UA76596C2 - Рециркулюючий пристрій для турбокомпресора, авіаційний двигун та стаціонарна газова турбіна, оснащені рециркулюючим пристроєм - Google Patents

Abstract

Рециркулюючий пристрій для турбокомпресора, що має кільцеву камеру (29), яка розташована в зоні вільних кінців лопаток лопаткового вінця здебільшого перед ним за ходом потоку і граничить з основним проточним каналом (9), і багатьма розташованими у цій кільцевій камері і розподілених по її окружності напрямними елементами (37), що за рахунок їх відповідного розміщення і надання їм відповідної форми забезпечують аеродинамічно раціональний рух рециркуляційного потоку. В передній і/або задній частині кільцевої камери (29) між її передньою, відповідно задньою стінкою і цими напрямними елементами (37) є виїмки. Кільцева камера (29) з її сторони, що граничить з контуром основного проточного каналу (9), відкрита за всією її осьовою довжиною і по всій її окружності, при цьому вільні кромки (41) напрямних елементів (37) лежать на або поблизу лінії, що обмежує контур основного проточного каналу (9).

Description

хилу або скривлення кути В підібрані з таким роз- бокомпресора виключається зіткнення кінців (28) рахунком, щоб полегшити з аеродинамічної точки лопаток з напрямними елементами (40). зору, тобто забезпечити аеродинамічне раціона- 10. Рециркулюючий пристрій за будь-яким з попе- льне надходження рециркуляційного потоку в кі- редніх пунктів, який відрізняється тим, що на- льцеву камеру (29-32). прямні елементи (37-40) виконані з металу, такого 8. Рециркулюючий пристрій за будь-яким з попе- як сталь або сплав на основі Мі або Со, з легкого редніх пунктів, який відрізняється тим, що спів- металу, такого як АЇ, або із синтетичного матеріа- відношення між загальним об'ємом потоку і зага- лу, такого як термопласт, реактопласт або елас- льним об'ємом напрямних елементів (37-40) у томер. межах рециркуляційної структури (1-4) підібрано 11. Рециркулюючий пристрій за п. 10, який відріз- максимально можливим, тобто напрямні елементи няється тим, що вільні кромки (41-44) напрямних (37-40) виконані мінімально можливої товщини, елементів (37-40), якщо вони виконані з легкого відповідно спрофільовані мінімально тонкими. металу або синтетичного матеріалу, доходять аж 9. Рециркулюючий пристрій за будь-яким з попе- до зони вільних кінців (25-28) лопаток і допускають редніх пунктів, у якому напрямні елементи в осьо- можливість зіткнення з ними. вому напрямку доходять аж до зони вільних кінців 12. Авіаційний двигун, оснащений турбокомпресо- лопаток, який відрізняється тим, що вільні кромки ром щонайменше з одним рециркулюючим при- (44) напрямних елементів (40) щонайменше на строєм за будь-яким з попередніх пунктів. ділянці, розташованій радіально напроти вільних 13. Стаціонарна газова турбіна, оснащена турбо- кінців (28) лопаток, радіально віддалені від них на компресором щонайменше з одним рециркулюю- таку відстань, при якій при нормальній роботі тур- чим пристроєм за будь-яким з пп. 1-11.

Даний винахід відноситься до рециркуляційної ченого на початку опису типу. Такий пристрій має структури для турбокомпресора відповідно до об- кільцеву камеру (поз.8) з нерухомо встановленими межувальної частини п.ї7 формули винаходу, а в ній направляючими елементами (поз.9). На зад- також до авіаційного двигуна і стаціонарної газової ньому за ходом потоку ділянці над кінцями робо- турбіни. чих лопаток розташована відкрита по всій окруж-

Рециркуляційні структури для турбокомпресо- ності зона, до якого направляючі елементи не рів відомі вже досить давно і серед фахівців зви- доходять. Характерною рисою подібного пристрою чайно називаються пристроями типу "савзіпд типу "сазіпд ігеаїтепі!" є наявність у ньому замкну- ігеаїтепі" (вбудованими в корпус рециркуляційни- того кільця (поз.7), контур якого лежить приблизно ми пристроями). Основне призначення таких при- на одній лінії з контуром основного проточного строїв полягає в розширенні області аеродинаміч- каналу і який відокремлює задню вхідну частину но стійкої роботи компресора за рахунок зсуву так рециркуляційної структури від її передньої вихідної названої границі помпажу убік більш високих зна- частини й утворює гладку суцільну ділянку повер- чень створюваного компресором тиску, тобто убік хні. більш високих значень навантаження компресора. Багато в чому схожий з описаним вище при-

Збурення, відповідальні за виникнення локального строю типу "сазіпд іїгеайтепі" відомий з ОЕ зриву потоку і в остаточному підсумку за виник- 3539604 С1, причому в цьому випадку в передній і нення помпажу компресора, з боку корпуса вини- задній частинах кільцевої камери (поз.7) присутня кають на кінцях лопаток робочого колеса однієї, відкрита по всій її окружності зона. В описаному в відповідно декількох ступенів компресора, а з боку зазначеній публікації пристрої також передбачено маточини - на радіально внутрішніх кінцях лопаток радіально внутрішнє кільце (поз.6). робочого колеса, оскільки в цих зонах аеродинамі- Більш сучасний пристрій типу "сазіпд чне навантаження досягає максимальної величи- іїгеаїтепі" відомий з патенту 05 5282718. В описа- ни. Повернення "повітряних мас", що знаходяться ному в цьому патенті пристрою аеродинамічно між вершинами лопаток і обертаються з частотою удосконалена його кільцева камера (поз. 18, 28) і їх обертання та які володіють зниженою енергією, направляючі елементи (по3з.24). Однак і в цьому назад в основний потік зі збільшенням їх енергії випадку вхідної і вихідний рециркуляційні потоки дозволяє знову стабілізувати потік у зоні кінців відокремлені один від одного масивним, гладким з лопаток. Оскільки збурення в потоці звичайно ви- боку лопаток замкнутим кільцем. Звичайно такі никають нерівномірно в окружному напрямку сту- кільця на випадок доторкування з ними вершин пені компресора, на додаток до переважно осьової лопаток необхідно оснащувати на розташованому рециркуляції з аеродинамічної точки зору варто напроти лопаток ділянці спеціальним покриттям, забезпечити компенсацію таких збурень і в окруж- що захищає їх від ушкодження при зіткненні з ними ному напрямку ступені компресора. Основний не- вершин лопаток, відповідно сприяє їх припрацьо- долік відомих пристроїв типу "сазіпд ігеаїтепі" вуванню. полягає в тім, що вони незважаючи на забезпечу- Існують і інші пристрої типу "сазіпд геайтепі" з вану ними можливість підвищення порога помпажу канавками, що проходять паралельно осі, відпо- одночасно з цим знижують к.к.д. компресора. відно під кутом до неї, як це описано, наприклад, у

У патенті ОЕ 3322295 С3 описаний осьовий 55137419. Однак такі пристрої в даному описі не вентилятор із пристроєм "сазіпд ігеаїтепі" зазна- розглядаються, оскільки вони через наявність у них між собою канавок, що не з'єднуються, не до- но: зволяють забезпечити вирівнювання потоку в на Фіг.1 - фрагмент зображеного в поздовж- окружному напрямку. ньому розрізі компресора осьового типу на ділянці,

З врахуванням властивих відомим з рівня тех- на якій розташована вбудована в його корпус ре- ніки рішень недоліків в основу даного винаходу циркуляційна структура, була покладена задача розробити рециркуляційну на Фіг.2 - аналогічний показаному на поперед- структуру для турбокомпресора, що дозволяла б ньому кресленні фрагмент зображеного в поздов- значно підвищити поріг помпажу і за рахунок цього жньому розрізі компресора на ділянці, на якій роз- істотно розширити область стійкої роботи турбо- ташована вбудована в маточину рециркуляційна компресора без помітного зниження його к.к.д. структура,

Ця задача у відношенні рециркуляційної струк- на Фіг.3 - фрагмент зображеної в поперечному тури зазначеного в обмежувальній частині п.1 типу розрізі рециркуляційної структури, показаної на вирішується за допомогою відрізняючих ознак цьо- Фіг1, го пункту. на Ффіг.4 - ррагмент показаної на Ффіг.1 і З реци-

Основна особливість запропонованого у вина- ркуляційної структури у виді радіально зсередини, ході рішення полягає в тому, що кільцева камера з на Фіг.5 - фрагмент зображеного в поздовж- розташованими в ній направляючими елементами ньому розрізі компресора на ділянці, на якій роз- виконана цілком відкритою по всій її осьовій дов- ташована вбудована в його корпус рециркуляційна жині і по всій її окружності. При цьому відпадає структура, трохи модифікована в порівнянні з по- необхідність у застосуванні кільцевих елементів, казаною на Фіг.1 рециркуляційною структурою, і оснащених покриттями, що захищають їх від пош- на Фіг.6 - фрагмент зображеного в поздовж- кодження при зіткненні з вершинами лопаток, і ньому розрізі компресора на ділянці, на якій роз- інших елементів. З наведених вище патентних ташована вбудована в його корпус рециркуляційна публікацій випливає, що в даній області техніки структура, модифікована в порівнянні з показани- дотепер основні зусилля були спрямовані на вико- ми на Фіг.1 і 5 рециркуляційними структурами. нання рециркуляційних структур з їх зверненої до Показана на Ффіг.1 рециркуляційна структура 1 основного проточного каналу, тобто до так званого вбудована в корпус 5 турбокомпресора і тому мо- кільцевого простору, сторони гладкими, з мініма- же бути названа пристроєм типу "сазіпд ігеайтепі" льною кількістю щілин і суцільними на ділянці мак- (вбудований в корпус пристрій, англ. "савзіпд" - ко- симально можливої осьової довжини з метою най- рпус). Напрямок потоку в основному проточному більш раціонального з погляду аеродинаміки і каналі 9, у якому розташована система лопаток, зв'язаного лише з мінімальними втратами подов- позначено показаною на кресленні ліворуч стріл- ження контуру основного проточного каналу. На кою, тобто потік рухається через цей канал з ліва відміну від цього запропоноване у винаході рішен- на право. На показаній на кресленні ділянці потік ня приводить до появи в основному проточному спочатку набігає на направляючий апарат 13 (вхі- каналі щілин, рельєфних поверхонь і т.д. і тому на дний), потім на робоче колесо 20 і потім ще на перший погляд здається невдалим і недоцільним. один направляючий апарат 14 (вихідний). Радіа-

Однак за результатами проведених дослідів було льно зовнішній контур 11 основного проточного встановлено, що запропонована у винаході рецир- каналу 9 відповідає внутрішньому контуру корпуса куляційна структура перевершує відомі технічні 5 і для наочності умовно позначений на кресленні рішення як з погляду підвищення порога помпажу, штрихпунктирними лініями, що продовжують його, так і з погляду к.к.д. турбокомпресора. З погляду ліворуч і праворуч від основного зображення. Ста- аеродинаміки подібний ефект можна пояснити тична рециркуляційна структура 1 взаємодіє з ро- тим, що вільне, природне формування рециркуля- бочим колесом 20 і в осьовому напрямку здебіль- ційного потоку у відкритій кільцевій камері з вільно шого розташована перед ним, тобто попереду за виступаючими в ній направляючими елементами і ходом потоку. З радіально зовнішньої сторони до проточними з'єднаннями в її окружному напрямку основного проточного каналу 9 примикає відкрита має набагато більш важливе значення, ніж подов- з його боку кільцева камера 29, що разом з напра- ження контуру основного проточного каналу при вляючими елементами 37 і утворює рециркуляцій- мінімально можливій кількості щілин. Додаткова ну структуру 1. Вільні кромки 41 направляючих перевага, зв'язана з відсутністю в запропонованій елементів 37 лежать на одній лінії з лінією, що у винаході рециркуляційної структурі суцільного обмежує контур 11 основного проточного каналу 9, кільця, складається у відсутності необхідності або поблизу неї, тобто щонайменше приблизно оснащувати направляючі елементи спеціальним лежать на лінії що обмежує внутрішній контур покриттям, що захищає їх від ушкодження при зіт- корпуса. Ці направляючі елементи 37 можуть бути кненні з ними лопаток, відповідно сприяє їх прип- виконані з металу, наприклад нікелевого сплаву, з рацьовуванню, а також у зменшенні радіальних легкого металу, наприклад алюмінію, або із синте- розмірів турбокомпресора й у зниженні його маси, тичного матеріалу, такого як термопласти, реакто-

ЩО зв'язано з визначеними конструктивно- пласти або еластомери. Передня 33 і задня 34 механічними перевагами. стінки кільцевої камери 29 для зменшення їх ае-

Кращі варіанти виконання рециркуляційної родинамічного опору позначеному маленькою структури, зазначеної в головному пункті формули стрілкою рециркуляційному потоку виконані нахи- винаходу, приведені в залежних пунктах формули. леними вперед починаючи від їх радіально внут-

Нижче винахід більш докладний розглянуто з рішніх країв 35, 26. посиланням на приведені спрощені і виконані без Кут нахилу передньої стінки позначений через дотримання масштабу креслення, на яких показа- о і може дорівнювати куту нахилу задньої стінки 34 або відрізнятися від нього. Між передньою стінкою Більш наочне представлення про аеродинамі- 33, направляючими елементами 37 і задньою стін- чний профіль і кривизну направляючих елементів кою 34 передбачені виїмки 45, 46, що на додаток 37 дозволяє одержати показана на Фіг.4 проекція, до рециркуляції потоків, що відбуваються перева- де на додаток до Фіг.3 показаний профіль лопаток жно в осьовому напрямку, допускають їх рух у кі- робочого колеса 20 разом з напрямком його обер- льцевій камері в її окружному напрямку. Позицією тання (позначеним стрілкою). Для фахівця є оче- позначені вільні кінці лопаток робочого колеса видним, що на виході з кільцевої камери 29 у зоні 20, у зоні яких найбільш ймовірне виникнення збу- її передньої за ходом потоку кромки 35 рециркуля- рень у потоці. ційний потік у цьому випадку повинний закручува-

На відміну від показаного на Ффіг.1 варіанта, на тися проти обертання робочого колеса 20. Позиці-

Фіг.2 показана інтегрована в маточину 8, що обер- єю 36 позначена задня за ходом потоку кромка тається, рециркуляційна структура 2. У показаному кільцевої камери. Слід зазначити, що в більш про- на цьому кресленні варіанті в основному проточ- стих варіантах здійснення винаходу направляючі ному каналі 10 розташовані, якщо дивитися з ліва елементи 37 можуть бути виконані й у виді рівних на право, робоче колесо 21, що направляє апарат або скривлених "металевих пластин" (листових 15, вільні кінці 26 лопаток якого звернені радіально деталей). всередину, і робоче колесо 22. Відповідно до цьо- Показана на Фіг.5 рециркуляційна структура З го подібну рециркуляційну структуру при такому її являє собою пристрій типу "сазіпд ігеайтепі" з ін- новому розташуванні варто було б позначити як тегрованою в корпус 6 турбокомпресора кільцевою пристрій типу "пиб ігеаїтепі" (вбудований в мато- камерою 31. У цьому випадку направляючі елеме- чину пристрій, англ. "пиБ" - маточина). Ця рецир- нти 39 доходять до передньої стінки кільцевої ка- куляційна структура 2, що складається з кільцевої мери 31, у задній частині якої безпосередньо поб- камери 30 і направляючих елементів 38, з перед- лизу кінців 27 лопаток робочого колеса 23 є виїмки німи і задніми виїмками 47, 48 взаємодіє з направ- 49. Вільні кромки 43 направляючих елементів 39 ляючим апаратом 15, що здебільшого розташова- трохи не доходять до окружності, що описується ний за ходом потоку за нею. Оскільки в цьому кінцями 27 лопаток при їх обертанні. Позиціями 16 випадку пристрій типу "пиБр ігеаїтепі" обертається, і 17 позначені направляючі апарати. а направляючий апарат 15 залишається нерухо- Показана на Ффіг.б6 рециркуляційна структура 4 мим, частота обертання ротора цілком відповідає з кільцевою камерою 32 і направляючими елемен- відносній частоті обертання. За своїм принципом тами 40 також являє собою пристрій типу "савзіпд дії пристрій типу "пир ігеайтепі" власне кажучи ігеайтепі", інтегрований в корпус 7 турбокомпре- нічим не відрізняється від пристрою типу "сазіпд сора і взаємодіючий з робочим колесом 24. На іїгеайтепі". Пристрої обох типів "пир ігеайтепі" і відміну від показаного на Фіг.5 варіанта направля- "сазіпд ігеаїтепі" можна також спільно використо- ючі елементи 40 у даному випадку доходять до вувати в одному й тому ж турбокомпресорі, у тому задньої стінки кільцевої камери 32. Виїмки ж 50 у числі й у декількох його ступенях. У розглянутому розглянутому варіанті розташовані в передній час- випадку радіально внутрішній контур 12 основного тині кільцевої камери. Крім цього вільні кромки 44 проточного каналу відповідає зовнішньому контуру направляючих елементів 40, оскільки вони дохо- маточини 8. дять до окружності, що описується кінцями 28 ло-

На Ффіг.3 більш детально в розрізі показаний паток при їх обертанні, щоб уникнути їх зіткнення з фрагмент зображеної на Фіг.1 конструкції. Напра- цими лопатками виконані на їхній задній ділянці вляючі елементи 37 нахилені під таким кутом р до укороченими радіально назовні, тобто виконані у радіуса, при якому кінці 25 лопаток робочого коле- вигляді ступінчатої форми. Очевидно, що кромки са 20, що обертається (у позначеному стрілкою можна зробити коротшими на відповідну величину напрямку), без істотних втрат направляють рецир- і по всій їх довжині. куляційний потік у кільцеву камеру 29. При відпо- В усіх варіантах виконання рециркуляційної відній кривизні направляючих елементів кут їхньо- структури вільні кромки 41-44 направляючих еле- го нахилу Д може зменшуватися в радіальному ментів 37-40 за умови їх виготовлення з м'якого напрямку зсередини назовні до нульового зна- легкого металу або із синтетичного матеріалу чення. (пластику) необов'язково повинні мати укорочене

У принципі існує можливість строго радіально- радіально назовні виконання, оскільки в цьому го розташування направляючих елементів, тобто з випадку цілком можна допустити їх зіткнення з кутом їхнього нахилу В рівним 0", однак таке їх кінцями 25-28 лопаток без небезпеки їх ушко- розташування менш доцільне з погляду створюва- дження. ного ними аеродинамічного опору.

З ОБ ЗК, а зроб в За жк оо 5 лм І: кі 15 ом М я І ас :

І нний че Єпианнття ше. Її; | і ; як ш ЩІ шо - рі ! і у диня н- ши у онннннееня м, и. як | що , | ж а лиш ши ш Ше: 43 чж 38 30 м ві в «а.

ЗХ зу

Х яТК-1- /х а ух : Е и о ана яр -и 1 -е, с Ї ; 20 зе --2 я

ФІГ. 3 ФІГ. 4 8 й з З / ца о. є 5 за ча / 28 оц гашиш | До, спон, «ке Шик ши М Хдпотрввтртттяя я

ШІ не

К ко й ши Кк --7 т- | -К уз що за ни з ле 48 «г. І Фт.5

Комп'ютерна верстка 0. Гапоненко Підписне Тираж 26 прим.

Міністерство освіти і науки України

Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна

ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601