоположных поверхностях для предотвращения резонансных вибрационных режимов, а также точек и структур когерентного отражения. Таким образом, регулярная матрица на поверхности может быть оптимизирована путем регулирования индивидуального элемента конформного вихрегенератора, положений кончика и точки минимума, длины ступени конформного вихрегенератора (эффективно задающей тангаж) и углов индивидуальным способом для расстраивания ответной резонансной вибрации лопатки и уменьшения нежелательного изгиба лопатки, а также связанных с ним режимов возбуждения вибрации и механического резонанса. Это также может быть осуществлено в отношении обеих поверхностей лопасти для предотвращения когерентного сосредоточения напряжений лопатки между зоной разрежения и зоной нагнетания, а также для предупреждения усталостного разрушения.[00104] Under conditions of high acceleration and / or vibration, the arrangement of conformal vortex generators can be optimized in which they are spatially configured on the same and opposite surfaces to prevent resonant vibrational modes, as well as points and structures of coherent reflection. Thus, a regular matrix on the surface can be optimized by adjusting the individual element of the conformal vortex generator, the position of the tip and the minimum point, the length of the step of the conformal vortex generator (effectively setting pitch) and angles in an individual way to upset the resonant vibration of the blade and reduce unwanted bending of the blade, as well related modes of excitation of vibration and mechanical resonance. This can also be done with respect to both surfaces of the blade in order to prevent a coherent concentration of the blade stress between the rarefaction zone and the discharge zone, and also to prevent fatigue failure.
[00105] На фиг. 3 показан пример асимметричного конформного вихрегенератора 21, расположенного в зоне разрежения и имеющего V-образную форму, причем левый угол является более острым, чем правый угол, чтобы сделать этот конформный вихрегенератор несимметричным и способным обрабатывать потоки пограничного слоя с каждой стороны кончика различными способами. Массовый поток пограничного слоя с левой стороны является эффективно более узким, так что масса разделенного ступенькой на полосы пограничного слоя, протекающая в левосторонний концевой вихрь, меньше, в результате чего генерируется уменьшенный в размере и менее мощный концевой левосторонний вихрь. На правой стороне данного конформного вихрегенератора более широкое пересечение набегающего потока означает, что правосторонний концевой вихрь соответственно имеет увеличенный размер и является более мощным. Равновесие сил и векторов завихренности и различие в мощность между указанными двумя асимметричными концевыми вихрями, вращающимися в противоположных направлениях теперь изменены таким образом, что они протекают больше в левой части зоны разрежения, и поскольку они рассеиваются в вихревой след после задней кромки, баланс значений остаточной завихренности в этой области больше смещен в направлении по часовой стрелке, что соответствует направлению по часовой стрелке "или полярности" суммы подъемных нормальных эффективных сил вихря лопатки, как показано на фиг. 3, в предположении, что на фиг. 3 показан внутренний или корневой конец лопатки в области 1. В зависимости от окончательных конфигураций остаточной завихренности, можно влиять на коэффициент CL создаваемой корпусом направленной вверх или вниз подъемной силы. Для этой конфигурации, если конформный вихрегенератор, встроенный в рабочую поверхность, изменяется в противоположном направлении (т.е. левосторонний конформный вихрегенератор становится шире при наблюдении со стороны вершины), это также вносит положительный эффективный, вызванный циркуляцией вклад подъемной вихревой силы в вихревой след и увеличивает коэффициент CL. Следует отметить, что снижение лобового сопротивления из-за реламинаризации пограничного слоя конформного вихрегенератора изменяется за счет уменьшенных сдвигов местоположения вихря, но все еще остается эффективным между кончиками конформного вихрегенератора, поскольку по существу те же самые на единицу ширины области входа массовые потоки, в которые возобновлена подача энергии, возникают в пограничном слое. Прохождение измененных пар концевых вихрей влияет на потоковую завихренность, генерируемую непосредственно в соседних утолщающихся областях пограничного слоя и, таким образом, изменяют обладающую подъемной силой завихренность, суммированную по этим областям.[00105] In FIG. Figure 3 shows an example of an asymmetric
[00106] На фиг. 1с показан увеличенный вид детали узла конформного вихрегенератора. Показанный на чертеже треугольник с вершинами А, В, С, является одним из примеров конформного вихрегенератора, имеющего V-образную форму, который действует в качестве одиночного устройства для срезания приходящего пограничного слоя шириной А-В, перемещения срезанной нижней массы текучей среды пограничного слоя назад вдоль обеих ступеней А-С и В-С и выталкивания этой массы в форме двойных вихрей, протекающих назад от кончика С. Если конформные вихрегенераторы используются в качестве дополнительного устройства, например, в системе для защиты от эрозии передней кромки вертолетной лопасти, то минимальный целесообразный элемент конформного вихрегенератора может быть секцией конформного вихрегенератора с шириной А-В и может включать конформные вихрегенераторы, расположенные в зоне разрежения и в рабочей поверхности, постоянно прикрепленные вокруг секции передней кромки, которые могут быть использованы в качестве комбинированной матрицы множества из указанных основных конструкций конформного вихрегенератора. В технологических целях конформные вихрегенераторы обычно изготовляют в матрицах множества комбинированных секций кончиков конформного вихрегенератора, которые могут быть установлены рядом на аэродинамическом корпусе для изменения потоков. Целесообразно уменьшенные зазоры между установленными элементами конформного вихрегенератора имеют минимальные эффекты по сравнению с эффективностью конформного вихрегенератора и усовершенствованиями характеристик. Кроме того, эти увеличенные матрицы конформных вихрегенераторов выполнены удобными для обращения с ними, а также их применения и встраивания в них выравнивающих особенностей и слоев, которые будут указывать износ, поскольку они истираются в потоках текучей среды.[00106] In FIG. 1c shows an enlarged view of a detail of a conformal vortex generator assembly. The triangle with vertices A, B, C shown in the drawing is one example of a conformal vortex generator having a V-shape, which acts as a single device for cutting an incoming boundary layer of width AB, moving the cut-off lower fluid mass of the boundary layer back along both steps A-C and B-C and pushing this mass in the form of double vortices flowing back from the tip C. If conformal vortex generators are used as an additional device, for example, in a protection system If you are from erosion of the leading edge of the helicopter blade, then the minimum suitable element of the conformal vortex generator may be a section of the conformal vortex generator with a width of AB and may include conformal vortex generators located in the rarefaction zone and in the working surface, permanently attached around the leading edge section, which can be used as a combined matrix of the set of the indicated main structures of the conformal vortex generator. For technological purposes, conformal vortex generators are usually produced in matrices of a plurality of combined sections of the ends of the conformal vortex generator, which can be mounted side by side on the aerodynamic body to change flows. Appropriately reduced gaps between the installed elements of the conformal vortex generator have minimal effects compared to the efficiency of the conformal vortex generator and performance improvements. In addition, these enlarged matrices of conformal vortex generators are made convenient for handling them, as well as their application and incorporation into them of leveling features and layers that will indicate wear, as they are abraded in the fluid flows.
[00107] На фиг. 1a показаны индивидуальные элементы конформного вихрегенератора как исключительно треугольные, но этот пример приведен только для простоты изложения, и фактически улучшенные характеристики могут быть получены с использованием по существу заостренной формы краев ступени, такой, которая используется в NACA для утопленных воздухозаборников с низкими потерями. Эти воздухозаборники NACA также вырабатывают краевые вихри, замедляющие входные потоки, но имеют незначительно отличающуюся геометрическую форму и не монтируются в матрицы для уменьшения профильного сопротивления или возобновления подачи энергии в пограничный слой, а также имеют высоту ступеней, во много раз превышающую глубину локального пограничного слоя, так что совершенно не похожи на предложенный новый интегрированный конформный вихрегенератор, за исключением того, что в нем используются вихри и геометрические формы, оптимизированные с точки зрения гидрогазодинамики потока.[00107] In FIG. 1a, the individual elements of the conformal vortex generator are shown to be exceptionally triangular, but this example is provided only for ease of presentation, and in fact improved performance can be obtained using the substantially pointed shape of the step edges, such as that used in NACA for recessed low-loss air intakes. These NACA air intakes also produce edge vortices that slow down the input flows, but have slightly different geometric shapes and are not mounted in matrices to reduce the profile resistance or resume the energy supply to the boundary layer, and also have step heights many times greater than the depth of the local boundary layer. so that they are completely different from the proposed new integrated conformal vortex generator, except that it uses vortices and geometric shapes, optimizing nnye from the viewpoint of fluid dynamics stream.
[00108] Заостренная форма конформного вихрегенератора отличается от треугольной формы ступенчатых линий при приближении к кончикам за счет типичного продолжения расположенного немного выше по течению потока места и более острого угла по сравнению с линией треугольной ступени. Такая форма увеличивает протяженность доступной расположенной выше по течению потока поверхности, аккумулирующей образованный ступенькой вихрь, ограниченный этой задающей местоположение обращенной назад ступенью. Масса приходящего разделенного на полосы потока текучей среды накапливается вдоль всей наклонной ступени, так что задние секции включают большую массу и имеют тенденцию к увеличению размера вихря и повышению скорости, а также имеют тенденцию к повышенному врастанию в приходящие потоки текучей среды. Если образованный ступенькой вихрь намного вырастает из срезанной массы текучей среды, в этих локальных участках он будет иметь тенденцию к воздействию на переливающиеся несрезанные образованные ступенью потоки, которые подвергают эту первичную структуру 25 образованного ступенькой вихря повышенному разрушению и проявляют тенденцию к удлинению наружных слоев образованного ступенькой вихря или к нежелательному разбиению образованного ступенью вихря на несколько компонентов. Образованный ступенью вихрь 25, показанный в разрезе на фиг. 2с, вызывает небольшое расширение вверх, подчеркивающее влияние этого локального вихря, превышающего высоту ступени и размер ее геометрической формы.[00108] The pointed shape of the conformal vortex generator differs from the triangular shape of the stepped lines when approaching the tips due to the typical continuation of the location located slightly upstream and a sharper angle compared to the line of the triangular step. This shape increases the length of the surface accessible upstream of the stream, accumulating a vortex formed by a step, limited by this location-defining backward-facing step. The mass of the incoming stripped fluid stream accumulates along the entire inclined stage, so that the rear sections include a large mass and tend to increase the size of the vortex and increase the speed, and also tend to increase ingrowth into the incoming fluid flows. If the vortex formed by the step grows much from the sheared mass of the fluid, in these local areas it will tend to act on the iridescent uncut steps formed by the step, which subject this
[00109] Это означает, что согласно некоторым из вариантов реализации предпочтительным является дополнительное обеспечение профилированного паза 13 для расширения образованного ступенью вихря в оптимальном месте ниже любого из путей образованного ступенью вихря для размещения в нем указанного расширения образованного ступенью вихря за счет накопления массы текучей среды. Такая конструкция позволяет избежать лишнего выпячивания наружу растущего диаметра образованного ступенью вихря, создающего препятствие для несрезанных переливающихся потоков и вызывающего потерю энергии этих потоков, которые вновь сближаются с поверхностью в качестве нового пограничного слоя ниже по ходу потока для данной высоты ступени. В кончиках конформного вихрегенератора эти расширяющие пазы (или любые профилированные канавки) могут сливаться или проходить параллельно в направлении от ступеней и могут быть продолжены на некоторую величину в направлении по ходу потока в форме паза 14 для продолжения концевого вихря и создания направляющей для потоковых пар концевых вихрей для уменьшения деформирования более высоких потоков текучей среды. Это усовершенствование для расширения вихря позволяет ступени с данной высотой разделять увеличенную массу приходящих потоков текучей среды, тем самым обеспечивая возможность более интенсивной реэнергизацию пограничного слоя и концевых вихрей ниже по ходу потока. В отношении аэродинамической поверхности или аэро/гидродинамической поверхности учитываются структурные воздействия указанных удалений материала, но во многих случаях изготовление объемных поверхностных структур, например, штамповкой может улучшить секционное инерциальное поперечное сечение, жесткость и поверхностные механические свойства. Образованный ступенью вихрь 25 имеет определенное количество вторичных потоковых структур и завихрений, таких как верхняя образованная ступенью вихревая структура 30 и образованные ступенью завихрения 32, уравнивающие срезание, которые действуют для уравнивания инерциальных и срезающих сил.[00109] This means that, according to some of the embodiments, it is preferable to additionally provide a profiled
[00110] Добавление дополнительной ступенчатой срезающей направляющей секции 35 в качестве оптимально сформированного и увеличенного ребра обеспечивает возможность дополнительного подавления образованных ступенью уравнивающих срезание завихрений 32 и уменьшения потерь потока от завихрений или вторичных вихрей, а также облегчает задание края пространственного срезания для направленного назад расширения образованного ступенью вихря 25 в условиях с изменяющимся числом Рейнольдса.[00110] Adding an additional stepwise
[00111] Согласно другим вариантам реализации конформного вихрегенератора может быть применен сменный добавочный материал системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора, такой как эластомер, пластик, смола, металл, металлическая пленка, покрытая керамикой подложка, углеродное волокно, углерод-углеродная, карбидокремниевая или металловолоконная матрица или керамикоматричный композит (CMC), или другая комбинация материалов, для выполненной из композитного или стеклопластикового материала, или металла вертолетной роторной лопасти или передней кромки крыла и т.п., причем пазы 13 и 14 расширения могут быть формованы или встроены в аэродинамическую поверхность или поверхность корпуса в ступенях конформного вихрегенератора, расположенного любой зоне, например, зоне разряжения или рабочей зоне, наряду с регистрационными отметками конформного вихрегенератора и ступенями частичных высот. Затем в механический регистр может быть добавлена присадочная пленка системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора поверх описанных выше встроенных элементов конформного вихрегенератора для создания комбинированных особенностей ступени и функциональных средств конформного вихрегенератора. Стеклопластиковая (композитная) поверхность или, например, металлическая роторная лопатка или передняя кромка аэродинамической поверхности крыла/передняя кромка неподвижной аэродинамической поверхности могут иметь указанные новые особенности, встроенные с использованием любого способа изготовления в переднюю кромку, но в этом случае, поскольку эрозия и повреждение краски от пыли и дождя и т.п. представляют собой существенную проблему, комбинации интегрированных конформных вихрегенераторов с дополнительными и допускающими замену в условиях эксплуатации добавочными конформными вихрегенераторами являются предпочтительными для защиты поверхностей передней кромки для поддерживания слоистого или низкотурбулентного потока с низким энергопотреблением.[00111] According to other embodiments of the conformal vortex generator, interchangeable additive material of a system can be used to protect the conformal vortex generator from erosion, such as an elastomer, plastic, resin, metal, metal film, ceramic-coated substrate, carbon fiber, carbon-carbon, silicon carbide or metal fiber matrix or ceramic matrix composite (CMC), or other combination of materials, made of a composite or fiberglass material, or metal of a helicopter rotor blade or wing leading edge, etc., wherein
[00112] Конформные вихрегенераторы, каскадированные в ограниченном аэродинамическом пространстве, обычно могут не обеспечивать наилучшие комбинированные преимущества из-за взаимных помех вихрей. Не разнесенные должным образом, в частности, на вращающейся поверхности, вихри и потоки нуждаются в жестком пространственном управлении для предотвращения взаимных помех, или в разделении в направлении потока для минимизации нарушений нормальной работы. Взаимодействия вихревых следов от расположенных выше по течению потока статоров, роторов и других источников переходных возмущений не вызывают серьезных ухудшений рабочих характеристик, поскольку они представляют собой намного более значительные структуры чем концевые вихри конформного вихрегенератора и обычно расположены с наружной стороны пограничного слоя, причем потоки могут распространяться поверх нескольких уменьшенных элементов конформного вихрегенератора, которые могут "собирать" или поглощать этот вихрь, вращательную или импульсную энергию текучей среды, поскольку они могут работать эффективно за пределами критических значений числа Рейнольдса. Измеренная циклическая вибрация и нелинейное полиномиальное (NP) среднеквадратическое уменьшение напряжения на вертолетных лопатках, составляющее приблизительно 30% по всему пространству полетных режимов, доказывают, что конформные вихрегенераторы могут работать очень эффективно при больших циклических экстремальных значениях углов атаки и возмущений потока.[00112] Conformal vortex generators cascaded in a confined aerodynamic space may not usually provide the best combined benefits due to mutual vortex interference. Vortices and streams that are not properly spaced apart, in particular on a rotating surface, need tight spatial control to prevent mutual interference, or separation in the direction of flow to minimize disturbances in normal operation. The interactions of the vortex traces from the upstream flow of stators, rotors, and other sources of transient disturbances do not cause serious performance degradation, since they are much more significant structures than the end vortices of the conformal vortex generator and are usually located on the outside of the boundary layer, and the flows can propagate on top of a few reduced conformal vortex generator elements that can “collect” or absorb this vortex, rotational sludge and pulsed energy of the fluid, since they can operate efficiently beyond the critical Reynolds number. Measured cyclic vibration and non-linear polynomial (NP) rms voltage reduction on helicopter blades, which is approximately 30% over the entire space of flight modes, prove that conformal vortex generators can work very efficiently at large cyclic extreme values of angles of attack and flow disturbances.
[00113] Следует отметить, что управляемое количество массы текучей среды нижней части пограничного слоя эффективно отделяется от входного поверхностного потока (и отклоняется в парах концевых вихрей конформного вихрегенератора), и это в сущности является целью активных систем управления пограничным слоем в зоне разрежения, в которых используются пористые аэродинамические поверхности, а также края или прорези полосовых ступеней, расположенных в зоне разрежения. Множество известных активных систем были отвергнуты из-за проблем, вызванных закупоркой отверстий, так что конформные вихрегенераторы, используемые в этой зоне для управления пограничным слоем, расположены выше с добавлением концевых вихрей конформного вихрегенератора для повышения эффективности управления поверхностью, а также для уменьшения аэродинамического сопротивления. Использование добавочных конформных вихрегенераторов на передней кромке аэродинамических поверхностей с глубокой хордой, подобных крылу перед элеронами самолета Пайпер ПА-31 Навахо, которые улучшают орган управления элеронов при срыве потока с крыла, понижают скорости остановки воздушного судна и увеличивают маршевую скорость. Это может служить примером невращающегося потока текучей среды, подобно статору структуры "турбина низкого давления/компрессор/компрессор низкого давления", в то время как несущий винт вертолета или воздушный винт / несущетянущий винт самолета представляет собой пример управления вращающимся потоком текучей среды, подобно, роторной лопатке структуры турбина низкого давления/компрессор/компрессор низкого давления, но с различным коэффициентом заполнения, относительным удлинением и т.п., в которой используются конформные вихрегенераторы с длинами ступени, с оставляющими приблизительно 20 мм, и высотами ступени 300-500 мкм для хорд аэродинамической поверхности приблизительно 180 мм, но эти значения не являются ограничивающими и зависят от числа Рейнольдса и геометрической формы.[00113] It should be noted that the controlled amount of fluid mass of the lower part of the boundary layer is effectively separated from the input surface flow (and deviates in the pairs of end vortices of the conformal vortex generator), and this is essentially the goal of active boundary layer control systems in the rarefaction zone, in which porous aerodynamic surfaces are used, as well as the edges or slots of the strip steps located in the rarefaction zone. Many well-known active systems were rejected due to problems caused by plugging holes, so that the conformal vortex generators used in this zone to control the boundary layer are located higher with the addition of end vortices of the conformal vortex generator to increase surface control efficiency and also to reduce aerodynamic drag. The use of additional conformal vortex generators at the leading edge of aerodynamic surfaces with a deep chord, similar to the wing in front of the ailerons of the Piper PA-31 Navajo aircraft, which improve the control of ailerons when the flow is disrupted from the wing, reduce the stopping speed of the aircraft and increase the cruising speed. This can serve as an example of a non-rotating fluid flow, similar to the low pressure turbine / compressor / low pressure compressor stator, while a helicopter rotor or an airplane propeller / rotor is an example of a rotary fluid control, similar to a rotary the blade structure of a low-pressure turbine / compressor / low-pressure compressor, but with a different fill factor, elongation, etc., which use conformal vortex generators with step lengths of about 20 mm leaving and step heights of 300-500 μm for chords of the aerodynamic surface of about 180 mm, but these values are not limiting and depend on the Reynolds number and geometric shape.
[00114] Согласно другому интегрированному способу управления потоком в комбинации с интегрированными конформными вихрегенераторами, которые дополнительно могут быть использованы на роторных и статорных лопатках турбины низкого давления, необходимо использовать струи потока текучей среды для введения или добавления импульса в поток текучей среды и пограничный слой в области ступеней конформного вихрегенератора или после нее. Эти струи могут быть активированы источником давления текучей среды как известные синтетические струи, или могут быть текучей средой рабочей аэродинамической поверхности, собранной вокруг области повышенного давления или матрицы 11 конформного вихрегенератора нижней поверхности, с соответствующим прохождением сквозь матрицу путей, каналов и камер повышенного давления к поверхности на стороне зоны разрежения.[00114] According to another integrated flow control method in combination with integrated conformal vortex generators, which can be additionally used on rotor and stator vanes of a low pressure turbine, it is necessary to use fluid stream jets to introduce or add momentum to the fluid stream and the boundary layer in the region steps of a conformal vortex generator or after it. These jets can be activated by a source of fluid pressure as known synthetic jets, or they can be a fluid of a working aerodynamic surface collected around a pressure region or a conformal
[00115] На фиг. 2с в разрезе показан направленный назад наклонный струйный канал 37 для ввода текучей среды и/или измерительное отверстие, которое может передавать потоки текучей среды с соответствующими давлением и расходом из инжекционной камеры 38 повышенного давления к выходной поверхности 2. Добавление полости 36 инжекции потока текучей среды с небольшим лобовым сопротивлением в поверхности позади обращенных назад краев 24 ступени и расположение между кончиками конформного вихрегенератора являются дополнительными особенностями, которые улучшают характеристики потока текучей среды. Добавление струи текучей среды таким направленным назад наклонным способом (с дополнительным выходом в профилированную полость) обеспечивает преимущество, состоящее в том, что часть направленного вниз вектора скорости выходного высокоэнергетичного потока 23 используется для подавления струйного отслаивания при выдувании под высоким давлением и при высоких отношениях импульсов потока, а также способствует распространению реактивного потока текучей среды в боковом направлении и в направлении потока. Контурная форма и отклонение выходного потока текучей среды из инжекционной полости 36 для текучей среды обеспечивают возможность добавления энергии реактивной инжекционной текучей среды в самые нижние участки пограничного слоя вблизи поверхности для облегчения дополнительной реэнергизации пограничного слоя (подобно известному эффекту Коанда или способам выдува через щель), и усовершенствованные характеристики состоят в том, что имеются минимальные разность/срез скорости и турбулентность в сливающемся выходном высокоэнергетичном потоке 23. Преимущество объединения конформного вихрегенератора с инжекционной струей или всасывающим отверстием состоит в том, что эта структура конформного вихрегенератора с присущим ей снижением аэродинамического сопротивления эффективно используется с увеличением расхода потока для дополнительного улучшения характеристики потока текучей среды.[00115] In FIG. 2c, a cross-sectional view shows a backwardly
[00116] Поскольку направленный назад наклонный струйный канал 37 для инжекции текучей среды расположен ниже выходного высокоэнергетичного потока 23, динамическое давление здесь ниже, чем давление в застойном пограничном слое на самых низких уровнях, так что расчетный струйный массовый объем потока текучей среды может быть эффективно обеспечен с использованием пониженных давлений в инжекционной камере 38. Поток пониженного давления и большая объемная емкость благодаря влиянию нисходящего выходного высокоэнергетичного потока 23 обеспечивают возможность использования струйного канала 37, имеющего увеличенный размер, для инжекции текучей среды, который меньше подвержен риску блокирования мусором. Также возможным, но не обязательным, является использование определенного количества струйных каналов 37 для инжекции текучей среды, выполненных с возможностью подачи к поверхности или в одну или большее количество полостей 36 для инжекции потока текучей среды, расположенных между кончиками конформного вихрегенератора, так чтобы больший поток текучей среды мог распространяться в боковом направлении, и в другие дополнительные и резервные струйные отверстия, также доступные и активные в случае, если некоторые из отверстий окажутся блокированными мусором.[00116] Since the backwardly inclined
[00117] Это усовершенствование за счет струйного режима потока использует дополнительную энергию потока текучей среды и может быть применено для облегчения управления отделением пограничного слоя и аэродинамическим сопротивлением, причем инжекционную камеру 38 повышенного давления может питать канал 39 для передачи текучей среды от рабочей поверхности, расположенный в точке 40 захвата текучей среды с низким лобовым сопротивлением, оптимально приближенной к критическим точкам высокого давления в точке 12 минимума конформного вихрегенератора, встроенного в рабочую поверхность, или питание инжекционной камеры может быть осуществлено за счет отбора фильтрованного воздуха из компрессора или вспомогательных источников воздуха, или даже могут быть использованы способы нулевого массового расхода, подобные пульсирующему акустическому источнику давления.[00117] This improvement due to the jet regime of the flow uses additional energy of the fluid flow and can be applied to facilitate control of the separation of the boundary layer and aerodynamic drag, moreover, the
[00118] Использование точки 40 захвата текучей среды с небольшим лобовым сопротивлением в качестве источника текучей среды соответствующего давления является примером полезного сообщения по текучей среде поверхностей различных частей объемной структуры для потока текучей среды, причем размеры канала и камеры повышенного давления выбраны с возможностью обеспечения точно измеренных потоков текучей среды в отношении к перепадам давлений. Если дополнительная энергия потока текучей среды для струй извлекается из источника текучей среды, давление которого изменяется в соответствии с поверхностным потоком или расходом двигателя и условиями скорости при изменениях, выходящих за пределы расчетных режимов и значений числа Рейнольдса, то импульс струйной текучей среды в общем будет сопровождать указанные изменяющиеся значения числа Рейнольдса, не нуждаясь в дополнительном потоке или регулировании давления для предотвращения струйного отслаивания, которое может происходить, если для возбуждения струи используется источник потока текучей среды с фиксированным или неизменяющимся давлением. Такой отбор текучей среды от рабочей поверхности эффективно действует в качестве активного управления пограничным слоем путем всасывания на рабочей поверхности.[00118] The use of a low-drag
[00119] На вращающейся аэродинамической поверхности или поверхности корпуса канал 37 для струйной инжекции текучей среды могут быть соединен с инжекционной камерой 38 повышенного давления бандажированным или ступенчатым входным каналом, который выполнен с возможностью ориентации немного наружу в точке начала камеры повышенного давления, для общего отклонения тяжелой пыли и обломков, проникающих снаружи в камеры повышенного давления и не вызывающих увеличенного изменения угла или пути отклонения, а также входа в сопла и их блокирования. Эти отделенные силой инерции пыль и мусор в общем перемещаются наружу в центростремительной среде (или под действием давления/импульса потока в случае аэродинамической поверхности статора) и затем дополнительно выбрасываются из соответствующего концевого отверстия 41 отклоняющей камеры рядом с задней кромкой. Концевое отверстие 41 отклоняющей камеры может быть увеличенным и может использовать центростремительные ускоряющие силы для управления самоочисткой путем частичного блокирования выпускного отверстия при полной рабочей скорости (без лишней траты впустую потоков текучей среды), и когда роторная лопатка замедляется при холостом ходе, простой управляемый силой механизм может открывать этот самоочищающийся канал в максимальной степени и обеспечивать возможность выброса больших скоплений частиц, в придачу к промывающему потоку текучей среды, протекающему сквозь ступени турбины.[00119] On the rotating aerodynamic surface or the surface of the casing, the
[00120] Имеющий небольшое лобовое сопротивление локальный источник напорной текучей среды, взятой посредством канала 39, для передачи текучей среды из имеющей небольшое лобовое сопротивление точки 40 забора текучей среды вокруг матрицы 11 нижнего конформного вихрегенератора, встроенного в рабочую поверхность, выполнен с возможностью выброса имеющих высокий импульс и энергию мусора или пыли, и т.п., перемещающихся мимо в более высокие потоки пограничного слоя.[00120] Having a small frontal resistance, a local source of pressure fluid taken through the
[00121] Альтернативная конфигурация рабочей поверхности для струйного выдувания (в отличие от струйного источника текучей среды или всасывания пограничного слоя) может быть создана путем выполнения в рабочей поверхности заборных каналов 39 для текучей среды, расположенных в имеющей небольшое лобовое сопротивление точке 40 захвата текучей среды в заднем направлении в качестве варианта канала 37 для струйной инжекции текучей среды, подаваемой второй инжекционной камерой 38 под повышенным давлением, отделенной от камеры повышенного давления, подающей струи текучей среды в зону разрежения. Такая конструкция позволяет отдельно сконфигурированному струйному источнику текучей среды под давлением, например, из компрессора с фильтром подавать воздух для повышения способности отделения пограничного слоя рабочей поверхности.[00121] An alternative configuration of the working surface for jet blowing (as opposed to the jet source of fluid or suction of the boundary layer) can be created by making
[00122] Эти способы подачи под давлением и струйного дутья дополнительно улучшают импульс пограничного слоя ниже по ходу потока как для зоны разряжения, так и для рабочей поверхности, и в качестве дополнительной альтернативы должны обеспечивать сообщение по текучей среде полости 36 для инжекции потока текучей среды, инжекционной камеры 38 повышенного давления и т.п. с всасывающим источником текучей среды для извлечения дополнительной массы низкоэнергетичной текучей среды из области между кончиками конформного вихрегенератора для последующего создания пограничного слоя с увеличенным импульсом ниже по ходу потока.[00122] These pressure and jet blasting methods further improve the boundary layer momentum downstream for both the discharge zone and the working surface, and as an additional alternative, should provide fluid communication for the
[00123] Например, вместо круглых отверстий для канала 37 для струйной инжекции текучей среды могут быть выбраны прорези или другие имеющие объемную форму проводящие поток структуры, и выбранный способ учитывает трудность изготовления и механическую целостность аэродинамической поверхности или лопатки. Инжекционная камера 38 повышенного давления может быть выполнена в нескольких раздельных расположенных по размаху крыла секциях, питающих отдельные области конформного вихрегенератора, для обеспечения того, что обращенные к центру вращения индуцированные градиенты давления не оставляют без достаточного питания области внутренней полости 36 для инжекции потока текучей среды конформного вихрегенератора и не перевозбуждают самые наружные области полости 36 для инжекции потока текучей среды конформного вихрегенератора. Размеры канала 37 для струйной инжекции текучей среды могут быть изменены вдоль размаха лопатки также для измерения и выравнивания неравномерности потоков инжекции текучей среды, вызванной градиентами давления. Удаление массы материала из областей рядом с корпусом или осевой линией аэродинамической поверхности для формирования и изготовления инжекционной камеры (камер) 38 повышенного давления почти не уменьшает инерцию секции или прочность на изгиб, но снижает вес лопатки, турбины и двигателя.[00123] For example, slots or other volumetric flow-conducting structures may be selected instead of round openings for the
[00124] На фиг. 3 показана лопатка турбины низкого давления, соединенная основанием 1 со стенкой 45 ступицы турбины с использованием скругления 49 стенки, и показаны другие возможные комбинированные варианты реализации конформного вихрегенератора. Позиционным номером 20 обозначены удлиненные V-образные секции конформного вихрегенератора в матрице. Позиционным номером 42 обозначен кончик конформного вихрегенератора, который зажат назад в направлении размаха лопатки для расширения разделения пар концевых вихрей. Лопатка также включает увеличенное количество пограничного слоя, имеющего ширину встроенного кончика и способного протекать и смешиваться непосредственно с парами концевых вихрей, которые обертывают струи пограничного слоя и усиливают их.[00124] In FIG. 3 shows a blade of a low pressure turbine connected by a
[00125] Позиционным номером 43 обозначен кончик конформного вихрегенератора, также модифицированный для создания двух более широких разделенных пар вихрей, вращающихся в противоположных направлениях. Согласно данному варианту реализации дополнительный набор остроугольных уменьшенных и встроенных ступеней конформного вихрегенератора генерируют уменьшенные концевые вихри, вращающиеся в противоположных направлениях, ограниченные большеразмерными наружными концевыми вихрями. Такая структура позволяет расширить область, на которую влияют и которую обрабатывают два первичные и два вторичные потоковые концевые вихри.[00125]
[00126] Позиционным номером 44 обозначен другой вариант реализации кончика, который создает два первичных концевых вихря, частично проходящих ниже ступени конформного вихрегенератора, и содержит кончики уменьшенной ширины в вершине конформного вихрегенератора, которые генерируют два уменьшенные вторичные концевые вихря.[00126]
[00127] Во всех этих случаях имеющие стянутую ширину ступени конформного вихрегенератора, расположенного вдоль размаха лопатки, точно управляют массовым потоком в каждой из вихревых структур, в результате чего обеспечена возможность управления потоком. Структуры и матрицы конформного вихрегенератора могут быть расположены вдоль периметра объемных межлопаточных проходов решетки турбины низкого давления и на входных поверхностях подобно стенной матрице 46 конформных вихрегенераторов для улучшения аэродинамического сопротивления ротора или статора и потоков. Во вращающейся среде роторной лопатки последовательные каскады конформных вихрегенераторов ухудшают характеристики аэродинамического сопротивления из-за контакта вихря с наклонными вторичными потоками, но могут быть использованы на статоре в многокаскадной форме с оптимальным разделением и смещениями, или в некоторых случаях в других целях, таких как вторичные модификации разделения потока.[00127] In all of these cases, the steps of the conformal vortex generator arranged along the span of the blade having the tightened width, precisely control the mass flow in each of the vortex structures, as a result of which the flow can be controlled. The structures and matrices of the conformal vortex generator can be located along the perimeter of the volumetric interscapular passages of the low pressure turbine lattice and on the input surfaces like the
[00128] Симметричный или асимметричный второй конформный матричный вихрегенератор 47 (ступенчато заглубленный в корпус) в задней кромке 5 может быть использован на любой всасывающей и/или рабочей поверхностях для изменения вихревых следов лопатки и улучшения подъемной силы/завихренности, поскольку они расположены полностью и непосредственно на поверхности перед выходными потоками задней кромки. В случае ротора они меньше подвержены вредному влиянию во вращающейся среде, чем конформные вихрегенераторы, примененные, например, в качестве второго ряда вблизи матрицы 6 или 11 верхнего конформного вихрегенератора.[00128] The symmetric or asymmetric second conformal matrix vortex generator 47 (stepped into the housing) in the trailing
[00129] Платформы хвостовика лопатки, поверхности с постоянным радиусом и объемные передающие поток структуры, а также обтекатели в корневых концах межлопаточных проходов и возможные торцевые соединения концов также могут иметь преимущества реламинаризации пограничного слоя посредством конформного вихрегенератора с результирующим понижением аэродинамического сопротивления и также уменьшение разделений потока, индуцированных вторичными потоками, подобными вихрю межлопаточного прохода и т.п.[00129] Vane shank platforms, constant radius surfaces and volumetric flow-transmitting structures, as well as fairings at the root ends of the interscapular passages and possible end connections of the ends can also have the benefits of relaminarizing the boundary layer by means of a conformal vortex generator with a resulting reduction in aerodynamic drag and also reducing flow divisions induced by secondary flows similar to an interscapular vortex, etc.
[00130] Концы кончиков "индикатора" турбины низкого давления или наружные поверхности концевого бандажа часто являются абразивными и расширяются при интенсивных изменениях рабочих температур, и выполнены с возможностью иногда входить в контакт и абразивным способом очищать пути кончиков роторных лопаток, проходящих с небольшим зазором мимо поверхностей бандажа концевого уплотнения и контура двигателя. В результирующих зазорах роторных кончиков при высоких температурах возникают большие перепады давлений и вторичные концевые потоки, причем поверхность бандажных элементов концевого уплотнения содержит пограничный слой и вторичные потоки текучей среды, которые проносятся мимо с высокими относительными окружными скоростями.[00130] The ends of the tips of the "indicator" of the low pressure turbine or the outer surfaces of the end brace are often abrasive and expand with intensive changes in operating temperatures, and are made with the ability to sometimes come into contact and abrasively clean the paths of the ends of the rotor blades passing with a small gap past the surfaces End seal and motor loop brace. In the resulting gaps of the rotor tips at high temperatures, large pressure drops and secondary end flows occur, and the surface of the end seal retaining elements contains a boundary layer and secondary fluid flows that pass by at high relative peripheral speeds.
[00131] В поверхностях торцов кончиков "индикатора" турбины низкого давления или наружного концевого бандажа может быть использована встроенная матрица 48 конформного вихрегенератора с концевыми частями, с кончиками, ориентированными в направлении по ходу потока, в локальном относительном направлении потока текучей среды, и такая конструкция обеспечивает возможность удаления и выброса соседнего низкоэнергетичного пограничного слоя бандажа и реэнергизации для уменьшения потерь и аэродинамического сопротивления конструкции бандажа и кончика. Концевые вихри, образованные матрицей 48 конформного вихрегенератора с концевыми частями, протекают в сторону рабочей поверхности перепада давлений на концах лопаток, и образованный ступенью вихрь находится на пути потоков, образованных концом лопатки, для разрушения концевого вихря лопатки, организованного в форме более когерентной и мощной структуры потока.[00131] In the surfaces of the ends of the tips of the "indicator" of a low pressure turbine or an external end brace, an integrated conformal
[00132] Лопатки ступени турбины, поверхности и проходы также имеют увеличенные площади обтекаемых поверхностей в потоках текучей среды с утолщением потоков граничного слоя на всасывающей и нагнетающей поверхностях текучей среды, так что интегрированная реламинаризация граничного слоя конформного вихрегенератора действует для снижения профильного сопротивления и потерь потока текучей среды, а также для уменьшения дефицитов импульса вихревого следа. Интенсивность, прилипание потока к поверхности и скорости концевых вихрей конформного вихрегенератора позволяют создать новый механизм, который обеспечивают возможность непрерывного и быстрого восстановления присоединенных потоков после периодических происходящих выше по ходу потока возмущений вихревого следа. Это также относится к любым другим проходным сечениям, таким как ступени компрессора, камеры сгорания, воздуховоды и т.п.[00132] The turbine stage vanes, surfaces and passages also have increased streamlined surface areas in the fluid flows with thickening of the boundary layer flows on the suction and discharge surfaces of the fluid, so that the integrated relaminarization of the boundary layer of the conformal vortex generator acts to reduce the profile resistance and loss of fluid flow environment, as well as to reduce the deficit momentum of the vortex wake. The intensity, adhesion of the flow to the surface, and the velocity of the end vortices of the conformal vortex generator allow us to create a new mechanism that provides the possibility of continuous and fast recovery of the attached flows after periodic disturbances of the vortex wake occurring upstream of the flow. This also applies to any other flow areas, such as compressor stages, combustion chambers, air ducts, etc.
[00133] Методы проектирования лопаток для турбин низкого давления, описанные в настоящей заявке, могут быть использованы для оптимизации новых газотурбинных конструкций и конфигураций, проходов в роторах, статорах и воздуховодах с низкими аэродинамическим сопротивлением и потерями потока и энергии текучей среды, повышенной потоковой надежностью, расширенным диапазоном отклонений от рабочих условий, пониженным коэффициентом заполнения и увеличенным углом поворота струи на ступень.[00133] The design methods of the blades for low pressure turbines described in this application can be used to optimize new gas turbine structures and configurations, passages in rotors, stators and ducts with low aerodynamic resistance and loss of flow and fluid energy, increased flow reliability, an extended range of deviations from operating conditions, a reduced duty cycle and an increased angle of rotation of the jet per stage.
[00134] Согласно другому варианту реализации эти новые лопатки согласно настоящему изобретению могут быть сконфигурированы с пониженными потерями, вызванными аэродинамическим сопротивлением, и могут применяться как "конструктивно-совместимые" элементы обновления, согласующие геометрию сопряжения и углы потока в ступенях существующих турбин во время сервисного обновления для обеспечения усовершенствованных характеристик аэродинамического сопротивления двигателя и пониженных потерь энергии в пределах существующих инвестиций в двигатель с большим ресурсом службы. Таким образом, несмотря на то, что новые конструкции турбин низкого давления с встроенными конформными вихрегенераторами могут использовать преимущества конформного вихрегенератора согласно настоящему изобретению, также могут быть осуществлены "конструктивно-совместимые" лопатки турбины низкого давления, которые точно устанавливаются и функционируют, и которые заменяют известные лопатки в пределах существующей решетки ступени турбины низкого давления, такой, как например, турбовентиляторный двигатель CFM-56, для расширения пределов улучшения отделения потока с низкими числами Рейнольдса и уменьшения аэродинамического сопротивления, улучшения удельного расхода топлива существующих инвестированных двигателей. Роторные и статорные лопатки турбины низкого давления являются одной из самых низкорискованных областей модернизации в турбовентиляторном двигателе.[00134] According to another embodiment, these new vanes according to the present invention can be configured with reduced losses caused by aerodynamic drag, and can be used as “structurally compatible” update elements matching the geometry of the mating and flow angles in the stages of existing turbines during a service update to provide improved aerodynamic drag characteristics of the engine and reduced energy losses within the existing engine investment tel with a long service life. Thus, while new designs of low pressure turbines with integrated conformal vortex generators can take advantage of the conformal vortex generator according to the present invention, “structurally compatible” low pressure turbine blades that are accurately installed and function, and which replace the known vanes within the existing low pressure turbine stage grill, such as, for example, the CFM-56 turbofan engine, to expand the limits mproving branch flow with low Reynolds numbers and reduce aerodynamic drag, improve specific fuel consumption engines existing invested. The rotor and stator blades of a low-pressure turbine are one of the most low-risk areas of modernization in a turbofan engine.
[00135] Альтернативно, эти варианты реализации матрицы конформного вихрегенератора и чертежи могут быть использованы в других подобных областях, связанных с потоком текучей среды, таких как, например, лопатки ветровых турбин (подобные описанным у Godsk '259), или воздушный винт, у которого угол атаки срыва и рабочие габариты могут быть увеличены без увеличения аэродинамического сопротивления, и фактически лопатка и потери энергии на поверхности могут быть уменьшены. Даже при том что конструкция аэродинамической поверхности, аспектное отношение и коэффициент заполнения и т.п. являются различными в указанных перечисленных вариантах реализации решетки турбины низкого давления, встроенные конформные вихрегенераторы также могут быть выполнены в этих поверхностях, управляющих потоком текучей среды.[00135] Alternatively, these conformal vortex generator matrix embodiments and drawings may be used in other similar areas related to fluid flow, such as, for example, wind turbine blades (similar to those described by Godsk '259), or a propeller in which the stall angle of attack and the working dimensions can be increased without increasing aerodynamic drag, and in fact the blade and energy loss on the surface can be reduced. Even though the design of the aerodynamic surface, aspect ratio and fill factor, etc. are different in the above listed embodiments of the lattice of a low pressure turbine; integrated conformal vortex generators can also be made in these surfaces that control the flow of fluid.
[00136] Осевой компрессор. Ступени осевого компрессора обычно сконструированы с намного более тонкими и острыми краями, высокоскоростными околозвуковыми аэродинамическими корпусами (не в стиле створчатого гасителя реакции) для обеспечения максимальных коэффициента сжатия и передачи импульса в потоки текучей среды на каждой ступени. Эти аэродинамические поверхности или секции лопаток могут иметь преимущества, обеспеченные применением встроенного конформного вихрегенератора тем же самым общим способом, как описано выше для аэродинамических поверхностей турбины низкого давления. Способность расширения угла атаки срыва ротора и статора осевого компрессора в расчетных углах поворота расширяет границы помпажной характеристики компрессора (а также уменьшает срыв с поверхности и отделение) и повышает устойчивость к возмущениям потока, вызывающим массивные каскадные разделения потока в последующих ступенях. Турбина низкого давления или другие ступени турбины не проявляют значительную подверженность действию указанного нежелательного каскадного разделения или помпажного механизма осевых компрессоров.[00136] An axial compressor. Axial compressor stages are usually designed with much thinner and sharper edges, high-speed transonic supersonic aerodynamic bodies (not in the style of a flow damper) to ensure maximum compression and momentum transfer to the fluid flows at each stage. These aerodynamic surfaces or sections of the blades may have the benefits of using the integrated conformal vortex generator in the same general way as described above for the aerodynamic surfaces of a low pressure turbine. The ability to expand the angle of attack of the stall of the rotor and stator of the axial compressor in the calculated rotation angles expands the boundaries of the surge characteristic of the compressor (and also reduces the stall from the surface and separation) and increases the resistance to flow disturbances, causing massive cascade splitting of the flow in subsequent stages. The low pressure turbine or other stages of the turbine do not exhibit significant exposure to the specified unwanted cascade separation or surge mechanism of axial compressors.
[00137] На фиг. 4 показан стилизованный пример изолированного корпуса 50 лопатки осевого компрессора. Ступени компрессора (компрессор низкого давления, компрессор среднего давления и компрессор высокого давления) могут иметь изменяющиеся длины лопатки, сменный хвостовик и диаметры кончика (или "линии компрессора"), выбранные в зависимости от требований площади диска, локального потока и давления. Для аэродинамических поверхностей ротора и статора используются немного различные геометрические формы, поскольку статоры действуют в качестве диффузоров для восстановления давления ступени, но конформные вихрегенераторы могут быть использованы подобным образом во всех этих управляющих потоком текучей среды поверхностях и обеспечивают преимущества, подобные описанным для ступеней турбины низкого давления.[00137] In FIG. 4 shows a stylized example of an
[00138] Всасывающая матрица 51 конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор, интегрирована или изготовлена за одно целое с передней частью зоны разрежения аэродинамической поверхности, и данная структура сконструирована с возможностью преобразования доли энергии приходящего невозмущенного потока в области входного угла поворота в пару интенсивных концевых вихрей конформного вихрегенератора, вращающихся в противоположных направлениях, которые перемещаются назад от матрицы кончиков 53 всасывающего конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор, и которые могут обеспечить управление разделением на засасывающей поверхности подобно традиционному вихревому генератору, который не может быть использован как имеющий небольшое лобовое сопротивление или уменьшающий аэродинамическое сопротивление в этих условиях вращающейся массы потока текучей среды. Подобным образом, матрица 52 нагнетающего конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор, интегрирована или выполнена за одно целое с передней частью рабочей аэродинамической поверхности, и эта структура сконструирована с возможностью преобразования доли энергии приходящего невозмущенного потока текучей среды в области входного угла поворота в пару интенсивных концевых вихрей конформного вихрегенератора, вращающихся в противоположных направлениях, которые перемещаются назад от матрицы кончиков 54 нагнетающего конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор.[00138] The
[00139] Встроенный конформный вихрегенератор может иметь варианты реализации, показанные на фиг. 4, которые представляют собой в общем повторяющийся шаблон симметричных заостренных треугольных форм и могут быть сконфигурированы и изменены тем же самым способом, как описано выше в отношении обработки поверхности турбины низкого давления и вариантов реализации ступеней и общих геометрических форм конформного вихрегенератора, с расположением поперек размаха лопатки, в торцах и обтекателях межлопаточных проходов. Опциональные пазы 55 расширения образованного ступенью вихря, пазы 56 расширения концевого вихря и ступенчатая срезающая направляющая 57 могут быть интегрированы в обе поверхности для повышения производительности образованного ступенью вихря, как описано выше для ступеней турбины низкого давления.[00139] The integrated conformal vortex generator may have the embodiments shown in FIG. 4, which are a generally repeating pattern of symmetrical pointed triangular shapes and can be configured and modified in the same manner as described above with respect to surface treatment of a low-pressure turbine and options for implementing steps and general geometric shapes of a conformal vortex generator across the blade span , at the ends and fairings of the interscapular passages.
[00140] Границы помпажа или отделения потока расширены добавлением встроенных конформных вихрегенераторов, существенно расширяющих способность угла атаки срыва аэродинамической поверхности, с усовершенствованиями потока текучей среды, подробно описанными в отношении ступеней турбины низкого давления, наряду с улучшением характеристик ламинарного течения и снижением лобового сопротивления. Возможны дальнейшие усовершенствования компрессора путем использования уникальной способности конформных вихрегенераторов обеспечивать способность введения потока текучей среды с небольшим лобовым сопротивлением в самые нижние уровни пограничного слоя, в частности, в расположенных ниже по ходу потока областях засасывающей поверхности, подверженных нежелательному уменьшению скорости потока под действием градиента давления и пузырей отделения потока.[00140] The boundaries of surge or flow separation are expanded by the addition of built-in conformal vortex generators that greatly expand the ability to break off the aerodynamic surface, with fluid flow improvements described in detail with respect to low-pressure turbine stages, along with improved laminar flow characteristics and reduced drag. Further improvements of the compressor are possible by using the unique ability of conformal vortex generators to provide the ability to introduce a fluid flow with a small frontal resistance into the lowest levels of the boundary layer, in particular, in areas of the suction surface located downstream, subject to an undesirable decrease in the flow velocity under the influence of the pressure gradient and flow separation bubbles.
[00141] Для простоты изложения показан только один полный пример дополнительной полости 58 для инжекции текучей среды, оптимально встроенной и сконфигурированной между кончиками конформного вихрегенератора, причем указанная полость питается соответствующими потоками энергизированной текучей среды из объемного наклонного канала 59 для струйной инжекции текучей среды с заданным давлением и массовым расходом для добавления увеличенного количества энергии в пограничный слой ниже по ходу потока. Такая конструкция использует преимущество исходного нисходящего вектора выходного высокоэнергетичного потока, протекающего поверх ступеней конформного вихрегенератора, для предотвращения струйного отслаивания и для минимизации любых подковообразных или почковидных вихрей у передней кромки при высоких отношениях выдувания и импульса потока, а также способствует распространению струйного потока текучей среды в боковом направлении и в направлении потока. Поперек всасывающей аэродинамической поверхности могут быть распределены множество полостей 58 для инжекции текучей среды и каналов 59 для струйной инжекции текучей среды, которые могут сообщаться с источником инжекционной текучей среды под давлением, например, инжекционной камерой 60 повышенного давления. Канал 61 для передачи текучей среды и имеющее небольшое лобовое сопротивление устройство 64 для сбора текучей среды может сообщаться по текучей среде с инжекционной камерой 60 повышенного давления и/или каналом 63 для сбора, расположенным в области кончика, для обеспечения локального струйного источника текучей среды. Средства для увеличения струй и потока текучей среды в камере повышенного давления сконфигурированы тем же самым способом, что и ступени турбины низкого давления. Вхождение текучей среды из другого возможна, например, с использованием инжекционной камеры 60 повышенного давления, соединенной в хвостовике или кончиках лопатки с дополнительным струйным источником текучей среды, такой как, например, воздух, отбираемый от расположенного ниже по ходу потока ступенчатого компрессора, который также может быть дополнительно предварительно охлажден для увеличения плотности текучей среды.[00141] For simplicity of presentation, only one complete example of an additional
[00142] Матрица 62 конформного вихрегенератора, снабженного концевыми элементами, эквивалентная матрице 48 встроенного конформного вихрегенератора с концевыми элементами для турбины низкого давления, может быть использована в кончиках, обращенных к элементам концевого уплотнения бандажа компрессора, не смотря на то, что сечения лопаток являются очень тонкими.[00142] The
[00143] Эти усовершенствования осевых компрессоров в общем отражают способы и конфигурации, описанные для ступеней турбины низкого давления, и обеспечивают комбинации: расширенных границ сопротивления помпажа, увеличенных степеней сжатия на ступень, увеличенных углов поворота, менее дорогих ступеней компрессора со значительно уменьшенным весом. Поскольку компрессор потребляет приблизительно 60% энергии, расходуемой двигателем, повышение эффективности этих ступеней оказывает большое влияние на общий КПД двигателя и удельный расход топлива двигателя.[00143] These axial compressor improvements generally reflect the methods and configurations described for the low pressure turbine stages and provide combinations of: extended surge resistance limits, increased compression ratios per stage, increased rotation angles, less expensive compressor stages with significantly reduced weight. Since the compressor consumes approximately 60% of the energy consumed by the engine, increasing the efficiency of these stages has a big impact on the overall efficiency of the engine and the specific fuel consumption of the engine.
[00144] Ступень вентилятора: решетки вентилятора обычно работают в условиях значительно пониженных температур, в отличие, например, от решеток турбин высокого давления/турбин низкого давления (ТВД/ТНД), и имеют увеличенные размеры, могут потребовать использования конформных вихрегенераторов с увеличенной высотой ступеней и не обязательно должны иметь такие же тонкие сечения передней кромки, как у лопаток компрессоров низкого давления (КНД) или компрессоров высокого давления (КВД). На фиг. 5 показаны подробности обводов типичной засасывающей поверхности 70 лопасти известного вентилятора, защищенный в областях передней кромки от эрозии посредством присоединенной полосы 71 из титана или другого металла, которая представляет собой систему для защиты от эрозии передней кромки и которую обычно устанавливают и выравнивают в области передней кромки лопатки. Для минимизации возмущений потока металлический переход 72 системы для защиты от эрозии по существу выполнен вровень с краем соединения перехода, но при использовании открываются неизбежные микрощели, вызывающие образование нежелательного пограничного слоя, ухудшающего потенциальные возможности, и эрозионный мусор, проникающий в эти микрощели перехода, имеет тенденцию к разрушению защитной краски и материала на поверхности лопатки позади передней кромки, что может дополнительно ухудшать критические характеристики ламинарного потока в течение длительного времени и уменьшать энергетическую отдачу решетки вентилятора.[00144] Fan stage: fan grids usually operate at significantly lower temperatures, unlike, for example, high pressure turbine / low pressure turbine (HPD) turbines and have larger dimensions, they may require the use of conformal vortex generators with increased step heights and do not have to have the same thin sections of the leading edge as the blades of low-pressure compressors (LPC) or high-pressure compressors (HPC). In FIG. 5 shows details of the contours of a
[00145] На чертеже обработанная лопатка 73 конформного вихрегенератора показана со стороны напорной поверхности с накладкой 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора, которая может быть прикреплена поверх существующей немодифицированной детали 70 и 71 без других модификаций лопатки, обычно требующихся для известной решетки лопастей вентилятора. Эта накладка 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора используется на обеих всасывающей и нагнетающей поверхностях для: снижения лобового сопротивления лопасти вентилятора и входного вращающего момента, а также мощности двигателя, требующейся для данной тяги; обеспечения более высокого угла атаки срыва для улучшенной динамической реакции и повышенного сопротивления дестабилизации потока в условиях, выходящих за пределы расчетных режимов; снижения сверхзвуковых ударных нагрузок потока текучей среды и потерь в законцовках лопасти вентилятора (путем использования концевых вихрей конформного вихрегенератора для дестабилизации взаимодействий скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) в областях разделений скачка уплотнения, имеющего раздвоенное основание (lambda-foot)), и уменьшения эрозии лопатки с использованием расходуемого и альтернативно выполненного с возможностью замены в полевых условиях сменного элемента. Использование концевых вихрей конформного вихрегенератора для дестабилизации механизмов и явлений взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) в областях разделений скачка уплотнения, имеющего раздвоенное основание, является осуществимым на всех других аэродинамических поверхностях, поверхностях лопаток и корпуса, омываемого потоком текучей среды, при любых осуществимых скоростях потока текучей среды и числах Рейнольдса, которые индуцируют достаточную завихренность, с одновременным обеспечением расширенного угла атаки и снижением лобового сопротивления за счет реламинаризации.[00145] In the drawing, a machined conformal
[00146] Накладка 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора работает при проектных высотах ступени, и это означает, что выходной высокоэнергетичный направленный назад поток поверх ступеней конформного вихрегенератора протекает над последующей расположенной после ступени поверхностью 75, и даже при исходной направленности вниз вектора потоков в области после ступени, мусор и песок и т.п., имеющие более высокие плотность и импульс, чем, например, поток текучей среды, подобной воздуху, не будут иметь достаточной энергии, чтобы повернуть вниз, но будут продолжать свою траекторию и будут подвержены действию вторичных потоков и центробежных направленных наружу сил и будут беспрепятственно подниматься над более тонким корпусом лопатки. Этот эффект уменьшенной поверхностной эрозии краски и материалов позади ступеней виден на аэродинамических поверхностях и поверхностях корпуса, оснащенных конформными вихрегенераторами.[00146] The
[00147] Накладка 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора добавочного типа может быть изготовлена из эластомера, пластика, металла, материала с керамическим покрытием, углеродного волокна, углерод-углеродного, матрицы карбидо-кремниевого или металлического волокна или керамического матричного композита (CMC) или другого материала с необходимой механической и термической прочностью, который может быть обработан любым способом обработки для аэродинамического соответствия существующей передней кромке лопатки с последующим прикреплением к лопатке или поверхности аэродинамического корпуса. Накладка 74 может быть выполнена в форме одиночного элемента конформного вихрегенератора, но в случае длиннопролетных и криволинейных передних кромок лопатки конформных вихрегенераторов дополнительно могут быть изготовлены из секций, имеющих различные геометрические формы, которые должны плавно переходить в соседние секции. Любым неоднородностям потока текучей среды лопатки необходимо придать обтекаемую форму перед добавлением конформного вихрегенератора получения улучшенных результатов.[00147] The
[00148] Использование асимметричных или имеющих различны тангаж и геометрические формы структур конформного вихрегенератора обеспечивает возможность изменения модифицирующего поток действия конформного вихрегенератора поперек пролета лопатки, так что, например, в областях последующей локализованной генерации скачка уплотнения тангаж конформного вихрегенератора может быть более тонким вокруг этого места для генерирования концевого вихря, имеющего повышенную плотность элементов струи концевого вихря для различения эффектов взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем, и без исключительного сосредоточения только на оптимизации снижения лобового сопротивления. Сокращение ударных нагрузок потока текучей среды, действующих на корпус, обеспечивает возможность уменьшения потерь энергии и/или увеличения диапазона рабочих режимов и проектных рабочих состояний наружной поверхности.[00148] The use of conformal vortex generator structures with asymmetric or different pitch and geometric shapes makes it possible to change the flow modifying action of the conformal vortex generator across the span of the blade, so that, for example, in areas of subsequent localized generation of the shock wave, the conformal vortex generator pitch may be thinner around this place for generating an end vortex having an increased density of the elements of the end vortex jet to distinguish between interaction effects ystviya shock boundary layer, and not the exclusive focusing only on optimization of drag reduction. Reducing the shock loads of the fluid flow acting on the housing provides the opportunity to reduce energy losses and / or increase the range of operating modes and design operating conditions of the outer surface.
[00149] Вновь спроектированная аэродинамическая поверхность лопастей вентилятора или поверхности корпуса теперь могут быть сконфигурированы по-другому, без линейных защитных углублений в передней кромке для компонентов известной системы для защиты от эрозии и с получением всех преимуществ усовершенствований конформного вихрегенератора. Известные металлические секции системы для защиты от эрозии передней кромки могут быть более плотными, чем материал корпуса лопатки, в результате чего может быть обеспечена некоторая экономия веса перед применением накладки 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора для получения преимуществ конформных вихрегенераторов. Другой выбор новый конструкции должен иметь матрицу конформного вихрегенератора, встроенного на частичную высоту ступени в объем передней кромки, который затем перекрывается при монтаже согласованной сменной накладкой 74, которая в данном случае может быть более тонкой и легкой.[00149] The newly designed aerodynamic surface of the fan blades or the surface of the casing can now be configured differently without linear protective recesses in the leading edge for components of the known erosion protection system and with all the benefits of conformal vortex generator improvements. Known metal sections of the leading edge erosion protection system may be denser than the material of the blade body, as a result of which some weight savings can be achieved before applying the system cover 74 to erosion protection of the conformal vortex generator to take advantage of the conformal vortex generator. Another choice of the new design should have a conformal vortex generator matrix integrated at a partial step height into the front edge volume, which then overlaps during installation with a matched
[00150] Вентиляторные лопасти новой конструкции также могут обеспечить преимущество из опциональных добавленных комбинаций: пазы 76 для расширения образованного ступенью вихря, пазы 77 для расширения концевого вихря, ступенчатая срезающая направляющая 78 и полость 83 для инжекции потока текучей среды с источником потока текучей среды под давлением, камерой повышенного давления и соплами и т.п., как, например, для лопатки турбины низкого давления. Все эти элементы показаны в качестве одиночных примеров на фиг. 5b, расположенные на напорной поверхности, и/или также они могут быть применены на засасывающих поверхностях. Эти пазы и структуры обеспечивают возможность использования маркировки для монтажа и выравнивания конформного вихрегенератора и, в качестве варианта, обеспечивают более значительные усовершенствования на более широких хордах лопасти без необходимости чрезмерного увеличения высот ступеней, а также толщины и веса конформного вихрегенератора, и, кроме того, обеспечивают возможность дополнительного управления разделением впридачу к перечисленным выше преимуществам, в частности, путем использования накладки 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора и/или любых дополнительных ступенчатых структур встроенного конформного вихрегенератора. Эти пазы и структуры также минимизируют влияние высоты ступени на аэродинамическую поверхность ниже по ходу потока или аэродинамическую конструкцию поверхности корпуса.[00150] The newly designed fan blades can also provide the advantage of the optional combinations added:
[00151] Комбинация встроенного конформного вихрегенератора и полосы для защиты от эрозии, которая снижает лобовое сопротивление лопасти вентилятора и входной вращающий момент лопатки, например, приблизительно на -10%, обеспечивает значительное улучшение удельного расхода топлива и повышение эффективности, поскольку диск современного вентилятора обычно имеет более холодную в 5-10 раз перепускную выходную тяговую форсунку, чем тяговая форсунка секции.[00151] The combination of a built-in conformal vortex generator and an erosion protection strip that reduces the drag of the fan blade and the input torque of the blade, for example, by about -10%, provides a significant improvement in specific fuel consumption and increased efficiency, since a modern fan disk usually has 5-10 times cooler bypass outlet traction nozzle than section traction nozzle.
[00152] Сменный и абляционный компонент системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора комбинации конструкции передней кромки также лучше защищает последующую поверхность лопатки и является предпочтительным, поскольку в результате накапливающегося износа передней кромки дестабилизируются потоки текучей среды и пограничный слой в одной из самых чувствительных частей лопатки, так что замена по результатам осмотра является обязательной.[00152] A removable and ablative component of the system for protecting the conformal vortex generator of the leading edge design combination also better protects the subsequent surface of the blade and is preferred because the accumulated wear of the leading edge destabilizes fluid flows and the boundary layer in one of the most sensitive parts of the blade, so replacement by inspection is mandatory.
[00153] Обработанная лопатка 73 новой конструкции, снабженная конформным вихрегенератором, может содержать симметричную или асимметричную матрицу 79 конформного вихрегенератора задней кромки, встроенную в заднюю часть хорды перед задней кромкой (с кончиками, обращенными назад), причем заглубление ступени встроенного конформного вихрегенератора в поверхность не ставит под нежелательную угрозу прочность корпуса, распределение массы, границы флаттера и аэроупругость в этой тонкой области задней кромки, подверженной действию высоких напряжений. На рабочей поверхности корпуса потоки текучей среды могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы не разделяться до сближения или касания с задней кромкой, так что конформные вихрегенераторы, размещенные в этой области, обеспечивают импульс потока текучей среды, который утолщает пограничный слой, но который является достаточно умеренным для взаимодействия с пограничным слоем при расчетных высотах ступени, ограниченных толщиной поверхности области задней кромки. Расположенная выше по течению потока накладка 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора формирует концевые вихри, которые в общем расширяются при достижении области задней кромки и немного выталкиваются наружу матрицей 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, из-за высокоуровневых центростремительных вторичных потоков и влияния конформного вихрегенератора. В этом случае, близком к условию Кутта-Жуковского на задней кромке, которое задает и управляет слиянием структуры потока текучей среды следа корпуса, оторвавшиеся расположенные выше по течению потока струи концевого вихря конформного вихрегенератора не получают возможности нежелательного вращения вдоль размаха лопатки до их включения в векторные интегралы завихренности вихревого следа задней кромки, что приводит к эффективному подъему корпуса, заданному циркуляцией. Матрица 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, добавляет энергизированные струи концевого вихря почти непосредственно в вихревой след задней кромки, так что дополнительное использование формы асимметричного конформного вихрегенератора обеспечивает возможность прямого суммирования вектора завихренности, который согласует подразумеваемое направление следа вихря, образованного кончиком вихрегенератора, комбинированной создаваемой корпусом подъемной силы, или напротив, которое обеспечивает возможность модификации геометрически управляемого коэффициента CL создаваемой корпусом подъемной силы, в частности, при низких углах атаки, аддитивно от любой из нагнетающей поверхности и всасывающей поверхности. Таким образом, конформные вихрегенераторы могут быть использованы для влияния на вихревые следы потока текучей среды корпуса. Эти усовершенствованные способы защиты от эрозии конформного вихрегенератора и комбинации усовершенствований характеристик также имеют большое значение, интегрированное в концепции турбовентиляторов с открытым ротором, несущие винты вертолетов и традиционные лопасти воздушных винтов, которые совместно используют диапазон концепций потока текучей среды и методологи конструирования.[00153] The processed
[00154] Расположение этой новой матрицы 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, отличается от того, что описано у Gliebe '240, Fritz '488, Vijgen '665, Shibata '436, Young '319, Balzer '106, и т.п., поскольку это компактная неотъемлемая поверхностная структура, и обработка происходит полностью внутри протяженности корпуса и перед исходной задней кромкой корпуса и действует для: уменьшения потерь потока текучей среды пограничного слоя между обращенными назад кончиками конформного вихрегенератора (в отличие от известных неоптимизированных неповерхностных вихрей, которые индуцируют только потери энергии вихря), увеличения смешивания потока вихревого следа для уменьшения шума потока с одновременным использованием существенно уменьшающей аэродинамическое сопротивление структуры, изменения циркуляции подъемной силы, создаваемой корпусом, и может быть сконфигурирована независимо на нагнетающей поверхности и на засасывающей поверхности. Обращенные назад кончики матрицы 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, могут быть расположены и смещены таким образом, что они вырабатывают струи концевых вихрей из кончиков всасывающей и нагнетающей поверхностей, которые затем эффективно образуют встречно-гребенчатую структуру только за пределами задней кромки и вызывают минимальное взаимное влияние перед суммированием в завихренность вихревого следа задней кромки.[00154] The location of this new conformal
[00155] В засасывающих поверхностях может использоваться матрица 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, но эффективность уменьшается при увеличенных углах атаки, что индуцирует утолщенные направленные назад области пограничного слоя, которые имеют низкую энергию, или пузыри отрыва потока или отделение потока текучей среды. Эти усовершенствования конформного вихрегенератора в общем могут быть использованы при любом вращении и с повышенной эффективностью на невращающихся аэродинамических поверхностях и поверхностях корпусов в потоках ньютоновской текучей среды тем же самым способом для получения преимуществ, описанных выше в настоящей заявке.[00155] In suction surfaces, a conformal
[00156] Сечения хорды законцовки лопасти вентилятора являются достаточно толстыми для использования матрицы 82 конформного вихрегенератора с концевыми элементами, эквивалентными концевым элементам интегрированной матрицы 48 конформного вихрегенератора для турбины низкого давления, в области кончиков, обращенных к бандажу концевого уплотнения вентилятора. Кроме того, температурные изменения зазора между кончиком вентилятора и бандажом меньше чем у турбинных секций, и конформные вихрегенераторы с концевыми элементами облегчают управление потоком пограничного слоя контура обтекателя на поверхностях, близких к кончикам вентилятора.[00156] The sections of the chord of the tip of the fan blade are thick enough to use the
[00157] В отношении различных конструкций аэродинамической поверхности или корпуса предпринимаются множественные попытки использования известных триммеров Герни для изменения коэффициента CL и отношения CL к Cd, а также уменьшения отношения Cd, но теоретическая работа имеет тенденцию к неправильному предсказанию воздействия триммеров, приложенных к аэродинамическим поверхностям и аэродинамическим корпусам в потоке ньютоновской текучей среды при допустимых значениях числа Рейнольдса. Эластомерный увеличивающий подъемную силу триммер eLET 80, выполненный в форме объемного блока, на чертеже показан встроенным приблизительно в середине пролета рабочей поверхности снабженной конформным вихрегенератором лопатки 73 рядом с задней кромкой. Следует отметить, что триммер eLET 80 обычно лучше всего встраивать в области ширины пролета от 15% до 30% полного пролета, но это не является ограничением, и применять триммер во внутреннем от конца участке вращающегося корпуса, где скорость потока текучей среды и подъемная сила являются существенными. Триммер eLET 80 обычно выполнен в форме блока, лопасти или конструкции из двух лопастей на высоте между 0,5% и 3% ширины местной хорды, но это значение не является ограничением. Отступ триммера eLET 80 от задней кромки составляет приблизительно от 0% до 500% высоты устройства, и наилучшие результаты в общем для отступа обычно составляют - 100% высоты устройства.[00157] With respect to various designs of the aerodynamic surface or the hull, numerous attempts have been made to use the known Gurney trimmers to change the coefficient C L and the ratio C L to C d , as well as to reduce the ratio C d , but theoretical work tends to incorrectly predict the impact of the trimmers applied to aerodynamic surfaces and aerodynamic bodies in a stream of Newtonian fluid at acceptable values of the Reynolds number. The elastomeric lift-increasing
[00158] Триммер eLET 80 при использовании генерирует вдоль размаха крыла набор интенсивных вихрей вращающегося в противоположных направлениях, пакетированных и захваченных между триммером eLET 80 и частью края задней кромки. Эти поперечные вихревые струи действуют на потоки, образованные задней кромкой засасывающей поверхности и имеют тенденцию к отклонению этих потоков вниз после задней кромки и изменению локальных условий Кутта-Жуковского в секции размаха крыла. Дополнительное нисходящее ускорение потока текучей среды за задней кромкой предпочтительно изменяет градиент нежелательного восстановления давления засасывающей поверхности (путем уменьшения толщины турбулентной области пограничного слоя и аэродинамического сопротивления) и также эффективно увеличивает угол атаки местной хорды и подъемную силу.[00158] The
[00159] Триммер eLET 80 осуществлен в форме гибкого и прочного, имеющего небольшую массу эластомерного материала, который почти не добавляет лишнюю массу в заднюю часть и секции задней кромки аэродинамической поверхности или корпуса и уменьшает устойчивость и границы флаттера, а также эффективно является механически "прозрачным" в отношении основного корпуса в области задней кромки. Кроме того, из-за аэроупругих явлений и колебательных динамических режимов лежащей под триммером безусловно гибкой аэродинамической поверхности, такой как воздушные винты, роторы или лопатки, несоответствующая масса, добавленная в область задней кромки, не может надежно удерживаться без распределенных и несосредоточенных локальных адгезионно связывающих вызванных сдвигом сил, которые позволяют адгезивам полностью распределять нагрузку, вызванную силами интенсивного ускорения, распределенными по всей площади поверхности крепления, и не сосредотачивать их в точках возрастающего скольжения. По этим причинам несовместимые материалы (т.е. неэластомерные) являются нежелательными для добавления в данную неблагоприятную среду, и если эти несовместимые материалы все-таки добавлены, они создают центр колебательных напряжений и вызывают проблемы сгибания для нижележащего корпуса, в результате чего интенсивно накапливается усталость материала корпуса. Изготовление расширяющейся задней кромки (DTE), имеющей подобную конструкцию, сталкивается с теми же самыми практическими общераспространенными трудностями.[00159] The
[00160] Секции уменьшенной длины одного или большего количества триммеров eLET 80 обеспечивают, чтобы обычно нежелательные захваченные по размаху лопасти вихревые струи имели выпускное отверстие расширения, когда они накапливаются и должны терять массу потока текучей среды, что обычно происходит при скорости приблизительно 1600 Гц, которая обычно считается диагностической акустической сигнатурой потоков текучей среды при использовании триммера eLET 80 и которая подчеркивает новаторское значение дополнительных путей для вихревых струй при использовании сегментированной или секционированной прикладной стратегии. Дополнительное усовершенствование каждого триммера eLET 80 состоит в выполнении частичных секционных разрезов, в основном направленных вдоль хорды сквозь блок таким образом, чтобы механическое повреждение было ограничено подсекцией, для эффективного обеспечения функциональных средств для ограничения разрыва.[00160] The reduced length sections of one or more eLET 80 trimmers ensure that normally unwanted sweep blades swirl jets have an expansion outlet when they accumulate and must lose mass flow of fluid, which usually occurs at a speed of approximately 1600 Hz, which commonly considered a diagnostic acoustic signature of fluid flows when using the
[00161] Небольшой угол во внутреннем конце или наружном конце конструкции триммера eLET 80 позволяет направлять выходные потоки вихревой струи в предпочтительном направлении сбрасывания с любого конца корпуса при объединении с вихревым следом задней кромки с добавлением к интегрированным векторам вихря или вычитанием из интегрированных векторов вихря, генерирующим чистую циркуляцию корпуса и подъемную силу. Небольшой изгиб назад с обеих сторон, например, от центра корпуса триммера eLET 80 обеспечивает возможность управления обтекаемым сбрасыванием вихревой струи и ее уравновешиванием в вихревом следе задней кромки как геометрической относительной частью масс потока текучей среды, обработанных триммером eLET 80, в то время как центральный поперечный вихрь увеличивает скос потока вниз для повышения подъемной силы.[00161] A small angle at the inner end or the outer end of the
[00162] Следует отметить, что триммер eLET 80 может использоваться с накладкой 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора или матрицы 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, или без накладки 74, но по причинам динамической устойчивости предпочтительно использовать триммер в комбинации по меньшей мере со способом использования конформного вихрегенератора и накладки 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора. Матрица 79 конформного вихрегенератора для задней кромки может быть применена перед триммером eLET 80 или может быть использована в секциях между элементами триммера eLET 80. На фиг. 5b показана конфигурация двух примеров матрицы 79 конформного вихрегенератора для задней кромки между одним примером триммера eLET 80, который не является ограничением, но указывает, что конформные вихрегенераторы могут быть сконфигурированы в части пролета или поверхности в комбинации с другими особенностями.[00162] It should be noted that the
[00163] Триммер 81, снабженный разгружающим кончиком, показан как уменьшенный триммер, установленный в снабженной кончиком задней кромке засасывающей поверхности 70 лопатки, который может быть добавлен для уменьшения подъемной силы угла атаки секции хорды на этом участке аэродинамической поверхности и действует для значительного изменения концевого вихря аэродинамической поверхности, в частности, на открытой лопатке, которая не представляет большого препятствия для концевого вихря, который протекает от нагнетающей поверхности к засасывающей поверхности. В случае вертолетных роторных лопастей этот вариант триммера действует для увеличения нагрузки по всему размаху лопасти внутри высоко нагруженных кончиков, причем уменьшенный и задержанный локальный концевой вихрь меньше подвержен сбрасыванию в дисковые потоки и созданию нагрузок, вызванных силами переходного процесса, возмущений и акустических сигнатур в результате взаимодействия вихря лопасти (BVI). Загрузка на внутреннюю часть диска также уменьшает некоторую часть подъемного изгибающего момента и деформационных нагрузок, действующих вдоль размаха лопасти на структуру аэродинамической поверхности.[00163] A
[00164] Вихри, индуцированные по размаху крыла в поверхности области входа передней ступени передней кромки триммера eLET 80, тесно согласованы посредством вихрей поверхности задней ступени, так что существует неожиданно оказавшееся минимальным результирующее направленное вдоль хорды давление или нагрузка, созданная направленной назад силой, на триммер eLET 80 для проверки прочности адгезивной связи при значительных скоростях ударного потока текучей среды и значениях числа Рейнольдса. Входные и выходные вихревые струи вдоль размаха лопасти приблизительно уравновешивают и эффективно защищают упругие массы задней кромки от ожидаемых динамических ударных давлений, созданных приходящими скоростными потоками текучей среды. Следствием является то, что первичная проверка адгезива происходит при интенсивных радиальных ускорениях. Испытание на винтах воздушного судна в общем подтверждает подобные свойства материала и возможные улучшения характеристик, например, уменьшение удельного расхода топлива на крейсерской скорости составляет от 12 галлонов в час до 10 галлонов в час (45,4-37,9 л), что эквивалентно примерно 18% экономии энергии, например, с использованием комбинации двигателя Lycoming IO-540 и воздушного винта Hartzell (VP) с изменяемым шагом.[00164] The vortex induced by the wing span in the surface of the front step entrance region of the leading edge of the
[00165] Эластомерный материал, примененный для триммера eLET 80 при таких высоких ускорениях и скоростях потока текучей среды, является новым и парадоксальным по сравнению с уровнем техники, однако имеются очевидные усовершенствования и новые свойства, которые указывают, что практическое использование этого материала является допустимым. В случае обледенения поверхности во время полета материал триммера eLET 80 является податливым и обеспечивает возможность переходного наращивания и постоянного сбрасывания льда, поскольку нагрузки в данном случае превышают связывающую силу почти тонких слоев замерзшей влаги, так что максимальная опасность для конструкции проистекает от сбрасывания льда с передней кромки посредством внутренних противообледенительных систем, которые непрерывно сбрасывают небольшие скопления, прежде чем они смогут оказывать значительное влияние на характеристики воздушного винта. Совместимость, обоснованная деформация и упругие характеристики восстановления формы, а также терпимые приемлемые прикладные методологии секционных разрезов, ограничивающих повреждение, для триммера eLET 80 обеспечивают возможность применения новых конструкционных структур на аэродинамической поверхности и поверхностях корпуса, таких как лопатки, роторы, диски вентиляторов и воздушные винты и т.п.[00165] The elastomeric material used for the
[00166] Входной направляющий аппарат позади ступени вентилятора и перед входным компрессором также может использовать добавочные или встроенные конформные вихрегенераторы для снижения аэродинамическое сопротивления и расширения угла атаки, обеспечивающего механические перемещения входного направляющего аппарата для предотвращения динамического срыва потоков текучей среды. В статорных лопатках, ведущих в холодную секцию и транспортирующих эти де-турбулизирующие выходные холодные потоки в канале вентилятора, также могут быть использованы конформные вихрегенераторы для уменьшения лобового сопротивления и расширения угла атаки. В дополнительных входных направляющих аппарата, например, в выпускных отверстиях компрессора и камеры сгорания и другой аэродинамической оснастке, а также в поддерживающих нагрузку стойках могут быть использованы конформные вихрегенераторы с теми же самыми преимуществами, уже описанными для любой поверхности, омываемой потоком текучей среды.[00166] The inlet guide apparatus behind the fan stage and in front of the inlet compressor can also use additional or built-in conformal vortex generators to reduce aerodynamic drag and expand the angle of attack, providing mechanical movement of the inlet guide apparatus to prevent dynamic stall of fluid flows. In the stator vanes leading to the cold section and transporting these de-turbulent outlet cold flows in the fan channel, conformal eddy generators can also be used to reduce drag and expand the angle of attack. Conformal vortex generators can be used in additional inlet guides of the apparatus, for example, in the outlet openings of the compressor and the combustion chamber and other aerodynamic accessories, as well as in load-supporting racks, with the same advantages already described for any surface washed by the fluid flow.
[00167] Увеличение поверхностного потока из заборных каналов нагнетающей поверхности или другого источника текучей среды, такого как, например, охлажденный отбираемый из компрессора воздух, также может использоваться на вентиляторной лопатке новой конструкции со структурами, эквивалентными инжекционному каналу 37 для струйной текучей среды турбины низкого давления, полости 36 для инжекции потока текучей среды и инжекционной камере 38 повышенного давления, масштабированными для увеличенной лопатки вентилятора для усовершенствования лопатки вентилятора, рабочего угла атаки и характеристики аэродинамического сопротивления, как для каскада турбины низкого давления, описанного выше. Этот способ матрицы встроенного конформного вихрегенератора с увеличивающимися инжекционными каналами для струйной текучей среды также может быть распространен на вертолетные роторные лопасти новой конструкции, воздушные винты и даже неподвижную аэродинамическую поверхность или поверхности крыла с соответствующим масштабированием геометрической формы.[00167] An increase in surface flow from the intake ducts of the injection surface or other fluid source, such as, for example, cooled air drawn from a compressor, can also be used on a new fan blade with structures equivalent to the
[00168] Энергогенератор реактивного двигателя (компрессор, камера сгорания и турбина), в котором используются конформные вихрегенераторы для усовершенствований, может использовать выходную трансмиссионную передачу турбины низкого давления (или подобную ступень для извлечения мощности) для приведения в действие каскада диска вентилятора для тяги струйного холодного воздуховода (как в уровне техники) или для конфигурирования в конфигурации турбовального газотурбинного двигателя для приведения в действие внешних нагрузочных или редукторных устройств, таких как воздушный винт, роторная система, генератор электроэнергии, насос или компрессор, используемых, например, для охлаждения, перекачивания природного газа или химических технологических систем промышленного масштаба, подобных нефтеперерабатывающему заводу.[00168] A jet engine generator (compressor, combustion chamber, and turbine) that uses conformal vortex generators for improvements can use the low-pressure turbine output transmission (or similar stage to extract power) to drive the fan disk cascade for cold jet thrust air duct (as in the prior art) or for configuration in a turboshaft gas turbine engine configuration for driving external load or gearboxes GOVERNMENTAL devices such as a propeller, a rotary system, power generator, pump or compressor, used for example for cooling, pumping natural gas or chemical process systems industrial scale, such refinery.
[00169] Лопатки турбины высокого давления: На фиг. 6а и 6b показана лопатка 90 турбины высокого давления с глубокой секцией реактивной аэродинамической поверхности ковшеобразного типа, которая имеет прикрепленные компоненты или встроенную, интегрированную в верхнюю поверхность матрицу 91 конформного вихрегенератора и интегрированную в нижнюю поверхность матрицу 109 конформного вихрегенератора, которые работают тем же самым способом, как и в лопатке турбины низкого давления, описанной выше, для извлечения энергии из потоков текучей среды, приходящих из камеры сгорания и расположенных выше по течению потока мощных компрессорных или нагрузочных ступеней. Интегрированные конформные вихрегенераторы турбины высокого давления выполнены с возможностью уменьшения аэродинамического сопротивления и расширения угла атаки для уменьшения разделений/турбулентности потока текучей среды и также для снижения тепловых потерь. Интегрированные конформные вихрегенераторы, в основном изготовленные на металлической основе, обеспечивают максимальную прочность лопатки турбины высокого давления, но поскольку могут быть изготовлены многослойные лопатки для турбин высокого давления для обеспечения всех несопоставимых требуемых характеристик, также может быть использована высокотемпературная матрица конформного вихрегенератора для передней кромки с соответствующими объемными конструкциями на основе карбидо-кремниевых или металлических волоконных структур или керамических композитных структур (CMC), взаимно замкнутых в новой конструкции передней кромки турбины высокого давления в решетке.[00169] High pressure turbine blades: FIG. 6a and 6b show a
[00170] Для входных направляющих аппаратов или первого статора турбины высокого давления и первого диска ротора турбины высокого давления температуры на выходе камеры сгорания выше типичных температур плавления сверхпрочного никелевого сплава, так что эти поверхности охлаждаются текучей средой. Охлаждающая сопловая фонтанная головка 93 расположена в передней кромке статорных и роторных лопаток и подает охлажденную текучую среду (обычно отбираемый из компрессора высокого давления (НРС) воздух в охладителе, например, ~650°C) из фонтанной охлаждающей камеры 94 повышенного давления. Фонтанная головка имеет сопла с достаточным наклоном и обеспечивает достаточную массу потока для охлаждения и защиты передней кромки аэродинамической поверхности, и эта текучая охлаждающая среда затем разделяется и протекает вокруг нагнетающей и засасывающей поверхностей для обеспечения дополнительного охлаждения поверхности и отклонения теплового потока и термических нагрузок в вихревой след аэродинамической поверхности. Аэродинамическая поверхность имеет самую низкую локальную температуру, и при перемещении выше в пограничном слое в невозмущенные потоки текучей среды температуры поднимаются ближе к максимальным температурам камеры сгорания. Любая лишняя турбулентность на аэродинамической поверхности или поверхности корпуса, такая как пузыри отделения потока текучей среды и турбулентность отделения, обычно смешивает с охлаждением жаростойкую текучую среду и понижает температуру слоев, а также увеличивает тепловой поток, который должен быть удален для благополучного охлаждения поверхностей.[00170] For the inlet guiding apparatuses or the first stator of the high pressure turbine and the first disk of the high pressure turbine rotor, the temperatures at the exit of the combustion chamber are higher than typical melting temperatures of the heavy-duty nickel alloy, so that these surfaces are cooled by the fluid. The cooling
[00171] Известные аэродинамические поверхности дополнительно охлаждаются посредством обшивки внутренней поверхности, охлаждающейся змеевидными каналами и камерами повышенного давления, которые подают в дополнительные наклонные матрицы охлаждающие струи ниже по ходу потока, а также решетками 107 внутренних штифтов и охлаждающими выходными прорезями 92 в задней кромке. Проблема решается обеспечением достаточной поверхности, обдуваемой охлаждающими потоками текучей среды без струйного отслаивания, которые генерируют достаточную турбулентность и отводят тепло, а также обеспечением эффективного распространения охлаждения и изоляции поверхности от высокотемпературной текучей среды.[00171] Known aerodynamic surfaces are further cooled by lining the inner surface, which is cooled by serpentine channels and pressure chambers, which supply cooling jets downstream to the additional inclined matrices, as well as
[00172] Конформные вихрегенераторы обеспечивают имеющий небольшое лобовое сопротивление способ обеспечения эффективной и хорошо распространенной охлаждающей инжекции текучей среды в самые низкие уровни пограничных слоев, который дополнительно используется для корпусов турбин низкого давления для улучшения управления разделением. Выполненный с наклоном назад инжекционный канал 95 для струйной текучей среды или отверстие для измерений могут передавать охлаждающие потоки текучей среды, например, от инжекционной камеры 104 повышенного давления, охлаждающей верхний конформный вихрегенератор, в полость 96 для инжекции потока текучей среды, выполненную в поверхности позади обращенной назад ступени 97 и расположенную между кончиками 98 конформного вихрегенератора. Добавление таким направленным назад наклонным способом охлаждающей струи текучей среды, выходящей в профилированную полость, обеспечивает преимущество исходного нисходящего вектора скорости выходного высокоэнергетичного потока из ступени конформного вихрегенератора для подавления струйного отслаивания при высоких отношениях количеств движения обдувающего и охлаждающего потока и способствует распространению потока охлаждающей текучей среды в боковом направлении и в самые охлажденные уровни пограничного слоя ниже по ходу потока. Охлаждающая инжекционная камера 106 повышенного давления второго нижнего конформного вихрегенератора также подает охлаждающую текучую среду под повышенным давлением к соседним поверхностям лопатки и элементам инжекционного канала 95 для струйной текучей среды, а также связанным с ними структурам под давлением или матрице 109 конформного вихрегенератора, встроенного в нижнюю поверхность, в местах, расположенных тем же самым способом, как и в засасывающей поверхности турбины высокого давления.[00172] Conformal vortex generators provide a low drag resistance method for providing efficient and well-distributed cooling fluid injection to the lowest levels of boundary layers, which is additionally used for low pressure turbine casings to improve separation control. The inclined
[00173] Для охлаждения массовых потоков образованного ступенью вихря дополнительный охлаждающий инжекционный канал 99 для образованного ступенью вихря может быть расположен у основания точки минимума конформного вихрегенератора. Для добавления дополнительного охлаждения струям концевого вихря конформного вихрегенератора для разгрузки тепловых потоков на поверхностях, расположенных ниже по ходу потока, охлаждающий инжекционный канал 105 концевого вихря может быть включен в основание кончиков 98 конформного вихрегенератора. Другие известные охлаждающие средства, подобные внутренним змеевидным охлаждающим каналам, турбулизаторам, охлаждающему выбросу с задней кромки и кончика "индикатора", а также штифтовым решеткам 107, могут быть использованы в соединении с встроенными конформными вихрегенераторами и потоками во внутреннем проходе и внутренней обшивке для охлаждения поверхностей турбин высокого давления. Эффективное использование оптимизированных охлаждающих потоков текучей среды массы нижнего потока, которые отводят тепловые потоки, улучшает КПД двигателя, поскольку оно оценивает потребляемую компрессором энергию, необходимую для извлечения охлаждающих потоков текучей среды. Для поверхностей в этой ступени турбины высокого давления могут быть использованы любое известные уменьшающие окисление покрытия и другие металлургические способы и сплавы для низкочастотной и высокочастотной ползучести и т.п. Пазы 100 для расширения образованного ступенью вихря, пазы 101 для расширения концевого вихря и ступенчатая срезающая направляющая 102 также могут быть дополнительно встроены (как и в секцию турбины низкого давления) во всасывающие и/или нагнетающие конформные вихрегенераторы в турбине высокого давления для обеспечения возможности регулирования производительности потока массы образованного ступенью вихря, удовлетворяющей требованиям к механической прочности поверхности и размеру конструкции ступени.[00173] To cool the mass flows of the vortex formed by the step, an additional
[00174] Дополнительное освобождение от высокотемпературных потоков может быть обеспечено посредством теплоизолирующего покрытия (ТВС), например, в секциях передней кромки, и эти типичные керамические покрывающие поверхностные слои уменьшают коэффициент теплопроводности поверхности для ослабления тепловых потоков за счет увеличенной массы и риска чешуйчатого отслаивания покрытия, потери защиты и прогорания поверхности. С использованием встроенных конформных вихрегенераторов и струйных/инжекционных полостей, обеспечивающих эффективное средство для охлаждения поверхности и рассеивания тепла, секции аэродинамической поверхности, расположенные ниже по ходу потока ступеней конформного вихрегенератора, с меньшей вероятностью потребуют добавочной массы и сложности увеличенной площади теплоизолирующего покрытия.[00174] Additional exemption from high temperature flows can be achieved by means of a heat insulating coating (FA), for example, in leading edge sections, and these typical ceramic coating surface layers reduce the thermal conductivity of the surface to attenuate heat fluxes due to increased mass and the risk of flaky peeling of the coating, loss of protection and burnout of the surface. Using built-in conformal vortex generators and jet / injection cavities that provide an effective means for cooling the surface and dissipating heat, sections of the aerodynamic surface located downstream of the steps of the conformal vortex generator are less likely to require additional mass and complexity of the increased area of the heat-insulating coating.
[00175] В сочетаниях торцов ротора, статора и обтекателей в поверхностях каскадных проходов и систем трубопроводов также могут быть использованы конформные вихрегенераторы для обеспечения дополнительного имеющего небольшое лобовое сопротивление инжекционного канала для струйной текучей среды, которая охлаждает структуры, относящиеся к аэродинамическим поверхностям, и улучшает охлаждение ниже пограничного слоя в областях нежелательных вторичных потоков, которые являются стойкими к дестабилизации, например, вихрями межлопаточного прохода и т.п. В поверхностях обтекателей могут быть использованы конформные вихрегенераторы с инжекционными каналами для струйной текучей среды, выполненными в этих высокопрофилированных поверхностях. Концевые вихри встроенного конформного вихрегенератора также обеспечивают критерии эффективности управления взаимодействием скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) и быть выполнены с возможностью изменения вихрей в проходах, ударных нагрузок и вторичных потоков.[00175] In combinations of the ends of the rotor, stator, and fairings, conformal vortex generators can also be used on the surfaces of the cascade passages and piping systems to provide an additional low drag drag injection channel that cools structures related to aerodynamic surfaces and improves cooling below the boundary layer in areas of undesirable secondary flows that are resistant to destabilization, for example, interscapular vortices move, etc. Conformal vortex generators with injection channels for jet fluid made in these highly profiled surfaces can be used on the surfaces of fairings. The end vortices of the built-in conformal vortex generator also provide criteria for the effectiveness of controlling the interaction of the shock wave with the boundary layer (SBLI) and can be made with the possibility of changing the vortices in the passages, shock loads and secondary flows.
[00176] Матрица 103 вторичного интегрированного конформного вихрегенератора, расположенного рядом с охлаждающими выходными прорезями 92 задней кромки на рабочей поверхности, может быть использована для минимизации вихревых следов лопатки и улучшения подъемной силы/завихренности, поскольку она находится непосредственно перед задней кромкой лопатки, так что оказывает уменьшенное нежелательное влияние, чем встроенный конформный вихрегенератор, используемый в качестве второго ряда вблизи, например, матрицы 91 верхнего конформного вихрегенератора. Улучшающая подъемную силу и охлаждение задней кромки матрица 108 триммера может быть добавлена перед охлаждающими выходными прорезями 92 в задней кромке, и этот вариант обеспечивает возможность модификации эффективного угла атаки лопатки, а также способствует распространению охлаждающего потока прорези 92 вдоль задней кромки, содержащей или не содержащей матрицу 103. В этой матрице 108 могут быть использованы "изогнутые" или наклонные триммеры, как показано на чертеже. Матрица 103 вторичного интегрированного конформного вихрегенератора также может быть добавлена к засасывающей поверхности лопатки турбины высокого давления.[00176] The
[00177] Турбины промежуточного давления (IPT) также могут нуждаться в охлаждении, причем они могут быть сконструированы также как и лопатки турбины высокого давления, для уменьшения потерь, аэродинамического сопротивления и улучшения охлаждения. Конформный вихрегенератор и связанные с ним особенности проектирования, описанные в настоящей заявке, могут быть интегрированы в любых комбинациях, примерах и местах наряду с известными способами использования конструкций лопаток и поверхностей для обеспечения оптимальных характеристик. Следует отметить, что снабженная конформным вихрегенератором лопатка турбины высокого давления также может быть использована в качестве варианта реализации, например, в паровой турбине с полезными усовершенствованными потоками текучей среды и улучшенной эффективностью, и материал поверхностного покрытия передней кромки может быть использован для защиты от эрозии, причем указанная защита от эрозии также может включать структуры конформного вихрегенератора. Подъем и удаление эрозионных частиц и материала ниже по ходу потока из ступеней конформного вихрегенератора также способствуют защите поверхности потока ниже по ходу потока. Для паровых турбин, в которых поток текучей среды приходит из камеры сгорания/источника пара, компрессор не является необходимым, так что количество извлеченной газотурбинной мощности может быть использована для питания других потребителей.[00177] Intermediate pressure turbines (IPT) may also need cooling, and they can also be designed like high pressure turbine blades to reduce losses, aerodynamic drag and improve cooling. The conformal vortex generator and related design features described in this application can be integrated in any combinations, examples, and locations, along with well-known methods of using blade and surface designs to ensure optimal performance. It should be noted that a high-pressure turbine blade equipped with a conformal vortex generator can also be used as an embodiment, for example, in a steam turbine with useful improved fluid flows and improved efficiency, and the leading edge surface coating material can be used to protect against erosion, moreover said erosion protection may also include conformal vortex generator structures. Raising and removing erosive particles and material downstream from the steps of the conformal vortex generator also contribute to protecting the surface of the stream downstream. For steam turbines in which a fluid stream comes from a combustion chamber / steam source, a compressor is not necessary, so that the amount of extracted gas turbine power can be used to power other consumers.
[00178] Центробежный компрессор: Множество небольших компрессоров и насосных устройств, например, реактивных двигателей, в конечной ступени компрессора высокого давления используют крыльчатку центробежного типа, поскольку она: компактна, обеспечивает высокую степень сжатия, отличается весовой эффективностью, повышенной прочностью и низкой сложностью. Есть много общих свойств в отношении потока текучей среды между осевыми, комбинированными центробежно-осевыми и центробежными компрессорами и насосами, в которых центробежная лопатка или лопастные решетки на крыльчатке имеют хвостовик и наружные диаметры, увеличивающиеся вдоль оси крыльчатки к выходу, причем выходные потоки могут быть полностью радиальными или смешанными (частично осевыми) и протекать в систему трубопроводов ниже по ходу потока и/или диффузорную конструкцию.[00178] Centrifugal compressor: Many small compressors and pumping devices, for example jet engines, use a centrifugal impeller in the final stage of the high-pressure compressor, because it is compact, provides a high compression ratio, is characterized by weight efficiency, increased strength and low complexity. There are many common properties with respect to fluid flow between axial, combined centrifugal-axial and centrifugal compressors and pumps, in which the centrifugal vane or impeller blades on the impeller have a shank and outer diameters increasing along the axis of the impeller to the outlet, and the output flows can be completely radial or mixed (partially axial) and flow into the piping system downstream and / or the diffuser structure.
[00179] Центробежные компрессоры (и насосы, при использовании потока ньютоновской текучей среды в жидком состоянии) могут страдать от срывов потока с засасывающей поверхности, если: кончики крыльчатки, направляющие лопатки диффузора, лопасти (или лопатки) и любые другие обтекаемые поверхности вызывают проблемы, связанные с характеристиками потока текучей среды и потерей энергии. Множество лопастей крыльчатки скошены назад под углами выходного потока таким образом, чтобы менее агрессивно действовать на передачу импульса кончика и потоки для уменьшения нагрузок отделения потока текучей среды под выходным углом лопатки. Отделение потока или пузыри отрыва в областях низкого давления ньютоновской рабочей текучей среды, подобной жидкой воде или аммиаку проявляет себя как изменение состояния текучей среды из жидкого состояния в паровую/газовую фазу в захваченных физических пузырьковых структурах, добавляя дополнительную сложность возможного быстрого или сверхзвукового коллапса пузырьковой структуры, кавитационного и потенциального механизма повреждения в результате большой сверхзвуковой ударной нагрузки и акустических волн.[00179] Centrifugal compressors (and pumps, when using a Newtonian fluid stream in a liquid state) may suffer from disruption of the flow from the suction surface if: the tips of the impeller, diffuser vanes, vanes (or vanes) and any other streamlined surfaces cause problems, associated with fluid flow characteristics and energy loss. Many of the impeller blades are beveled backward at the corners of the outlet stream so as to act less aggressively on the transmission of the tip impulse and the streams to reduce the stresses of separating the fluid stream at the outlet angle of the blade. The separation of the flow or separation bubbles in the low-pressure regions of a Newtonian working fluid, such as liquid water or ammonia, manifests itself as a change in the state of the fluid from a liquid state to a vapor / gas phase in trapped physical bubble structures, adding the additional complexity of a possible rapid or supersonic collapse of a bubble structure , cavitation and potential damage mechanism as a result of a large supersonic shock load and acoustic waves.
[00180] Добавление встроенного конформного вихрегенератора последовательно с потоками текучей среды и струями на засасывающих поверхностях центробежного устройства и других омываемых поверхностях обеспечивает возможность управления пузырями отделения потока текучей среды в фазе газа и уменьшает лобовое сопротивление и потери потока турбулентного пограничного слоя, как описано выше в отношении решеток. Для потока текучей среды в жидкой фазе во всасывающих областях тонкие вихревые струи конформного вихрегенератора пересекают и дестабилизируют пузырьки пара, формирующиеся и растущие в объемах текучей среды, опуская их давление ниже давления перехода жидкости в пар, прежде чем они смогут вырасти до размеров, которые могут вызвать кавитационное повреждение. Эта дестабилизация пузырьков также уменьшает результирующую энергию ударной нагрузки и акустические сигнатуры, причем вихревые струи также способствуют распространению, отражению и уменьшению давления ударной нагрузки и акустических волн в рабочей текучей среде.[00180] Adding a built-in conformal vortex generator in series with the fluid flows and jets on the suction surfaces of the centrifugal device and other washable surfaces provides the ability to control the separation bubbles of the fluid stream in the gas phase and reduces drag and flow loss of the turbulent boundary layer, as described above in relation to gratings. For fluid flow in the liquid phase in the suction regions, thin vortex jets of a conformal vortex generator intersect and destabilize vapor bubbles that form and grow in the volumes of the fluid, lowering their pressure below the pressure of the transition of liquid into vapor, before they can grow to sizes that can cause cavitation damage. This destabilization of the bubbles also reduces the resulting shock energy and acoustic signatures, and the vortex jets also contribute to the propagation, reflection and reduction of shock pressure and acoustic waves in the working fluid.
[00181] На фиг. 7 показаны поверхность типичной имеющей открытую форму центробежной крыльчатки и внутренняя стенка 120 втулки со стилизованными особенностями, которые можно видеть на варианте реализации крыльчатки, имеющем самую открытую форму. Крыльчатка согласно данному варианту реализации содержит центральную направляющую 121 входного потока, ведущую к передней кромке матрицы аэродинамических поверхностей крыльчатки или лопастей 122 направляющего аппарата, причем компрессор вращается против часовой стрелки при наблюдении со стороны направляющей 121 входного потока. На приходящие осевые потоки текучей среды действует осевое вращение лопастей 122 направляющего аппарата, в результате чего потоки текучей среды ускоряются и протекают вдоль внутренней стенки 120 втулки и затем выходят радиально с повышенным импульсом и скоростью между выходных кончиков 128 лопастей и в поперечном направлении к матрице дополнительных направляющих лопастей 129 неподвижного диффузора (для ясности изображена только одна лопасть), которая затем подает поток текучей среды в конечное собирающее выходную текучую среду средство или спиральную камеру, воздуховод и т.п., которые для ясности не показаны. В данном примере, показанном на фиг. 7, также используются дополнительные частичные лопасти 132 для предотвращения преждевременного дросселирования входных потоков на лопастях 122 направляющего аппарата.[00181] In FIG. 7 shows the surface of a typical open-shaped centrifugal impeller and the
[00182] матрица 124 интегрированного входного всасывающего конформного вихрегенератора может быть встроена во всасывающую поверхность части лопастей 122 направляющего аппарата рядом с входной передней кромкой лопасти для надежного препятствования отделению потоков текучей среды (или кавитации в случае жидкостей) на засасывающей поверхности лопастей. Матрица 125 интегрированного всасывающего конформного вихрегенератора, расположенного ниже по ходу потока, также может быть встроенной, если геометрическая форма крыльчатки и линии потока обеспечивают положительный эффект. На противоположной стороне каждой лопасти в области матрицы 123 встроенного в нагнетающую поверхность конформного вихрегенератора также может быть встроена дополняющая встроенная в нагнетающую поверхность версия конформных вихрегенераторов, которые работают подобным образом и расположены в местах, отличающихся от передней кромки, таких как, например, на лопатке турбины низкого давления, для снижения потерь потока на нагнетающих поверхностях лопасти. Местоположение этих матриц встроенного конформного вихрегенератора выбирают исходя из структуры, логики и технологии, например, лопаток турбины низкого давления с последующей оптимизацией геометрической формы, углов потоков и мест расположения для приспособления и согласования уникальной геометрической формы крыльчатки, причем наилучшие комбинации подтверждаются итоговыми испытаниями на реальной крыльчатке и центробежном компрессоре, насосе или газотурбинной конструкции. Показанные на чертеже размеры конформного вихрегенератора и углы представлены только в качестве иллюстрации для обсуждения и не являются ограничением для фактических выбранных и оптимизированных конструкций.[00182] An integrated inlet suction conformal
[00183] Хвостовик насоса или внутренняя стенка 120 втулки имеют увеличенную поверхностную площадь первичного пограничного слоя потока выпуклой и вогнутой поверхности и некоторых вторичных потоков между всасывающей и нагнетающей поверхностями в проходах той же самой лопатки или лопасти. Эта поверхность может быть подвержена нежелательному действию потока или кавитации во всасывающих областях, и реламинаризация пограничного слоя конформного вихрегенератора также уменьшает лобовое сопротивление или кавитацию, так что матрица 127 конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность внутренней стенки, и матрица 126 конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность расположенной ниже по ходу потока внутренней стенки, могут быть использованы для усовершенствования конструкции в данном случае и вообще в случае любого конформного вихрегенератора, который может иметь небольшой наклон для наилучшего согласования с локальными условиями линий потока текучей среды. Если хвостовики втулки лопасти "зализаны", встроенный конформный вихрегенератор также может быть встроен в эти обтекатели и даже может сливаться с другими конформными вихрегенераторами, встроенными в соседние поверхности, несмотря на то, что такие конформные вихрегенератор, сливающиеся на лопасти и обтекателе втулки, на чертеже явно не показаны.[00183] The pump shank or sleeve
[00184] В аэродинамическом профиле или поверхности направляющей лопатки 129 неподвижного диффузора, если таковая имеется, также может быть использована матрица 130 встроенного в диффузор всасывающего конформного вихрегенератора для управления потерями и пузырями отрыва, вызванными интенсивными импульсами потока текучей среды и вихревыми следами, исходящих от перемещающихся с высокой линейной скоростью выходных кончиков 128 лопастей при выходных углах динамического потока и эффективных углах атаки диффузора. Поскольку направляющая лопатка 129 диффузора может быть сконфигурирована с возможностью де-турбулизации входящих в крыльчатку потоков текучей среды и работает в режиме статора с невращающимися потоками, в ней также может быть использована матрица 131 встроенного в диффузор вторичного всасывающего конформного вихрегенератора для снижения аэродинамического сопротивления или обеспечения возможности использовать поверхности, имеющие повышенную кривизну, для создания более компактного диффузора. Нагнетающая поверхность направляющей лопатки 129 диффузора также может содержать подобные матрицы встроенного в диффузор нагнетающего конформного вихрегенератора для уменьшения срывов потока и также снижения аэродинамического сопротивления. В проходных сечениях статической системы воздухопроводов и трубопроводов вокруг матриц в направляющих лопатках 129 и смешивающих обтекателях диффузора также могут быть использованы встроенные конформные вихрегенераторы для дополнительного управления потерями аэродинамического сопротивления и срывами потока.[00184] In the aerodynamic profile or surface of the
[00185] Также на фиг. 7 не показана согласующая объемная неподвижная или связывающая управляющая поверхность канала, образованного между бандажом и кончиками лопасти, которая на крыльчатке с открытой формой тесно согласована с движущейся конструкцией и очищает указанную движущуюся конструкцию краев 133 концов имеющей открытую форму крыльчатки для максимального снижения обратных потоков текучей среды из полостей ниже по ходу потока. Эти края лопастей эквивалентны имеющим открытую форму кончикам осевых лопаток, и имеющая закрытую форму крыльчатка центробежного компрессора эквивалентна форме осевой решетки с непрерывно связанными посредством бандажа кончиками, так что внутренние межлопастные проходы являются полностью замкнутыми.[00185] Also in FIG. 7, the matching volumetric fixed or connecting control surface of the channel formed between the bandage and the tips of the blade, which on the impeller with an open shape is closely aligned with the moving structure, and cleans the specified moving structure of the
[00186] Матрица 134 конформного вихрегенератора с концевыми элементами, которая представляет собой функциональный эквивалент матрицы 48 встроенного конформного вихрегенератора с концевыми элементами для турбины низкого давления, может быть использована в концах лопасти, обращенных к бандажам концевого уплотнения центробежного компрессора, несмотря на то, что секции лопатки являются очень тонкими, небольшие конформные вихрегенераторы могут работать эффективно на высоких скоростях и уменьшенных зазорах с высокими сдвиговыми силами. Тепловые нагрузки в центробежных компрессорах меньше чем в ступенях турбины, так что зазоры для теплового расширения кончиков могут быть уменьшены, и потери снижены.[00186] The end-conformal
[00187] Матрица 134 конформного вихрегенератора с концевыми элементами является наклонной для индуцирования вихревых струй на плотно согласованной поверхности бандажа для управления развитием ее пограничного слоя и потоков при скоростном прохождении лопасти, когда она охватывает поверхность бандажа. Ступенчатое углубление матрицы 134 конформного вихрегенератора с концевыми элементами может пересекать или не пересекать и прорезать переднюю кромку конца лопасти, и при конфигурации ступени, которая не врезана в переднюю кромку, присущий уплотняющий зазор между концом и бандажом поддерживается в передней кромке кончика заглублением конформного вихрегенератора ниже по ходу потока передней кромки в потоках локального зазора. Согласно чертежу крыльчатки компрессора, показанной на фиг. 7, нагнетающая поверхность лопасти находится справа от матрицы 134 конформного вихрегенератора, снабженного концевыми элементами, и всасывающая сторона находится слева от матрицы 134, так что эти струи концевого вихря конформного вихрегенератора протекают в распределенных местах вдоль концевой хорды влево и ниже по ходу потока в направлении от нагнетающей поверхности к засасывающей поверхности, причем в том же самом направлении нормальный концевой вихрь аэродинамической поверхности или поверхности корпуса возникает в задней кромке кончика корпуса, такого как концевое угловое соединение элементов 128 и 133. Применение увеличенного угла накапливающей массу ступени к некоторым из элементов матрицы 134 снабженного концевыми элементами конформного вихрегенератора (такого как, например, 60°) дополнительно обеспечивает возможность формирования большеобъемного образованного ступенью вихря, который указанными ступеням ограничен действовать в качестве препятствия для потоков потери энергии сквозь зазоры между концевым бандажом и элементами уплотнения, вызванных текучей средой нагнетающей поверхности.[00187] The end-conformal
[00188] Ограничивающая поверхность управления каналом концевого бандажа также может содержать матрицы конформных вихрегенераторов, встроенных в нее, например, в соответствии с радиальным или спиральным шаблоном, для управления потоками локального пограничного слоя под влиянием обхода лопасти, причем они могут быть использованы с матрицей 134 конформного вихрегенератора, снабженного концевыми элементами, или без нее, и могут быть сконфигурированы таким образом, что шаг этого конформного вихрегенератора не является синхронным с шагом лопасти для предотвращения возбуждения когерентных волн высокого давления или акустической сигнатуры. Для дополнительной способности прилипания потока наклонное дополнительное управляющее потоком инжекционное сопло 135 может быть добавлено после ступени конформного вихрегенератора для увеличения импульса в нижнем пограничном слое, и источник напорной текучей среды для этого собирается (и, возможно, охлаждается) и передается от выходного потока компрессора и системы воздухопроводов внутри оси крыльчатки в камеру повышенного давления в сердечнике крыльчатки, которая распределяет эти потоки текучей среды встроенным поверхность конформным вихрегенераторам, как требуется для сопла 135, поскольку потоки расположенной выше по течению поверхности крыльчатки находятся под пониженными давлениями. В корпусах компрессора и турбины это инжекционное сопло может распределять охлаждающую текучую среду, которая извлекается от охлаждаемого источника текучей среды под повышенным давлением. Примеры дополнительных пазов расширения ступени и/или направляющей среза ступени могут быть добавлены к крыльчатке, но не показаны в целях ясности чертежа.[00188] The bounding surface of the end bandage channel control can also contain matrices of conformal vortex generators embedded in it, for example, in accordance with a radial or spiral pattern, for controlling the flows of the local boundary layer under the influence of bypassing the blade, and they can be used with the
[00189] Центробежный компрессор, в первом приближении, может быть реверсирован для работы, например, в качестве радиальной приточной центробежной турбины. В этом случае входной вращающий момент крыльчатки становится выходным, а всасывающая и нагнетающая поверхности меняются местами, и любые матрицы конформного вихрегенератора также могут быть заменены для обеспечения необходимых модификаций пограничного слоя и потока. В случае центробежной или радиально-осевой турбины примеры дополнительного управляющего потоком инжекционного сопла 135 могут быть использованы, например, для статорных и роторных лопаток турбины высокого давления для пленочного охлаждения поверхности, а также для улучшения прилипания потока.[00189] A centrifugal compressor, to a first approximation, can be reversed to operate, for example, as a radial supply centrifugal turbine. In this case, the input torque of the impeller becomes output, and the suction and discharge surfaces are interchanged, and any conformal vortex generator matrices can also be replaced to provide the necessary modifications of the boundary layer and flow. In the case of a centrifugal or radial-axial turbine, examples of the additional flow
[00190] Для имеющей закрытую форму крыльчатки концевой бандаж соединяет кончики всех лопастей для формирования закрытых проходов между лопастями, так что конформные вихрегенераторы могут быть использованы на всех этих внутренних обтекаемых поверхностях и лабиринтах концевого уплотнения и т.п. для управления пограничным слоем и отделением теми же самыми способами, уже описанными выше.[00190] For a closed-shaped impeller, an end brace connects the ends of all the blades to form closed passages between the blades, so that conformal vortex generators can be used on all of these internal streamlined surfaces and labyrinths of the end seal and the like. to control the boundary layer and separation in the same ways already described above.
[00191] Установка встроенного конформного вихрегенератора на центробежных лопастях, крыльчатке и других обтекаемых поверхностях обеспечивает возможность увеличения углов поворота входного и выходного потоков для обеспечения возможности создания конструкций новых, более компактных и легких компрессора, турбины, насоса, турбокомпрессора и подобных машин для потока текучей среды, или могут быть использованы только для уменьшения потерь энергии засасывающей поверхности или потока текучей среды, потерь, связанных с вихрем Тейлора-Гёртлер и утолщением пограничного слоя на вогнутых поверхностях, в существующих конструкциях с механически совместимой, имеющей улучшенные характеристики размещаемой по месту сменной крыльчаткой.[00191] Installing an integrated conformal vortex generator on centrifugal blades, an impeller, and other streamlined surfaces makes it possible to increase the angles of rotation of the inlet and outlet flows to enable the construction of new, more compact and lightweight compressors, turbines, pumps, turbocompressors, and similar machines for fluid flow , or can only be used to reduce the energy loss of the suction surface or fluid flow, losses associated with the Taylor-Görtler vortex thickening of the boundary layer on the concave surface, in existing designs with a mechanically compliant, having improved characteristics placed at the place of a removable impeller.
[00192] Встроенный конформный вихрегенератор также пригоден для использования в насосах других центробежных или осецентробежных типов для перекачивания текучей среды, турбинах, воздушных винтах и компрессорах, таких как промышленные технологические газовые компрессоры (например, аммиачные холодильные установки или компрессоры для трубопроводов для природного газа), гидрореактивных двигателях и насосах или турбинах для воды или других жидкостей.[00192] The built-in conformal vortex generator is also suitable for use in other centrifugal or centrifugal pump types for pumping fluids, turbines, propellers and compressors, such as industrial process gas compressors (eg, ammonia refrigeration units or compressors for pipelines for natural gas), jet engines and pumps or turbines for water or other liquids.
[00193] В турбокомпрессорах используют соединенный центробежный поточный компрессор и газотурбинные крыльчатки, а также, например, центробежную турбину, извлекающую энергию потока текучей среды и добавляющую эту энергию в поток текучей среды в центробежном компрессоре, и в центробежных устройствах обоих типов может быть использован встроенный конформный вихрегенератор регулируемый во всех отношениях для локальных условий потока как новый проект для повышения эффективности и улучшения работы.[00193] In turbochargers, a combined centrifugal flow compressor and gas turbine impellers are used, as well as, for example, a centrifugal turbine that extracts energy from a fluid stream and adds this energy to a fluid stream in a centrifugal compressor, and an integrated conformal can be used in both types of centrifugal devices vortex generator adjustable in all respects for local flow conditions as a new project to increase efficiency and improve performance.
[00194] Каркасы гондолы: гондола двигателя представляет собой пример, в общем, цилиндрического обтекаемого тела, прикрепленного к фюзеляжу или крылу посредством пилона, монтажного устройства или крепежной тяги с взаимными взаимодействиями потока текучей среды. Любые нежелательные тангаж и рыскание относительно приходящих потоков текучей среды на данном присоединенном обтекаемом теле могут генерировать значительные силы лобового сопротивления и турбулентные течения из-за срывов потока, например, на всасывающих поверхностях ниже по ходу потока. Гондолы двигателя встраивают во входной и выходной потоки текучей среды двигателя для обеспечения точных условий входа и выхода для замкнутого двигателя.[00194] Gondola frameworks: An engine nacelle is an example of a generally cylindrical streamlined body attached to a fuselage or wing by means of a pylon, mounting device or mounting rod with mutual interactions of the fluid flow. Any undesired pitch and yaw with respect to the incoming fluid flows on this attached streamlined body can generate significant drag and turbulent flows due to flow disruptions, for example, on suction surfaces downstream. Engine nacelles are integrated into the engine's inlet and outlet fluid flows to provide accurate inlet and outlet conditions for a closed engine.
[00195] На фиг. 8 показан в общем цилиндрический корпус 140 гондолы, прикрепленный к корпусу 141 крыла крепежным пилоном 142. В качестве примера турбовентиляторного двигателя на чертеже показана решетка 143 лопастей вентилятора на входе гондолы после рассеивания воздуха в области передней кромки гондолы и входных секциях холодного воздуховода. Как показано на чертеже, в переднюю кромку гондолы встроена матрица 144 интегрированного конформного вихрегенератора для улучшения прилипания потока и уменьшения лобового сопротивления во внутреннем воздуховоде гондолы и на наружных поверхностях. Данная матрица 144 конформного вихрегенератора, встроенного в переднюю кромку, также может быть дополнена накладкой из согласующих и сменных элементов конформного вихрегенератора системы для защиты от эрозии, если в данном случае поверхностная эрозия и/или долговечность составляют проблему.[00195] In FIG. 8 shows a generally
[00196] На чертеже показана дополнительная матрица 145 встроенного во входную часть вентилятора конформного вихрегенератора для улучшения подачи воздуха в кончики лопастей решетки вентилятора и уменьшения потребности в управлении активным всасыванием пограничного слоя на входном участке кончиков вентилятора. Подобные матрицы встроенного конформного вихрегенератора могут быть сконструированы в обеих поверхностях внутренней системы холодных воздухопроводов для устранения срывов потока на выпуклых и вогнутых поверхностях воздуховода и минимизации потерь аэродинамического сопротивления турбулентного пограничного слоя. Эти встроенные в воздухопровод конформные вихрегенераторы обеспечивают повышенную объемную кривизну поверхности воздуховода или укороченные воздуховоды и уменьшенный размер двигателя для новых конструкций. В таких увеличенных поверхностях может быть использована последовательность конформных вихрегенераторов с соответствующим разнесением, при котором струи концевых вихрей расширяются, прежде чем они разорвутся, или прежде чем потоки пограничного слоя начнут проявлять склонность к пузырям отрыва или чрезмерным потерям утолщения. Такой подход задает самое близкое целесообразное разнесение конформных вихрегенераторов, и разделения, определенные динамикой текучей среды. Поскольку новые конструкции самой современной гондолы являются формованными композитными структурами, матрицы встроенного конформного вихрегенератора могут быть включены непосредственно на этапе конструирования и изготовления для улучшения энергетической эффективности и функциональных возможностей.[00196] The drawing shows an
[00197] В выходном сопле холодного воздуховода также может быть размещена матрица 146 выходного конформного вихрегенератора холодного воздуховода, в частности, на наружных и/или внутренних поверхностях перед локальной задней кромкой холодного воздуховода для улучшения смешивания потоков, шумовых сигнатур холодного выхлопа и выхода вентилятора, а также для снижения лобового сопротивления. В выходной горячей секции сопла подобная матрица 147 выходного конформного вихрегенератора, встроенного в горячий воздуховод, может быть встроена в наружные и/или внутренние поверхности воздуховода перед локальной задней кромкой и/или в защитный конус 148 для улучшения смешивания потока и разрушения завихрений, а также для улучшения выхлопной шумовой сигнатуры со снижением лобового сопротивления. Для прекращения интенсивного треска горячего выхлопа дополнительное имеющее небольшое лобовое сопротивление тонкое цилиндрическое кольцо (кольца) матрицы 149 разрушающего завихрения конформного вихрегенератора может быть добавлено в расширяющийся выходной поток, например, между защитным конусом 148 и задней кромкой горячей секции воздуховода для индуцирования вихревых струй в сгустки расширяющихся горячих выпускных завихрений для дестабилизации и разрушения завихрений, прежде чем они смогут передать большое количество акустического шума и ударных воздействий в переходные вихревые следы. Опорные стойки для этой матрицы 149 разрушающего завихрения конформного вихрегенератора и опорные стойки задней части турбины в потоках выходящих газов также могут содержать матрицы встроенного конформного вихрегенератора для добавления дополнительных вихревых струй для управления шумом выхлопа.[00197] An outlet nozzle of the cold duct may also have a
[00198] В крепежной стойке или пилоне 142 гондолы используются смешивающие поток обтекатели, переходящие в поддерживающие крыло и гондолу корпуса, причем они также могут содержать матрицу 150 конформного вихрегенератора, встроенного в переднюю кромку пилона, для улучшения потока и уменьшения лобового сопротивления потока, обтекающего поверхность (в основном, вертикальную) пилона. Крыло может содержать матрицу 151 конформного вихрегенератора, встроенного в переднюю кромку крыла, и вторичную матрицу 152 конформного вихрегенератора, встроенного в крыло (в частности, в нагнетающую поверхность).[00198] In the mounting rack or
[00199] В других конструкциях, прикрепленных посредством стоек или пилонов, также могут быть использованы конформные вихрегенераторы для управления срывами потока в полете и обтеканием закрытого для входящих потоков тела, такого, например, как топливный бак или контейнер для метеорадиолокатора, и т.п., а также передняя часть корпуса, которая представляет собой носовой кончик, подобный коку 153 крыльчатки вентилятора. Поскольку кок 153 вращается с результирующими наклонными входными воздушными потоками, в нем также может быть использована матрица наклонного конформного вихрегенератора. Носовые кончики могут иметь соответствующие носовые колпачки с соответственно наклонными конформными вихрегенераторами, или они могут быть сконструированы с матрицей встроенного носового конформного вихрегенератора для снижения аэродинамического сопротивления.[00199] In other structures attached by struts or pylons, conformal vortex generators can also be used to control flow stalls and flow around a body that is closed to incoming flows, such as, for example, a fuel tank or a weather radar container, and the like. as well as the front of the casing, which is a nose tip similar to a
[00200] Эти присоединенные конструкции обтекаемого тела также являются эффективной формой закрытых (и/или с открытыми концам и) "вывернутых наизнанку" воздуховодов, с их первичными потоками текучей среды и потерями на "наружных" обтекаемых поверхностях. Согласно некоторым вариантам реализации для обтекаемого тела, имеющего заданную кинетическую и/или полную энергию, может потребоваться отделение или отстреливание для продолжения свободного полета как, например, суборбитальный космический корабль "Spaceship One", построенный компанией Virgin Galactic, отделяющийся от пусковой платформы, или обтекаемое тело, подобное снаряду. В этих случаях применение конформных вихрегенераторов также может улучшить энергетическую эффективность обтекаемого тела (т.е. диапазон) и динамические свойства потока текучей среды, например, прилипания и/или отделения потока, и перемещение, что также обеспечивают возможность достижения усовершенствованной траектории и/или стабильности пути.[00200] These attached streamlined body structures are also an effective form of closed (and / or open ends and) “turned inside out” ducts, with their primary fluid flows and losses on the “outer” streamlined surfaces. In some embodiments, a streamlined body having a given kinetic and / or total energy may require separation or firing to continue its free flight, such as the Spaceship One suborbital spacecraft built by Virgin Galactic, which is detached from the launch platform, or streamlined body like a shell. In these cases, the use of conformal vortex generators can also improve the energy efficiency of the streamlined body (i.e., the range) and the dynamic properties of the fluid stream, for example, adhesion and / or separation of the stream, and movement, which also provide the ability to achieve an improved trajectory and / or stability the way.
[00201] Пути потока в воздуховоде: Большая часть поверхностей большинства устройств для обработки потока текучей среды, таких как реактивный двигатель, состоит из канализирующих поверхностей, направляющих потоки текучей среды в оптимальные местоположения конструкции в различных секциях и между ними для обработки потока текучей среды, причем указанные поверхности ограничены по углу поворота потока или направлению потока, которое они могут ввести, прежде чем будут индуцированы отделения потока текучей среды или утолщение пограничного слоя, вызывающие потери энергии. Эти воздуховоды или трубопроводы и даже наружные объемные поверхности представляют собой другие устройства для обработки потока, которые могут быть усовершенствованы с использованием встроенного конформного вихрегенератора. На фиг. 9а показан типичный воздуховод или трубопровод 160 для потока текучей среды, который является аналогом множества состояний в поверхностях, омываемых потоком текучей среды, примерах воздухопровода и трубопровода. Локальный вырез показывает шов 161 воздуховода на участке изменения направления потока, причем имеющий уменьшенный диаметр расположенный выше по течению потока воздуховод 165 содержит матрицу 162 внутреннего конформного вихрегенератора, встроенного в конструкцию воздуховода в конце задней кромки, который затем переходит в воздуховод 166 ниже по ходу потока в оптимальном месте, причем указанные воздуховоды соединены, например, обжимкой и пайкой или сваркой для уплотнения и завершения соединения усовершенствованных трубопровода или воздуховода. Описанная конструкция представляет собой один вариант реализации, обеспечивающий возможность построения перехода воздуховода или трубопровода, снабженного внутренней матрицей встроенного конформного вихрегенератора, причем указанный переход уменьшает срывы потока и аэродинамическое сопротивление выпуклых поверхностей расположенного ниже по ходу потока воздуховода или трубы, а также снижает лобовое сопротивление на вогнутых поверхностях, когда поверхности или воздуховоды меняют направление или диаметр, таким же образом, как и аэродинамическая поверхность или другие поверхности тела в невозмущенном потоке текучей среды, как описано выше. В зависимости от способа изготовления воздуховода или трубы, материала, диаметров, толщины стенок и геометрической формы сечения любое количество этапов, например, штамповки, ковки, формования и механической обработки могут быть использованы для встраивания матрицы конформного вихрегенератора в оптимальном месте на внутренних поверхностях или наружных поверхностях, если поток текучей среды протекает за пределами поверхности тела.[00201] Duct flow paths: Most of the surfaces of most fluid flow treatment devices, such as a jet engine, consist of channeling surfaces directing fluid flows to the optimal locations of the structure in different sections and between them to process the fluid flow, these surfaces are limited by the angle of rotation of the flow or the direction of flow that they can enter before separation of the fluid flow or thickening of the boundary layer is induced I, causing energy loss. These ducts or pipelines, and even external volumetric surfaces, are other flow treatment devices that can be improved using an integrated conformal vortex generator. In FIG. 9a shows a typical duct or
[00202] На фиг. 9b показана матрица 182 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку для воздуховода, которая может быть вмонтирована в прямую секцию воздуховода с постоянным поперечным сечением или трубопровода с незначительно увеличенным диаметром и затем обжата или иным способом закреплена в наилучшем положении с кончиками 183 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку для воздуховода, обращенными по ходу потока текучей среды. В этом случае вход вставки 184 имеет очень тонкий и острый край для минимизации возмущения входного потока, и входная поверхность 185 вставки имеет очень небольшой угол входа, обращенный назад к точке 186 толщины ступени. Эта длинная имеющая низкий угол сходимость воздуховода обеспечивает минимальные изменение и возмущение потока прежде, чем он достигнет конформной секции воздуховода с правильной высотой ступени в точке 186 толщины ступени перед входом в ступени конформного вихрегенератора. Дополнительная прорезь 187 вставки для воздуховода может быть использована для облегчения введения немного сжатой матрицы 182 конформного вихрегенератора в воздуховод с ее последующим расширением и фиксированием на месте, или с использованием способа крепления для фиксации данного устройства на месте. Направленный по потоку зазор в матрице является допустимым и имеет минимальные характеристики воздействия. Следует отметить, что между точкой 186 толщины ступени и кончиком 183 поток стабилизируется как параллельный средней поверхности воздуховода и таким образом, что когда пересечение ступеней конформного вихрегенератора имеет оптимальный поверхностный вектор для получения наилучших действий срезания потока и реэнергизации пограничного слоя ниже по ходу потока. Ключевой признак этих матриц встроенного в воздуховод конформного вихрегенератора состоит в том, что они работают непрерывно поперек целых потоков пограничного слоя у поверхности воздуховода, которые они пересекают, а также в том, что отсутствует немодифицированный пограничный слой между максимальными протяженностями поперечного обтекания имеющей V-образную форму матрицы конформного вихрегенератора, между поперечными сечениями входной и выходной плоскостей потока текучей среды, включая случай, когда матрица ограничивает весь периметр воздуховода. В менее оптимальном случае, в котором матрица конформного вихрегенератора не имеет обтекаемой полости для секции ступени постоянной высоты (нейтрализующей изначальное преимущество), эта неразрывность функции модифицирования пограничного слоя поперечного потока отличает матрицы модифицированного конформного вихрегенератора этих типов от группы известных дискретных вихревых генераторов. Использование прорези 187 вставки для воздуховода также обеспечивает возможность альтернативного изготовления матрицы 182 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку для воздуховода, по существу, в форме спирали с углами пересечения конформного вихрегенератора, модифицированными для спирального угла таким образом, чтобы пересекать потоки пограничного слоя вдоль стенок воздуховода под оптимальными углами. Если спираль содержит больше одного витка, происходит понижение эффективности в зависимости от скорости затухания расположенных выше по течению потока вихревых струй прежде, чем они столкнутся со следующими имеющими V-образную форму ступенями конформного вихрегенератора, расположенного ниже по ходу потока. Это означает, что применение последовательности матриц 182 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку воздуховода, в направлении потока требует, чтобы эти матрицы были оптимально разнесены друг от друга для получения наилучших результатов.[00202] In FIG. 9b shows a
[00203] Применение конформных вихрегенераторов во внутренних поверхностях трубопроводов и воздуховодов также может быть осуществлено напылением или формованием покрывающих материалов, которые могут быть применены или нанесены в форме пленки на пластично изогнутые, механически обработанные или отшлифованные до достижения правильных геометрических форм поверхности. Эти покрытия могут быть нанесены несколькими слоями и также могут быть снабжены механической и коррозионно/химической защитой нижележащих поверхностей воздуховода или трубопровода.[00203] The use of conformal vortex generators in the inner surfaces of pipelines and ducts can also be accomplished by sputtering or molding coating materials that can be applied or applied in the form of a film on plastically curved, machined or sanded to achieve the correct geometric shapes of the surface. These coatings can be applied in several layers and can also be provided with mechanical and corrosion / chemical protection of the underlying surfaces of the duct or pipe.
[00204] Другой вариант управления потоком состоит в известном использовании внутренней поворачивающей поток лопасти 163 в переходах потока воздуховода, которая обеспечивает возможность введения посредством воздухопровода увеличенного поворота потока, но эти конструкции вносят аэродинамическое сопротивление, поскольку они действуют подобно решетке аэродинамических поверхностей для изменения направления потоков текучей среды. Поворачивающая поток матрица 164 встроенного в лопасть конформного вихрегенератора может быть встроена во всасывающую и/или нагнетающую поверхности поворачивающей поток лопасти 163 для снижения аэродинамического сопротивления и обеспечения возможности увеличения углов поворота воздуховода или трубопровода до срыва потока, а также для обеспечения возможности создания новых конструкций, например, трубопровода, воздуховода или S-образного канала с более компактными геометрическими формами и/или сниженными потерями энергии.[00204] Another embodiment of the flow control is the known use of the internal flow-
[00205] На поверхностях увеличенных воздуховодов и переходов, от которых также может потребоваться жаропрочность, может быть нанесен чеканкой плиточный рисунок, например, из треугольников, прямоугольников, шестиугольников или других многоугольников, которые укрепляют и повышают прочность и механическую эффективность охлажденного компонента канализирующей панели и обеспечивают возможность интеграции конформных вихрегенераторов и варианта добавления прочно удерживаемого и нерастрескивающегося теплоизолирующего покрытия. На фиг. 10а показано поперечное сечение стенного воздуховода, который имеет выполненный штамповкой или теснением рельеф из взаимосвязанных шестиугольных ячеек, которые дополнительно могут иметь функциональность ступеней встроенного конформного вихрегенератора. Ниже по ходу потока гладкая поверхность воздуховода 170 (на противоположной поверхности, как показано на фиг. 10а), которая контактирует с потоками текучей среды, расположена влево и внизу (ниже по ходу потока) матрицы ступени 172 рельефного конформного вихрегенератора. Тиснение первоначально поднимает вертикальные стенки 173 с существенным радиусом 171 поддерживающего стенку корневого соединения (с радиусом, который обеспечивает больше чем прямой угол и равен высоте стенки), который создает взаимосвязанную матрицу стрингерных секций, отличающихся увеличенными моментами инерции и самым низким центром напряжения (что наглядно отличается от острых радиусов прямоугольных соединений стенок с основанием, описанных у Lutjen '342) и улучшенной прочностью и жароустойчивостью для удаления тепловых потоков из расположенного выше по течению потока внутреннего настила 174 и внутреннего настила 175, расположенного ниже по ходу потока. Вершины вертикальных стенок 173 также могут быть дополнительно деформированы для закатывания острых краев стенок в губу и увеличения прочности края и сопротивления повреждению при обработке. Охлаждающий воздух может протекать сквозь края вертикальных стенок 173 для удаления тепла с хорошей теплопроводностью и рассеивания вниз к поверхностям стенок и внутреннего настила ниже. В зависимости от используемого сплава, для минимизации разрушения материала из-за формирования напряжений лучше применять это тиснение или эффективный способ штамповки при температурах пластичности металла (предпочтительно в вакууме), что также обеспечивает возможность точного регулирования распределения температуры в материале, окисления поверхности и минимальной силы пресса при сжатии/тиснении. Указанные матрицы и ступени поверхности также могут быть созданы с использованием других способов, например, литья по выплавляемым моделям, взрывной/гидравлической штамповки, и т.п.[00205] On the surfaces of the enlarged ducts and passages, which may also be required to be heat resistant, a mosaic pattern may be minted, for example, of triangles, rectangles, hexagons or other polygons, which strengthen and increase the strength and mechanical efficiency of the cooled component of the sewer panel and provide the ability to integrate conformal vortex generators and the option of adding a firmly held and non-cracking insulating coating. In FIG. 10a shows a cross-section of a wall duct that has a stamping or embossing relief of interconnected hexagonal cells, which may additionally have the functionality of the steps of the built-in conformal vortex generator. Downstream, the smooth surface of the duct 170 (on the opposite surface, as shown in FIG. 10a), which is in contact with the fluid flows, is located to the left and bottom (downstream) of the
[00206] Изготовление этой усовершенствованной секции панели воздуховода, показанной на фиг. 10а, также обеспечивает возможность интеграции теплоизолирующего покрытия в негладкие лицевые стороны. На фиг. 10b показана рельефная расположенная выше по течению потока область 176 панели воздуховода с закрывающим расположенным выше по течению потока слоем 177 теплоизолирующего покрытия, обращенным к потоку горячей текучей среды, который входит в матрицу 178 конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, и затем вниз к слою 179 теплоизолирующего покрытия ниже по ходу потока закрывающей панели 180 воздуховода, расположенного ниже по ходу потока. Следует отметить, что поток горячей текучей среды протекает вдоль стороны теплоизолирующего покрытия в этом расположении, и является противоположным стороне и направлению потока сформированной подобным образом части, показанной на фиг. 10а. В данном варианте реализации используется преимущество, например, гексагональной матрицы и формованных вершин вертикальных стенок 173 для надежного удерживания подсекций теплоизолирующего покрытия, таких как замкнутый элемент 181 теплоизолирующего покрытия. Слой теплоизолирующего покрытия может быть выполнен любым из известных способов применения теплоизолирующего покрытия, материалов и взаимных перекрытий. Растрескиванием более тонких секций теплоизолирующего покрытия между удерживаемыми замкнутыми элементами 181 теплоизолирующего покрытия можно управлять температурой применения теплоизолирующего покрытия на металлической подложке. Такая конструкция предварительно устанавливает механические напряжения из-за отличающихся коэффициентов теплового расширения между подложкой и интегрированными вертикальными стенками 173 и субсекциями теплоизолирующего покрытия или ламеллами. Они могут быть установлены между рабочей температурой или холодными состояниями для блокирования растрескивания теплоизолирующего покрытия или обеспечения возможности однородного разделения покрытия на замкнутые элементы 181 теплоизолирующего покрытия. После этого теплоизолирующее покрытие, покрывающее область ступени, может быть механически обработано или отшлифовано для создания улучшенных краев ступеней материала теплоизолирующего покрытия для матрицы 178 конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, причем остальная часть поверхности теплоизолирующего покрытия также может быть обработана для достижения однородности поверхности.[00206] The manufacture of this improved section of the duct panel shown in FIG. 10a also provides the ability to integrate a heat insulating coating into non-smooth faces. In FIG. 10b shows a relief
[00207] Наклонное дополнительное сопло 189 потока воздуховода может быть расположено ниже по ходу потока ступенчатой матрицы 178 конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, или ступенчатой матрицы 172 тисненного конформного вихрегенератора, и это сопло (или матрица сопел) может провести в поток текучей среды средство для образования пленочного охлаждения поверхности, и/или провести поток, дополнительно повышающий энергию пограничного слоя из нагнетающего источника потока текучей среды под областью ступени, как описано, например, для аэродинамической поверхности статора турбины низкого давления, поскольку эта поверхность является неподвижной. К поверхностям воздуховода в ступенях конформного вихрегенератора могут быть добавлены дополнительные пазы расширения после ступени и/или ступенчатой срезающей направляющей, но они не показаны в целях ясности чертежа.[00207] An inclined
[00208] На фиг. 10а и 10b показана по существу плоская панель, но этот способ также может быть применен к матрицам поверхности и ступеням с объемными искривлениями для применения в секциях канализирующей поверхности любой конфигурации. В данных гексагональных особенностях могут быть использованы наилучшие углы потока конформного вихрегенератора, например, приблизительно 22° на краях ниже по ходу потока, и для уменьшенных секций теплоизолирующего покрытия может использоваться треугольная или ромбическая формы, но это приводит к повышенному отношению массы металла в стенках к массе металла в секциях настила. Толщина типичных секций воздуховода может составлять от примерно 0,5 мм до 3 мм, но это не является ограничивающим условием, в зависимости от рабочих давлений и т.п., причем стенка, настил, тип и размеры полигональности, а также толщины теплоизолирующего покрытия могут быть выбраны в соответствии с требованиями к конструкции.[00208] In FIG. 10a and 10b show a substantially flat panel, but this method can also be applied to surface matrices and steps with volumetric curvatures for use in sections of the sewer surface of any configuration. In these hexagonal features, the best conformal vortex generator flow angles can be used, for example, approximately 22 ° at the edges downstream, and triangular or rhombic shapes can be used for reduced sections of the heat-insulating coating, but this leads to an increased ratio of the mass of the metal in the walls to the mass metal in the sections of the flooring. The thickness of typical sections of the duct can be from about 0.5 mm to 3 mm, but this is not a limiting condition, depending on working pressures, etc., moreover, the wall, flooring, type and size of polygonality, as well as the thickness of the insulating coating can be selected according to design requirements.
[00209] В охлажденных лопатках турбины могут быть использованы данные полигональные удерживающие особенности для прикрепления теплоизолирующего покрытия к поверхности передней кромки, выдерживающие высокую инерциальную нагрузку, и в данном примере, если для охлаждения передней кромки требуется размещение фонтанной головки, в нее можно проникнуть после нанесения теплоизолирующего покрытия и механической обработки ступени, и т.п. Охлаждение расположенных после ступени поверхностей, не имеющих теплоизолирующего покрытия, может быть осуществлено посредством охлаждающих потоков, введенных, например, элементами инжекционного канала 95 для текучей среды из заднего наклонного сопла, а также посредством внутреннего охлаждением обшивки лопатки и охлаждающих прорезей задней кромки.[00209] In the cooled turbine blades, these polygonal holding features can be used to attach a heat-insulating coating to the surface of the leading edge that can withstand a high inertial load, and in this example, if a fountain head is required to cool the leading edge, it can penetrate after applying the heat-insulating coating and machining steps, etc. The surfaces of the non-insulating coating located after the stage can be cooled by means of cooling flows introduced, for example, by elements of the
[00210] Трубы трубопроводов, тюбинг общего использования, сопла и т.п., могут включать соответственно разнесенные конформные вихрегенераторы или могут быть оснащены такими вихрегенераторами для уменьшения аэродинамического сопротивления поверхности и повышения энергоотдачи. Для спирально-сварной или цельнокатаной трубы рельефные или механически обработанные внутренние конформные вихрегенераторы могут быть легко встроены с использованием любого подходящего способа изготовления перед формированием спирали и сваркой. Следует отметить, что важным является то, что разнесение между конформными вихрегенераторами должно быть достаточно большим, так чтобы могла происходить реламинаризация, и концевые вихри могли расширяться, в противном случае результатом станет нежелательное увеличение аэродинамического сопротивления, подобно известному турбулизатору или традиционной матрице вихревого генератора.[00210] Pipes, tubing for general use, nozzles, and the like, may include appropriately spaced conformal vortex generators, or may be equipped with such vortex generators to reduce aerodynamic drag of the surface and increase energy efficiency. For a spiral welded or one-piece pipe, embossed or machined internal conformal vortex generators can be easily integrated using any suitable manufacturing method before spiral forming and welding. It should be noted that it is important that the separation between conformal vortex generators must be large enough so that relaminarization can occur and the end vortices can expand, otherwise the result will be an undesirable increase in aerodynamic drag, like a well-known turbulizer or a traditional vortex generator matrix.
[00211] Конформная вихревая камера сгорания: На фиг. 11а показано в наклонном частичном разрезе общее расположение подсегмента кольцевой компактной и эффективной конформной вихревой камеры сгорания или конструкции газогенератора, в которой использован встроенный конформный вихрегенератор для обеспечения усовершенствованной конструкции. Камеры сгорания могут иметь производительность компрессора, используемого в качестве окислителя для сжигания топлива, введенного в управляемую экзотермическую реакцию, для генерирования тепла и/или создания ускоренного потока текучей среды, из которого может быть извлечена работа.[00211] Conformal vortex combustion chamber: FIG. 11a shows, in an oblique partial cross-section, the general arrangement of a subsegment of an annular compact and efficient conformal vortex combustion chamber or gas generator design that uses an integrated conformal vortex generator to provide an improved design. Combustion chambers may have the capacity of a compressor used as an oxidizing agent to burn fuel injected into a controlled exothermic reaction to generate heat and / or create an accelerated fluid stream from which work can be extracted.
[00212] Наружная несущая стенка 200 корпуса камеры сгорания соединена с корпусом компрессора высокого давления посредством входного сопрягающего устройства 201 (соединяющего с компрессором высокого давления наружную и внутреннюю стенки), и также соединена с корпусом турбины высокого давления выходным сопрягающим устройством 202 для поддерживания надежности высокого давления, поскольку камера сгорания обычно является областью самого высокого давления в устройстве. Входная направляющая лопасть 203 камеры сгорания и выходная направляющая лопасть 204 камеры сгорания создают периферийную непрерывность этого подсегмента камеры сгорания в полной матрице и объеме камеры сгорания. Эти направляющие лопасти 203 и 204 камеры сгорания могут быть дополнительно наклонены по отношению к осевым потокам и скручены и могут использоваться в качестве части статорных конструкций для рассеивания и де-турбулизации выходного потока компрессора высокого давления (с использованием лопасти 203) и/или также для определения выходных углов потока камеры сгорания в радиальном размере, и, таким образом, эффективно действовать в качестве компактной встроенной входной статорной лопатки для турбины высокого давления (с использованием лопасти 204) с достаточными охлажденными лопастями для обеспечения возможности проектирования оптимальных углов выходного потока непосредственно в турбину высокого давления первая роторной решетки.[00212] The outer supporting
[00213] Входная масса потока текучей среды подается в камеру сгорания со скоростью и температурой, заданными компрессором высокого давления (и возможно его выходными изменяющими направление лопатками) сквозь отверстие Е и затем рассеивается и замедляется отклоняющими поверхностями входного устройства камеры сгорания, и затем разделяется на три потока, протекающие в верхнее обходное отверстие F, нижнее обходное отверстие Н и работающее на обогащенной смеси отверстие G камеры сгорания. Матрица 205 конформного вихрегенератора, встроенного во входное устройство камеры сгорания, добавлена вдоль внутреннего периметра входного отверстия Е в этой точке расширяющего рассеивающего входа для гашения срывов потока воздуховода, снижения аэродинамического сопротивления и обеспечения возможности создания более эффективной в отношении потока и/или более компактной конструкции для входного потока, причем указанная матрица также может быть применима к воздуховодным поверхностям известной камеры сгорания.[00213] The input mass of the fluid stream is supplied to the combustion chamber at a speed and temperature set by the high-pressure compressor (and possibly its output direction-changing blades) through the hole E and then dispersed and slowed down by the deflecting surfaces of the input of the combustion chamber, and then divided into three flows flowing into the upper bypass hole F, the lower bypass hole H and the combustion chamber opening G operating on the enriched mixture. A
[00214] Расчетная доля массового потока в отверстии G протекает между нижней снабженной конформным вихрегенератором направляющей 213 камеры сгорания и верхней снабженной конформным вихрегенератором направляющей 225 камеры сгорания, где топливо вводится в ступень, и вихревые струи вытекают из матрицы 207 конформного вихрегенератора, встроенного в нижний (и верхний) смеситель камеры сгорания, и эта обогащенная топливная смесь дополнительно замедляется до скорости фронта горения в рассеивающей области ниже по ходу потока отверстия I, где начинается исходное сгорание обогащенной смеси. Затем фронт горения обогащенной смеси после истечения заданного времени переходит в отверстие J для сгорания обедненной смеси, где добавляется дополнительный воздух обходного контура, и сгорание плавно заканчивается непосредственно во второй ступени сгорания обедненной смеси, которая затем завершает окисление топлива с генерацией имеющих пониженное содержание азота окисей. Окончательное сгорание/окисление топлива заканчивается в момент перехода к выходному отверстию K рядом с выходным сопрягающим устройством 202.[00214] The calculated fraction of the mass flow in the hole G flows between the lower
[00215] На выходе из отверстия I, в частности, на задних кромках снабженных конформными вихрегенераторами направляющих 213 и 225 камеры сгорания, матрицы верхних и нижних стабилизирующих горение триммеров 216 захватывают и удерживают распространенные вдоль ширины направляющей вихри горящего топлива на передней и задней поверхностях этих триммеров. Распределенный вдоль ширины направляющей выходные вихри, созданные стабилизирующими горение триммерами 216, также действуют подобно изменяющим эффективную подъемную силу и аэродинамическое сопротивление триммерам Герни для дополнительного увеличения скоса потока в нижнем направлении от задней кромки и облегчения смешивания воздуха из отверстий обходных воздуховодов F и Н в полости отверстия J для сжигания обедненной смеси. Также между триммерами добавлены зазоры 215 для группирования доли направленных вдоль хорды вихревых струй после сгорания обогащенной смеси, выходящих в отверстие J, для смешивания с воздухом второго контура и завершения цикла непрерывного горения обедненной смеси. Как и в случае увеличивающего подъемную силу триммера (LET) турбины низкого давления и лопасти вентилятора, эти стабилизирующие горение триммеры 216 могут быть наклонными и расположенными иным способом кроме перпендикулярного относительно потока текучей среды.[00215] At the exit from the opening I, in particular, on the trailing edges of the
[00216] Если скорость потока текучей среды увеличится на входе камеры сгорания (и, следовательно, в области отверстия I), исходный фронт горения обогащенной смеси отступит назад в область отверстия I, пока рассеивание воздуховода не сбалансирует локальную скорость текучей среды для согласования скорости распространения пламени в данных физических условиях. Это задает минимальное рассеивание (искривление поверхности) требующееся для секции задней части отверстия I для обеспечения устойчивости горения, и при максимальных скоростях потока фронт горения должен находиться перед стабилизирующими горение триммерами 216 и выход задней кромки. Отношение размеров отверстий Е, G и I эффективно управляет скоростью топливной смеси в объеме горения обогащенной смеси, как описано выше в отношении выходной скорости компрессора высокого давления. Отношение отверстий F и Н к G управляет объемом потока для сжигания обогащенной смеси, направления обходным путем, охлаждения и сжигания обедненной воздушной смеси в камере сгорания. Поперечные вихревые струи на передней и задней поверхностях механически прочных стабилизирующих горение триммеров 216 также действуют как очень устойчивый и защищенный от возмущений потока резервный источник воспламенения, когда отключены элементы матрицы 227 воспламенителя. Поскольку объем горения обогащенной смеси генерирует большое количество тепла на локальных обтекаемых поверхностях и стабилизирующих горение триммерах 216 и задней кромке, верхний снабженный конформным вихрегенератором охлаждающий проточный тракт 226 и нижний снабженный конформным вихрегенератором охлаждающий проточный тракт 212 добавлены в соседствующие друг с другом верхний снабженный конформным вихрегенератором корпус 224 воздуховода и нижний снабженный конформным вихрегенератором корпус 214 воздуховода соответственно. Поток охлаждающей текучей среды в указанных верхнем и нижнем снабженных конформным вихрегенератором охлаждающих каналах сконфигурирован, например, нижним охлаждающим входным отверстием 221, ограниченным нижней направляющей 213 камеры сгорания и нижним снабженным конформным вихрегенератором корпусом 214 воздуховода. Выходной охлаждающий воздух из указанных снабженных конформным вихрегенератором охлаждающих проточных трактов 226 и 212 направлен в массовые потоки в отверстии J. Эти охлаждающие каналы встроены в корпуса направляющих снабженных конформным вихрегенератором камер сгорания, поскольку они являются более толстыми управляющими потоком аэродинамическими поверхностями в системе воздухопроводов камеры сгорания, но если эти направляющие аэродинамические поверхности являются достаточно тонкими, и охлаждение является достаточным, наружная обтекаемая потоком поверхность направляющей сможет охлаждать эти аэродинамические поверхности без необходимости использования внутренних охлаждающих каналов. Следует отметить, что вариант реализации камеры сгорания, в качестве примера показанный на фиг. 11а, в общем является симметричным относительно своей средней плоскости, так что позиционные номера, обозначающие спаренные элементы, в некоторых случаях опущены для ясности чертежа, но фактически присутствуют неявно в соответствии с симметричной конструкцией данного конкретного варианта реализации.[00216] If the flow rate of the fluid increases at the inlet of the combustion chamber (and, therefore, in the region of the opening I), the initial combustion front of the enriched mixture recedes back into the region of the opening I until the dispersion of the duct balances the local velocity of the fluid to match the flame propagation velocity in these physical conditions. This sets the minimum dispersion (surface curvature) required for the rear section of hole I to ensure combustion stability, and at maximum flow rates, the combustion front must be in front of the
[00217] Большая часть энерговыделения в камере сгорания происходит в потоках текучей среды в объеме, ограниченном отверстием J, при завершении обедненного сгорания топлива, так что охлаждающая поверхность 217 нижней стенки и охлаждающая поверхность 220 верхней стенки добавлены для экранирования наружных работающих под давлением поверхностей камеры сгорания от этого интенсивного тепла, причем указанные конструкции пересекают часть текучей среды в воздуховодах F и Н в качестве носителей пленочного охлаждения. Для защиты поверхностей выходных направляющих лопаток 204 с обеих сторон камеры сгорания добавлены экраны, подобные боковой охлаждающей поверхности 219, которые также пересекают приходящую текучую среду в воздуховодах F и Н (из области перед корпусом снабженной конформными вихрегенераторами камеры сгорания) в качестве носителя пленочного охлаждения. На охлаждающих поверхностях 217, 220 и поверхностях элементов 219 может быть использовано известное теплоизолирующее покрытие, обращенное к объему, ограниченному отверстием J, или указанное покрытие может быть изготовлено в форме панели из керамикоматричного композита (CMC) для уменьшения тепловых потоков и повреждения, вызванного окислением, в которой дополнительно могут быть использованы уменьшающие аэродинамическое сопротивление матрицы конформного вихрегенератора, подобные матрице 218 нижней охлаждающей поверхности, снабженной конформным вихрегенератором, на обеих поверхностях для снижения аэродинамического сопротивления. Известное теплоизолирующее покрытие также может быть нанесено, например, поверх части поверхностей направляющих 213 и 225 камеры сгорания для снижения местных тепловых потоков, направленных к поверхностям камеры сгорания, и затем эта энергия может быть доступна на выходе камеры сгорания для передачи в секцию турбины высокого давления для совершения полезной работы. Концепции потока в канале, проиллюстрированные на фиг. 9а, 9b, 10а и 10b, также дополнительно могут быть использованы для усовершенствования любой из поверхностей в данной камере сгорания для улучшения потоков и уменьшения лобового сопротивления.[00217] Most of the energy released in the combustion chamber occurs in the fluid flows in the volume bounded by the hole J at the end of the lean fuel combustion, so that the
[00218] Запальная топливная камера 208 повышенного давления и первичная топливная камера 211 повышенного давления питаются упорядоченными потоками отфильтрованного топлива и имеют отдельное наклонное запальное топливное сопло 209 и первичное топливное сопло 210, которые проводят потоки топлива в ступенчатые области матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя. Поток запального топливного сопла 209 является уменьшенным и может быть введен ближе к точке минимума конформного вихрегенератора для надежной дестабилизации и распыления частиц жидкого топлива посредством интенсивных струй образованного ступенькой вихря, преодолевающих вязкость топлива и силы сцепления, и затем часть этой обогащенной топливной смеси подается в вихри, образованные кончиками конформного вихрегенератора, и назад в область, в которой уменьшение скорости вниз по ходу потока до скорости распространения пламени обеспечивает возможность воспламенения. Таким образом, возможна высокая скорость потока текучей среды в ступенчатых областях матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя, которые обеспечивают высокую интенсивность смешивания вихря и задерживают первоначальное сгорание в отверстии I. Если требуется более высокая выходная энергия, давление в первичной топливной камере 211 повышенного давления подобным образом выталкивает топливо сквозь первичное топливное сопло 210 в ступенчатые области матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя. В этом примере показано, что наклонное первичное топливное сопло 210 расположено наиболее близко к областям кончика конформного вихрегенератора и вводит или распыляет порцию топлива в самые высокие вихревые струи для его воспламенения. Использование двух и большего количества топливных инжекционных матриц, а также упорядочение и изменение расхода топлива при необходимости обеспечивают возможность улучшенного регулирования потоков топлива в соответствии с изменяющимися рабочими нагрузками или требующимся количеством экзотермически выработанного тепла. Фактические сопла могут иметь другие конфигурации: размеры, геометрическую форму и варианты реализации, и могут быть размещены в различных местах, которые позволяют извлекать преимущество усовершенствованной, имеющей небольшое лобовое сопротивление топливной инжекции и смешивания путем использования вихрей, возбужденных матрицами встроенного конформного вихрегенератора. Матрицы конформного вихрегенератора обеспечивают путь с небольшим лобовым сопротивлением для добавления множества комбинированных имеющих уменьшенный размер сопел для потока топлива с интенсивным смешиванием и измельчением жидких частиц. В данной камере сгорания также могут использоваться топливные газы, такие как природный газ (метан) или водород и т.п., в которых завихрение не разбивает связанные капели жидкости, но обеспечивает наилучшее входное смешивание текучей среды/топлива. Энергия испарения потока жидкого топлива может быть использована для уравновешивания рабочего охлаждения, например, ступеней матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя, топливных камер повышенного давления, сопел и соседних с ними области, и может быть повышена путем усовершенствования способов изготовления, материалов и конструкции для управления или разделения проводимости теплового потока вниз по ходу потока и т.п.[00218] The
[00219] На фиг. 11b показан в разрезе пример сборочного узла расположенных по ходу потока корпусов 213, 225, 216 и т.п., в форме, например, керамической вставки, керамической хвостовой части 228 с дополнительной матрицей 229 снабженного конформным вихрегенератором сопрягающего устройства, встроенной в переходную часть корпуса после топливных сопел, для уменьшения передачи тепла в топливные камеры повышенного давления, или эта расположенная ниже по ходу потока часть, обращенная к отверстию I, может иметь металлическое покрытие с теплоизолирующим слоем и т.п., для снижения передачи тепла через согласующую поверхность матрицы 229 встроенного в сопрягающее устройство конформного вихрегенератора. Присоединенная керамическая хвостовая часть 228, расположенная позади модифицированных аэродинамических поверхностей 213 и 225, поддерживающая потоки в каналах отверстий F и Н и отверстия I горения обогащенной смеси, обеспечивает возможность упрощения конструкции за счет устранения потребности в охлаждающих проточных трактах 226 и 212, снабженных конформным вихрегенератором, и т.п. Токопроводящие элементы для матрицы 227 воспламенителя могут быть встроены или проложены в керамической изоляции или корпусе из керамикоматричного композита, или в отверстиях, ведущих от основной полости, например, из жаропрочного металла, подобного вольфраму, с искровым разрядником к второму проводнику или секции охлажденной стенки, в результате чего может быть создана конструкция, которая может выдерживать очень высокие температуры сгорания. Дополнительное наклонное инжекционное сопло 230 камеры сгорания показано расположенным в ступени конформного вихрегенератора матрицы 229 снабженного конформным вихрегенератором сопрягающего устройства верхней или наружной поверхности керамической хвостовой части 228. Поскольку давление в отверстии F/H и отверстии I может быть изменено и сбалансировано относительно входного давления в отверстии Е, может быть осуществлено введение входного отобранного воздуха и охлаждение текучей среды из расположенного выше по течению потока для небольшого нагнетания в области сердечника керамической хвостовой части 228 и последующее отклонение этого охлаждающего потока через инжекционное сопло 230 камеры сгорания также для повышения импульса пограничного слоя потоков текучей среды на боковой стороне отверстия Н и/или отверстия I керамической хвостовой части 228. Примеры инжекционного сопла 230 камеры сгорания также могут быть применены к входной матрице 222 снабженной конформным вихрегенератором наружной поверхности воздуховода и матрице 223 снабженной конформным вихрегенератором внутренней поверхности воздуховода. Дополнительные пазы расширения после ступени и/или ступенчатая срезающая направляющая могут быть добавлены к керамической хвостовой части 228, но не показаны на чертеже для ясности.[00219] In FIG. 11b shows a sectional example of an assembly of
[00220] Показанные на фиг. 11b версии модифицированных аэродинамических поверхностей 213 и 225 выполнены в форме тонкостенных отливок и топливных камер повышенного давления, причем эти компоненты могут быть сплошными или могут быть выполнены с использованием любой комбинации способов изготовления для обеспечения правильной геометрии потоков. Дополнительная матрица 229 встроенного в сопрягающее устройств конформного вихрегенератора может иметь свое смещение точек минимума и кончиков или различный шаг в направлении от матрицы 207 конформного вихрегенератора, встроенного в смеситель, для улучшения смешивания топлива. Давлением инжекции топлива управляют для обеспечения соответствующих режимов струйных потоков при необходимой рабочей нагрузке, чтобы давление входящего жидкого топлива любых типов не падало ниже его давления пара до выпуска топлива из сопел таким образом, чтобы паровая пробка не блокировала потоки топлива.[00220] Shown in FIG. 11b, versions of the modified
[00221] Для других поверхностей камеры сгорания могут быть использованы другие предпочтительные варианты реализации матриц конформного вихрегенератора, обеспечивающие уменьшение аэродинамического сопротивления камеры сгорания, и матрица 207 конформного вихрегенератора, встроенного в смеситель, показана как явно более высокая ступенчатая конструкция, поскольку она прежде всего используется для надежного достаточного смешивания топлива и образования соответствующей вихревой турбулентности, и выполняет вспомогательную функцию уменьшения аэродинамического сопротивления. Матрица 206 конформного вихрегенератора, встроенного в среднюю часть поверхности, и матрица 222 входного конформного вихрегенератора, встроенного в наружную поверхность воздуховода, и матрица 223 конформного вихрегенератора, встроенного во внутреннюю поверхность воздуховода, расположенные на верхней и нижней поверхностях соответственно, также дополнительно добавлены для уменьшения общего аэродинамического сопротивления поверхности от обтекаемых поверхностей и обеспечения более широкого диапазона значений числа Рейнольдса без индуцирования потери от срыва потока в камере сгорания и на канализирующих поверхностях.[00221] For other surfaces of the combustion chamber, other preferred embodiments of the conformal vortex generator matrices that reduce the aerodynamic drag of the combustion chamber can be used, and the conformal
[00222] Могут быть использованы больше чем одна пара направляющих 213 и 225 камеры сгорания, или может быть использована одиночная направляющая 213 камеры сгорания (возможно с керамической хвостовой частью 228), выполненная с возможностью улучшения потоков внутри одиночной камеры сгорания, ограниченной несущей стенкой 200 камеры сгорания, определяющей геометрическую форму конструкции и т.п. Основная конструкция может быть модифицирована по существу от конструкции плоского подсегмента с постоянным радиусом (от осей вала двигателя), как показано на фиг. 11а, до конструкции с направляющими 213 и 225/228 камеры сгорания, сливающимися в круглую симметричную структуру (подобную трубка Вентури), если этот вариант реализации более эффективен для доступных объемов конструкции. Направляющие 213 и 225 камеры сгорания также могут быть сконфигурированы радиально для эффективного использования матрицы 207 конформного вихрегенератора, встроенного в смеситель, выровненной в радиальном направлении, и могут действовать подобно комбинациям входных лопастей статора турбины высокого давления с встроенными топливными инжекционными отверстиями и камерами сгорания. Примеры конструкции камеры сгорания, снабженной конформным вихрегенератором, могут быть легко модифицированы для других типов потока, таких как складчатые и реверсирующие проточные тракты и пути камеры сгорания, как, например, в описанной в Allison '250 турбине PW300 и в других имеющих уменьшенные размеры турбинах.[00222] More than one pair of combustion chamber guides 213 and 225 may be used, or a single combustion chamber guide 213 (possibly with a ceramic tail portion 228) may be used, configured to improve flows within a single combustion chamber bounded by the
[00223] Также можно использовать данную стратегию смешивания вихревого потока конформного вихрегенератора для улучшения потока и смешивающих сопрягающих устройств и воздухопроводов/трубопроводов в камерах сгорания других типов, таких, например, как жидкотопливная и окисляющая камеры сгорания, и для питания центробежных турбонасосов (с дополнительными встроенными в крыльчатку конформными вихрегенераторами) для случаев применения, таких как водородная/жидко-кислородная ракета или двигатель малой тяги, в которых некоторые из рабочих текучих сред возможно находятся в криогенном состоянии перед точкой воспламенения фронта горения и требуют тщательного смешивания при высоких скоростях перед воспламенением и расширением через выпускное сопло для генерировании тяги. Камеры сгорания этого типа могут представлять собой смеситель пластинчатой конструкции с отверстиями для инжекции потока и могут содержать конформные вихрегенераторы, встроенные в их периметры, для создания вихревых выходных струй для повышения стабильности сгорания и смешивания при дросселировании или изменении потоков топлива.[00223] You can also use this conformal vortex generator vortex mixing strategy to improve the flow of both mixing mating devices and air ducts / pipelines in other types of combustion chambers, such as, for example, liquid fuel and oxidizing combustion chambers, and to power centrifugal turbopumps (with additional built-in into the impeller by conformal vortex generators) for applications such as a hydrogen / liquid-oxygen rocket or thruster, in which some of the working fluid sneeze environments are possible in the cryogenic condition before the ignition point of the flame front and require careful mixing at high speed before ignition and extending through the discharge nozzle for generating thrust. Combustion chambers of this type may be a plate-type mixer with holes for flow injection and may contain conformal vortex generators built into their perimeters to create vortex output jets to improve combustion stability and mixing when throttling or changing fuel flows.
[00224] Другой вариант реализации представляет собой твердотопливную камеру сгорания, в которой топливо прикреплено внутри защитной оболочки, работающей под давлением, или (фактически) полузакрытую конструкцию воздуховода/трубопровода. Сгорание развивается с использованием окислителя, целиком смешанного с твердым топливом, или с использованием введенного потока окислителя (подобно двигателю Rutan/Virgin Galactic с использованием N20), и энергетические продукты сгорания (фактически, входной поток текучей среды, который должен быть обработан), проходят сквозь выходное сопло для создания тяги. Стенки защитной оболочки/воздуховода и/или сопла могут быть обработаны как в предыдущих вариантах реализации встроенного в воздуховод конформного вихрегенератора, показанных на фиг. 10, для использования конформных вихрегенераторов для создания поверхностного сопрягающего устройства для выходного потока с небольшим лобовым сопротивлением, проявляющимся при потреблении топлива, и может быть встроено теплоизолирующее покрытие наряду с дополнительными охлаждающими соплами, как, например, в лопатке турбины высокого давления. Потери, связанные с поверхностным аэродинамическим сопротивлением и ударными нагрузками на обтекаемых поверхностях традиционного конического / колоколообразного выхлопного сопла или коммерчески доступного выхлопного сопла типа Aerospike, могут быть уменьшены за счет улучшения и/или модифицирования указанных поверхностей с использованием конформных вихрегенераторов, приспособленных для этой цели. Конформные вихрегенераторы также могут быть использованы в смешивающей камере для самовоспламеняющегося топлива, которая действует подобно камере сгорания, или они могут быть использованы в присоединенных соплах.[00224] Another embodiment is a solid fuel combustion chamber in which fuel is attached inside a pressure protective enclosure, or (actually) a semi-closed duct / pipe structure. Combustion is developed using an oxidizing agent mixed entirely with solid fuel, or using an injected oxidizing stream (similar to a Rutan / Virgin Galactic engine using N 2 0), and energy-based combustion products (in fact, the input fluid stream to be processed) pass through the outlet nozzle to create traction. The walls of the containment / duct and / or nozzle may be treated as in the previous embodiments of the conformal eddy-oscillator integrated in the duct shown in FIG. 10, to use conformal vortex generators to create a surface mating device for the output stream with a small frontal resistance, which manifests itself when fuel is consumed, and a heat-insulating coating can be integrated along with additional cooling nozzles, such as, for example, in a high-pressure turbine blade. Losses associated with surface aerodynamic drag and impact loads on the streamlined surfaces of a traditional conical / bell-shaped exhaust nozzle or a commercially available exhaust nozzle of the Aerospike type can be reduced by improving and / or modifying said surfaces using conformal vortex generators adapted for this purpose. Conformal vortex generators can also be used in a mixing chamber for self-igniting fuel, which acts like a combustion chamber, or they can be used in attached nozzles.
[00225] Линии подачи топлива, насосы, воспламенители и другие вспомогательные системы и т.п., не показаны на чертежах, поскольку они в основном являются стандартными и соответствуют общей форме и функциям уровня техники. На фиг. 11а и 11b в разрезе показаны без соблюдения масштаба разделение и соотношения потока текучей среды в отверстиях, время транспортировки текучей среды, размеры компонентов и изделий и их расположение, которые в случае необходимости могут быть модифицированы в широких пределах для соответствия требованиям к конструкции в отношении рабочей среды и видов топлива и т.п., на основе фундаментального понятия об использовании снижающего аэродинамическое сопротивление встроенного конформного вихрегенератора для общего уменьшения аэродинамического сопротивления, улучшения распыления топлива и смешивания в компактной камере сгорания, имеющей высокие характеристики, низкую эмиссию и низкое энергопотребление. Показанные на фиг. 11а и 11b общие размеры, например, камеры сгорания CFM-56 или сегмента, могут быть масштабированы с увеличением или уменьшением размеров и длины, и т.п., в соответствии с требованиями конкретного случая применения газогенератора. Если полная внутренняя площадь поверхности новой конформной вихревой камеры сгорания сконфигурирована подобно известной камере сгорания, эта новая конструкция обеспечивает возможность существенного абсолютного уменьшения аэродинамического сопротивления и потерь по сравнению с известной конструкцией и возможность конструирования пути воздуховода и секций аэродинамической поверхности для точных расхождения/рассеивания и скоростей потока для обеспечения надежного сгорания.[00225] Fuel supply lines, pumps, ignitors and other auxiliary systems and the like are not shown in the drawings, since they are generally standard and correspond to the general form and functions of the prior art. In FIG. 11a and 11b show, in sectional view, the separation and the ratio of the fluid flow in the openings, the transport time of the fluid, the dimensions of the components and products and their location, which, if necessary, can be modified over a wide range to meet the design requirements for the working environment and fuels, etc., based on the fundamental concept of using the built-in conformal vortex generator to reduce aerodynamic drag to reduce aerodynamically resistance, improved fuel atomization and mixing in a compact combustion chamber having high performance, low emission and low power consumption. Shown in FIG. 11a and 11b, the overall dimensions of, for example, a CFM-56 combustion chamber or segment, can be scaled to increase or decrease size and length, etc., in accordance with the requirements of a particular gas generator application. If the total internal surface area of the new conformal vortex combustion chamber is configured similarly to the known combustion chamber, this new design provides the possibility of a significant absolute reduction in aerodynamic drag and loss compared to the known design and the ability to design the duct path and sections of the aerodynamic surface for accurate divergence / dispersion and flow rates to ensure reliable combustion.
[00226] Эти неожиданно оказавшиеся разнообразными диапазоны типов высокотемпературных и/или высокопрочных вариантов реализации, описанных в настоящей заявке, для улучшения потоков текучей среды в устройствах и повышения энергетической эффективности являются неожиданным результатом и фактической возможностью применения встроенного конформного вихрегенератора, что просто не целесообразно или невозможно с использованием традиционного известного вихревого генератора. Во всех описанных выше вариантах реализации и модификациях в их самом фундаментальном общем смысле используется новый конформный вихрегенератор для обработки или управления потоками ньютоновской текучей среды для получения уровня преимуществ, таких как усовершенствованная энергетическая эффективность и/или расширенные диапазоны регулирования, невозможные в уровне техники.[00226] These unexpectedly diverse ranges of types of high-temperature and / or high-strength embodiments described in this application for improving fluid flows in devices and increasing energy efficiency are an unexpected result and the actual possibility of using an integrated conformal vortex generator, which is simply not practical or impossible using a traditional well-known vortex generator. In all the embodiments and modifications described above, in their most fundamental general sense, a new conformal vortex generator is used to process or control Newtonian fluid flows to obtain a level of benefits such as improved energy efficiency and / or extended control ranges not possible in the prior art.
[00227] Таким образом, не смотря на то, что раскрытая в настоящей заявке информация детализирует предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, они не предназначены служить материальными ограничениями объема защиты заявленного изобретения, и любые особенности и альтернативные конструкции, которые могут быть очевидными для специалиста, должны считаться включенными в настоящую заявку. Следовательно, вместо ограничения конкретными особенностями, описанными в отношении предпочтительного варианта реализации, объем защиты настоящего изобретения формулируется и конкретно описывается в следующих пунктах приложенной формулы.[00227] Thus, while the information disclosed in this application details preferred embodiments of the present invention, they are not intended to serve as material limitations on the scope of protection of the claimed invention, and any features and alternative designs that may be obvious to a person skilled in the art be considered included in this application. Therefore, instead of being limited to the specific features described in relation to the preferred embodiment, the scope of protection of the present invention is formulated and specifically described in the following claims.
Claims (38)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/IB2013/050676 WO2014114988A1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | Energy efficiency improvements for turbomachinery |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015131056A RU2015131056A (en) | 2017-02-28 |
RU2642203C2 true RU2642203C2 (en) | 2018-01-24 |
Family
ID=51226975
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015131056A RU2642203C2 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | Method and system of aero/hydrodynamic control of newtonian fluid flow in radial turbomachine |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2948369A4 (en) |
JP (1) | JP2016509651A (en) |
CN (1) | CN105307931A (en) |
AU (1) | AU2013375126A1 (en) |
BR (1) | BR112015017808A2 (en) |
CA (1) | CA2899238A1 (en) |
NZ (1) | NZ710406A (en) |
RU (1) | RU2642203C2 (en) |
WO (1) | WO2014114988A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2742558C1 (en) * | 2020-05-11 | 2021-02-08 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Биопрактика" | Device for degassing of liquid media |
RU2753586C1 (en) * | 2020-12-02 | 2021-08-18 | Сергей Николаевич Низов | Group of vortex generators and method for installing vortex generators |
RU2782555C2 (en) * | 2018-02-16 | 2022-10-31 | Сафран Эйркрафт Энджинз | Profiled aerodynamic structure and turbomachine for aircraft (options) |
US11701616B2 (en) | 2017-09-22 | 2023-07-18 | Dehlsen Associates Of The Pacific Limited | Sorbent emitter for direct air capture of carbon dioxide |
Families Citing this family (42)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104462768B (en) * | 2014-11-06 | 2017-08-01 | 上海电气电站设备有限公司 | The efficiency and power consumption of a kind of large turbo-type generator aerofoil fan determine method |
US10132498B2 (en) | 2015-01-20 | 2018-11-20 | United Technologies Corporation | Thermal barrier coating of a combustor dilution hole |
EP3280918B1 (en) | 2015-04-08 | 2021-03-03 | Horton, Inc. | Fan blade with flow modification features on the pressure side |
US10507906B2 (en) * | 2015-04-28 | 2019-12-17 | The Boeing Company | Aerodynamic surface assembly defining a fluidic actuation orifice |
AU2016338382B2 (en) * | 2015-09-02 | 2021-04-01 | Jetoptera, Inc. | Ejector and airfoil configurations |
US10450867B2 (en) * | 2016-02-12 | 2019-10-22 | General Electric Company | Riblets for a flowpath surface of a turbomachine |
CN105841191B (en) * | 2016-03-30 | 2018-07-06 | 中国科学院工程热物理研究所 | A kind of V-flame stabilizer trailing edge structures |
CN106226044B (en) * | 2016-07-06 | 2018-12-14 | 浙江大学宁波理工学院 | A kind of Reliable Evaluating Methods of Their Performance of marine tidal-current energy capture blade |
US11286787B2 (en) | 2016-09-15 | 2022-03-29 | Raytheon Technologies Corporation | Gas turbine engine airfoil with showerhead cooling holes near leading edge |
CN106564585B (en) * | 2016-10-26 | 2019-12-10 | 北京航空航天大学 | High-performance deep stall wing structure and aircraft |
EP3330614B1 (en) | 2016-11-30 | 2019-10-02 | Ansaldo Energia Switzerland AG | Vortex generating device |
WO2018129721A1 (en) * | 2017-01-13 | 2018-07-19 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | Propeller of aircraft, power set and unmanned aerial vehicle |
US11242865B2 (en) * | 2017-01-24 | 2022-02-08 | Hitachi, Ltd. | Fluid apparatus |
EP3583313A1 (en) * | 2017-02-17 | 2019-12-25 | MHI Vestas Offshore Wind A/S | Leading edge protection of a wind turbine blade |
CN111279554A (en) * | 2017-10-30 | 2020-06-12 | 株式会社Qps研究所 | Reflector, unfolding antenna and spacecraft |
US11053888B2 (en) * | 2017-11-01 | 2021-07-06 | The Boeing Company | Fan cowl with a serrated trailing edge providing attached flow in reverse thrust mode |
CN108216617B (en) * | 2017-12-29 | 2020-04-24 | 厦门大学 | Method for suppressing helicopter propeller-vortex interference noise |
CN109236731B (en) * | 2018-10-18 | 2020-08-28 | 江苏大学 | Wear-resistant blade based on coupling bionic optimization |
CN109726440B (en) * | 2018-12-04 | 2023-04-18 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | Aeroelasticity analysis method considering dynamic characteristics of internal fluid |
ES2767024B2 (en) * | 2018-12-14 | 2021-09-17 | Univ Sevilla | VORTE GENERATOR DEVICE IN CHANNELS OR DUCTS |
CN109649642B (en) * | 2018-12-21 | 2022-04-12 | 中国航天空气动力技术研究院 | Control device for inhibiting shear flow density pulsation |
US11645043B2 (en) * | 2019-02-11 | 2023-05-09 | Dynatrace Llc | Method and system for calculating minwise hash signatures from weighted sets |
CN109895983A (en) * | 2019-03-20 | 2019-06-18 | 西北工业大学 | A kind of sawtooth trailing edge denoising structure suitable for ducted propeller |
FR3103215B1 (en) * | 2019-11-20 | 2021-10-15 | Safran Aircraft Engines | Turbomachine rotary fan blade, fan and turbomachine fitted therewith |
EP3842336B1 (en) * | 2019-12-27 | 2023-06-28 | Bombardier Inc. | Variable wing leading edge camber |
US11686208B2 (en) | 2020-02-06 | 2023-06-27 | Rolls-Royce Corporation | Abrasive coating for high-temperature mechanical systems |
CN113932249B (en) * | 2020-06-29 | 2022-10-18 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | Combustion chamber and pre-diffuser |
CN112084725B (en) * | 2020-09-09 | 2022-06-24 | 中自环保科技股份有限公司 | Method for evaluating performance of SCR mixer of diesel internal combustion engine |
CN112555556A (en) * | 2020-10-27 | 2021-03-26 | 中国原子能科学研究院 | Inverted tooth type throttling element |
CN112253314A (en) * | 2020-11-10 | 2021-01-22 | 上海海事大学 | Gas turbine fan and compressor blade drag reduction structure based on shark gill jet flow |
CN112696710B (en) * | 2020-12-29 | 2022-11-22 | 中国航发沈阳发动机研究所 | Method and system for determining size of mixing hole of flame tube with funnel |
CN113153868B (en) * | 2021-03-17 | 2022-12-09 | 太原理工大学 | Method for enhancing robustness of turbulent industrial fluid |
CN112977713B (en) * | 2021-04-07 | 2021-12-21 | 浙江海洋大学 | Vortex generator for propeller type ship and ship |
CN113190786B (en) * | 2021-05-13 | 2024-03-15 | 岳聪 | Vibration prediction method for large-scale rotating equipment by utilizing multidimensional assembly parameters |
FR3123380A1 (en) * | 2021-05-28 | 2022-12-02 | Safran Aircraft Engines | Improved leading edge shield |
EP4112451A1 (en) * | 2021-06-28 | 2023-01-04 | BAE SYSTEMS plc | Duct arrangement and method |
EP4363311A1 (en) * | 2021-06-28 | 2024-05-08 | BAE SYSTEMS plc | Duct arrangement and method |
US20230034004A1 (en) * | 2021-07-29 | 2023-02-02 | General Electric Company | Mixer vanes |
CN114738054B (en) * | 2022-05-20 | 2023-05-02 | 西北工业大学 | Design method of bionic turbine blade of aero-engine |
CN115355369A (en) * | 2022-08-26 | 2022-11-18 | 武汉理工大学 | Water pipeline connecting device based on bionic principle and installation method |
CN116658451B (en) * | 2023-08-02 | 2023-10-03 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | Method for correcting total pressure of outlet of air compressor in core machine environment based on wake loss |
CN117408187B (en) * | 2023-12-14 | 2024-03-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Guide structure for controlling cavitation of hydraulic machinery |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4852355A (en) * | 1980-12-22 | 1989-08-01 | General Electric Company | Dispensing arrangement for pressurized air |
US4984626A (en) * | 1989-11-24 | 1991-01-15 | Carrier Corporation | Embossed vortex generator enhanced plate fin |
RU2094313C1 (en) * | 1995-04-20 | 1997-10-27 | Виктор Павлович Винокуров | Lifting surface |
US20100266385A1 (en) * | 2007-01-17 | 2010-10-21 | Praisner Thomas J | Separation resistant aerodynamic article |
US20110006165A1 (en) * | 2009-07-10 | 2011-01-13 | Peter Ireland | Application of conformal sub boundary layer vortex generators to a foil or aero/ hydrodynamic surface |
US20110182746A1 (en) * | 2008-07-19 | 2011-07-28 | Mtu Aero Engines Gmbh | Blade for a turbo device with a vortex-generator |
US20110252791A1 (en) * | 2010-04-19 | 2011-10-20 | Honeywell International Inc. | Axial turbine with parallel flow compressor |
US20110315248A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-29 | Simpson Roger L | Low drag asymmetric tetrahedral vortex generators |
US20120018021A1 (en) * | 2009-09-30 | 2012-01-26 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Vortex generators to control boundary layer interactions |
US20120076653A1 (en) * | 2010-09-28 | 2012-03-29 | Beeck Alexander R | Turbine blade tip with vortex generators |
US20120131923A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | General Electric Company | System and method for premixer wake and vortex filling for enhanced flame-holding resistance |
Family Cites Families (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2899150A (en) * | 1959-08-11 | Bound vortex skin | ||
US2800291A (en) * | 1950-10-24 | 1957-07-23 | Stephens Arthur Veryan | Solid boundary surface for contact with a relatively moving fluid medium |
US3779199A (en) * | 1969-09-25 | 1973-12-18 | R Mayer | Boundary layer control means |
US4434957A (en) * | 1982-03-30 | 1984-03-06 | Rolls-Royce Incorporated | Low drag surface |
DE3325663C2 (en) * | 1983-07-15 | 1985-08-22 | MTU Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, 8000 München | Axial flow through a blade grille of a gas or steam powered turbine |
DE3342421C2 (en) * | 1983-11-24 | 1987-01-29 | Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn | Method for stabilizing detached laminar boundary layers |
GB8626371D0 (en) * | 1986-11-04 | 1987-03-18 | British Aerospace | Aerodynamic/hydrodynamic surfaces |
US5088665A (en) * | 1989-10-31 | 1992-02-18 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Serrated trailing edges for improving lift and drag characteristics of lifting surfaces |
US5598990A (en) * | 1994-12-15 | 1997-02-04 | University Of Kansas Center For Research Inc. | Supersonic vortex generator |
US6820430B1 (en) * | 1999-07-12 | 2004-11-23 | Bruce A. Tassone | Method and apparatus for providing evaporative cooling and power augmentation in gas turbines |
GB0001399D0 (en) * | 2000-01-22 | 2000-03-08 | Rolls Royce Plc | An aerofoil for an axial flow turbomachine |
US7048505B2 (en) * | 2002-06-21 | 2006-05-23 | Darko Segota | Method and system for regulating fluid flow over an airfoil or a hydrofoil |
US6629674B1 (en) * | 2002-07-24 | 2003-10-07 | General Electric Company | Method and apparatus for modulating airfoil lift |
DE10237341A1 (en) * | 2002-08-14 | 2004-02-26 | Siemens Ag | Finite vortex model for use in fluid flow numerical simulation, especially for modeling unsteady flows, whereby a general roll-off model is used to model the finite edge vortex |
DE102005054248A1 (en) * | 2005-11-15 | 2007-05-24 | Airbus Deutschland Gmbh | Braking flap for deceleration of aircraft against air-flow which surrounds aircraft, comprises many vortex edges, which resolve individual edge section into number of vortex part, are arranged at free edge |
US7748958B2 (en) * | 2006-12-13 | 2010-07-06 | The Boeing Company | Vortex generators on rotor blades to delay an onset of large oscillatory pitching moments and increase maximum lift |
JP5474279B2 (en) * | 2007-03-06 | 2014-04-16 | 株式会社Ihi | Cooling turbine blade |
US7900871B2 (en) * | 2007-07-20 | 2011-03-08 | Textron Innovations, Inc. | Wing leading edge having vortex generators |
US20100008759A1 (en) * | 2008-07-10 | 2010-01-14 | General Electric Company | Methods and apparatuses for providing film cooling to turbine components |
JP2011163123A (en) * | 2010-02-04 | 2011-08-25 | Ihi Corp | Turbine moving blade |
US8820084B2 (en) * | 2011-06-28 | 2014-09-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Apparatus for controlling a boundary layer in a diffusing flow path of a power generating machine |
US8657238B2 (en) * | 2011-07-05 | 2014-02-25 | The Boeing Company | Retractable vortex generator for reducing stall speed |
CN102705264A (en) * | 2012-06-15 | 2012-10-03 | 美的集团有限公司 | Axial flow wind wheel |
-
2013
- 2013-01-25 EP EP13873064.3A patent/EP2948369A4/en not_active Withdrawn
- 2013-01-25 AU AU2013375126A patent/AU2013375126A1/en not_active Abandoned
- 2013-01-25 WO PCT/IB2013/050676 patent/WO2014114988A1/en active Application Filing
- 2013-01-25 RU RU2015131056A patent/RU2642203C2/en not_active IP Right Cessation
- 2013-01-25 CN CN201380071493.1A patent/CN105307931A/en active Pending
- 2013-01-25 JP JP2015554259A patent/JP2016509651A/en not_active Ceased
- 2013-01-25 CA CA2899238A patent/CA2899238A1/en not_active Abandoned
- 2013-01-25 NZ NZ710406A patent/NZ710406A/en not_active IP Right Cessation
- 2013-01-25 BR BR112015017808A patent/BR112015017808A2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4852355A (en) * | 1980-12-22 | 1989-08-01 | General Electric Company | Dispensing arrangement for pressurized air |
US4984626A (en) * | 1989-11-24 | 1991-01-15 | Carrier Corporation | Embossed vortex generator enhanced plate fin |
RU2094313C1 (en) * | 1995-04-20 | 1997-10-27 | Виктор Павлович Винокуров | Lifting surface |
US20100266385A1 (en) * | 2007-01-17 | 2010-10-21 | Praisner Thomas J | Separation resistant aerodynamic article |
US20110182746A1 (en) * | 2008-07-19 | 2011-07-28 | Mtu Aero Engines Gmbh | Blade for a turbo device with a vortex-generator |
US20110006165A1 (en) * | 2009-07-10 | 2011-01-13 | Peter Ireland | Application of conformal sub boundary layer vortex generators to a foil or aero/ hydrodynamic surface |
US20120018021A1 (en) * | 2009-09-30 | 2012-01-26 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Vortex generators to control boundary layer interactions |
US20110252791A1 (en) * | 2010-04-19 | 2011-10-20 | Honeywell International Inc. | Axial turbine with parallel flow compressor |
US20110315248A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-29 | Simpson Roger L | Low drag asymmetric tetrahedral vortex generators |
US20120076653A1 (en) * | 2010-09-28 | 2012-03-29 | Beeck Alexander R | Turbine blade tip with vortex generators |
US20120131923A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | General Electric Company | System and method for premixer wake and vortex filling for enhanced flame-holding resistance |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11701616B2 (en) | 2017-09-22 | 2023-07-18 | Dehlsen Associates Of The Pacific Limited | Sorbent emitter for direct air capture of carbon dioxide |
RU2782555C2 (en) * | 2018-02-16 | 2022-10-31 | Сафран Эйркрафт Энджинз | Profiled aerodynamic structure and turbomachine for aircraft (options) |
RU2742558C1 (en) * | 2020-05-11 | 2021-02-08 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Биопрактика" | Device for degassing of liquid media |
RU2753586C1 (en) * | 2020-12-02 | 2021-08-18 | Сергей Николаевич Низов | Group of vortex generators and method for installing vortex generators |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015131056A (en) | 2017-02-28 |
WO2014114988A1 (en) | 2014-07-31 |
CN105307931A (en) | 2016-02-03 |
BR112015017808A2 (en) | 2017-07-11 |
EP2948369A1 (en) | 2015-12-02 |
CA2899238A1 (en) | 2014-07-31 |
JP2016509651A (en) | 2016-03-31 |
EP2948369A4 (en) | 2017-01-18 |
AU2013375126A1 (en) | 2015-08-13 |
NZ710406A (en) | 2017-11-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2642203C2 (en) | Method and system of aero/hydrodynamic control of newtonian fluid flow in radial turbomachine | |
US20160052621A1 (en) | Energy efficiency improvements for turbomachinery | |
US8683814B2 (en) | Gas turbine engine component with impingement and lobed cooling hole | |
US10323522B2 (en) | Gas turbine engine component with diffusive cooling hole | |
US8572983B2 (en) | Gas turbine engine component with impingement and diffusive cooling | |
US9273560B2 (en) | Gas turbine engine component with multi-lobed cooling hole | |
US8733111B2 (en) | Cooling hole with asymmetric diffuser | |
EP2815096B1 (en) | Gas turbine engine component with converging/diverging cooling passage | |
US9284844B2 (en) | Gas turbine engine component with cusped cooling hole | |
EP3070406A1 (en) | Engine component | |
EP2815105B1 (en) | Component and corresponding turbofan engine | |
WO2013123012A1 (en) | Gas turbine engine component with compound cusp cooling configuration | |
Wang et al. | Numerical Investigations of the Influence of Unsteady Vane Trailing Edge Shock Wave on Film Cooling Effectiveness of Rotor Blade Leading Edge |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190126 |