КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS-TURBINE ENGINE COMPRESSOR

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, такому как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну выходную направляющую ступень с изменяемым углом установки лопаток.
Выходная направляющая ступень компрессора такого типа содержит кольцевой ряд статорных лопаток с изменяемым углом установки, которые размещены во внешнем кожухе компрессора. Каждая лопатка содержит лопасть, которая связана своим радиально внешним концом посредством пластины, имеющей, по существу, кольцевой контур, с радиальной цилиндрической опорой, которая определяет ось поворота лопатки, и поворот которой управляется через соответствующее отверстие внешнего кожуха. Радиально внутренний конец лопасти каждой лопатки обычно содержит вторую цилиндрическую опору, расположенную вдоль оси поворота лопатки, который управляется через отверстие во внутреннем кожухе компрессора. Известным образом радиально внешний конец внешней опоры каждой лопатки связан посредством тяги с управляющим кольцом, поворачивающимся вокруг внешнего кожуха силовым цилиндром или подобным средством. Поворот управляющего кольца передается через тяги на внешние опоры и заставляет их поворачиваться вокруг их осей.
Угол установки лопаток статора в турбореактивном двигателе предназначен для адаптации геометрии компрессора к его рабочей точке и, в частности, оптимизации кпд и запаса по помпажу, и для уменьшения потребления топлива в различных фазах полета. Каждая из этих лопаток выполнена поворотной вокруг своей оси между первым положением «открывания» или «полного пропускания», в котором каждая лопатка располагается, по существу, параллельно продольной оси газотурбинного двигателя, и вторым положением «закрывания» или «квазизакрывания», в котором лопатки наклонены относительно оси двигателя и уменьшают, таким образом, проходное сечение для воздуха через лопаточную ступень. Когда лопатки находятся в открытом положении, расход воздуха, поступающего в компрессор, имеет максимальную величину, а когда лопатки находятся в закрытом положении, расход воздуха, поступающего в компрессор, имеет минимальную величину (для заданного режима работы). Лопатки могут принимать промежуточные положения между этими двумя крайними положениями для того, чтобы таким образом адаптироваться к изменениям расхода воздуха, поступающего в компрессор.
Когда газотурбинный двигатель работает на малой мощности или режиме замедления, лопатки с изменяемым углом установки устанавливаются в положение закрывания, а когда двигатель находится в режиме полного газа (например, при взлете), лопатки устанавливаются в открытое положение.
На малой мощности, несмотря на закрытое положение лопаток статора, угол падения между направлением потока воздуха в струе компрессора и профилем может достигать больших величин, которые порождают отрыв воздуха, также уменьшающий проходное сечение для воздуха через лопаточную ступень. Эти зоны отрыва, в основном, локализованы на уровне радиально внутренних и внешних концов и исчезают, когда угол падения среды на лопатки достигает меньших значений.
Известно уменьшение таких отрывов в лопаточных решетках статора путем отборов воздуха в соответствующих зонах благодаря отверстиям, выполненным на уровне внутреннего или внешнего кожуха вблизи лопаток. Геометрия этих отборов является обычно неподвижной и, если отбор благоприятствует заданному режиму работы компрессора, его постоянное наличие, включая режимы, когда он не является необходимым, может влиять на рабочие характеристики двигателя (ухудшая кпд компрессора и, таким образом, удельный расход). Кроме того, неподвижная геометрия отбора ограничивает возможности оптимизации запаса по помпажу компрессора.
Задачей изобретения является простое, эффективное и экономичное устранение этих недостатков.
Для решения задачи предлагается компрессор газотурбинного двигателя, содержащий кольцевой кожух и, по меньшей мере, одну выходную направляющую ступень, образованную кольцевым рядом лопаток с изменяемым углом установки, каждая из которых содержит лопасть, связанную, по меньшей мере, с одним концом контурной, по существу, кольцевой пластины с радиальной цилиндрической опорой, управляемой поворотно в соответствующем отверстии кожуха, при этом каждая лопатка установлена с возможностью поворота вокруг оси, определяемой опорой лопатки между первым положением и вторым положением, отличающийся тем, что в каждой пластине, по меньшей мере, некоторых лопаток предусмотрено отверстие отбора воздуха в поток компрессора, причем эти отверстия предназначены для сообщения с отверстиями для прохода воздуха, образованными в кожухе, когда лопатки находятся в первом положении, и перекрываются кожухом, когда лопатки находятся во втором положении так, что расход отбора воздуха зависит от угла установки лопаток.
Предпочтительно, чтобы лопатки перемещались между положением открывания и положением закрывания, а отверстия пластин лопаток сообщались с отверстиями кожуха, когда лопатки находятся в положении закрывания или в промежуточном положении, и перекрывались кожухом, когда лопатки находятся в положении открывания.
В последнем случае лопатки находятся в положении открывания, а отверстия пластин лопаток перекрыты кожухом, при этом отбор воздуха отсутствует. На кпд турбомашины не влияет отбор воздуха при повышенных режимах, когда лопатки находятся в положении открывания. Когда лопатки находятся в положении закрывания или в промежуточном положении, отверстия пластин лопаток сообщаются с отверстиями в кожухе, обеспечивая, таким образом, сечение, свободное для отбора среды, которое изменяется с углом установки, позволяя малой части расхода воздуха, перетекающей в поток компрессора, быть отобранной для уменьшения упомянутых отрывов воздуха, что улучшает рабочие характеристики газотурбинного двигателя при малой тяге или в промежуточном режиме.
Другими словами, угол установки лопаток статора позволяет изменять расход воздуха, отобранного в поток компрессора, этот расход является нулевым при полной тяге для того, чтобы не снижать и искажать удельный расход двигателя и имеет заданную величину при малой тяге для уменьшения отрыва воздуха на лопатках. Максимальный расход отобранного воздуха составляет, например, менее 5% расхода воздуха потока компрессора. Этот расход изменяется в зависимости от угла установки лопаток и может достигать средних значений, когда лопатки находятся в промежуточных положениях.
Отбор воздуха может иметь место на уровне внешней пластины или на уровне внутренней пластины каждой лопатки, и даже двух. Отбор воздуха только на одной из пластин каждой лопатки позволяет избежать отрыва воздуха на лопасти этой лопатки, по существу, по всему ее радиальному размеру.
Каждое из отверстий пластин лопаток может, по существу, иметь кольцевую, треугольную, вытянутую, прямоугольную или трапециидальную форму. Отверстия пластин могут быть выполнены в виде вырезов по периферии пластин. Отверстия в кожухе могут также иметь кольцевую, треугольную, вытянутую, прямоугольную или трапециидальную форму.
Предпочтительно, чтобы отверстия пластин лопаток открывались в поток компрессора со стороны спинок лопастей этих лопаток. Действительно, именно на уровне спинок лопастей лопаток поток воздуха, поступающий в струю подвергается разрежению, способствующему образованию зон отрыва.
Каждое из отверстий пластин может иметь диаметр или поперечный размер, превышающий диаметр или поперечный размер отверстий в кожухе так, чтобы расходы отбираемого воздуха, являлись, в частности, функцией диаметров или поперечных размеров отверстий кожуха. В качестве варианта, каждое отверстие пластин имеет диаметр или поперечный размер, меньший диаметра или поперечного размера отверстий кожуха. В отверстиях кожуха или в отверстиях пластин, предпочтительно, установлены калибровочные втулки отбираемого расхода воздуха.
Изобретение касается также газотурбинного двигателя такого, как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, турбодвигатель вертолета, промышленная машина или любая другая машина, использующая компрессор с лопатками с изменяемым углом установки (включая центробежный компрессор), отличающегося тем, что он содержит компрессор упомянутого типа.
Изобретение касается также лопатки с изменяемым углом установки для компрессора упомянутого типа, отличающейся тем, что она содержит лопасть, связанную через пластину, по существу, выполненную с кольцевым контуром, с цилиндрической опорой, определяющей ось вращения лопатки, при этом пластина содержит, по меньшей мере, одно отверстие, выполненное, по существу, параллельно оси вращения лопатки и открывающееся со стороны лопасти вблизи спинки этой лопасти.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения, представленного в качестве неограничивающего примера. Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично изображает половину частичного вида в аксиальном разрезе ступени лопаток с изменяемым углом установки компрессора газотурбинного двигателя по известному уровню техники.
Фиг.2 схематично изображает частичный вид лопаточной ступени на фиг.1 на виде сверху и показывает лопатки в положении закрывания или квазизакрывания.
Фиг.3 является видом, соответствующим фиг.2, и изображает лопатки в положении открывания или полного открывания.
Фиг.4 и 5 схематично изображает частичные виды ступени лопаток с изменяемым углом установки компрессора газотурбинного двигателя по изобретению на виде сверху и иллюстрирует соответственно лопатки этой ступени в положении закрывания и открывания.
Фиг.6-8 изображают схематичные частичные виды варианта осуществления ступени лопаток с изменяемым углом установки по изобретению, вид сверху, и иллюстрирует три частных положения лопаток этой ступени.
Фиг.9 и 10 являются схематичными видам других вариантов осуществления лопаток с изменяемым углом установки, вид сверху.
Обратимся вначале к фиг.1, которая изображает выходную направляющую ступень лопаток 10 с изменяемым углом установки компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, причем эти лопатки 10 равномерно распределены вокруг продольной оси двигателя и размещены, по существу, радиально между внутренним кожухом 12 и внешним кожухом 14 компрессора.
Каждая лопатка 10 содержит лопасть 16, связанную на своем радиально внешнем конце первой пластиной 17 с цилиндрической радиальной опорой 18 и на своем радиально внутреннем конце второй пластиной 19 с радиальной цилиндрической опорой 20, при этом внутренняя 20 и внешняя 18 опоры определяют ось 22 поворота лопатки.
Внешняя цилиндрическая опора 18 вставлена в отверстие 24 внешнего кожуха 14 и удерживается при повороте в этом отверстии с помощью цилиндрических втулок 26. Внутренняя цилиндрическая опора 20 вставлена в цилиндрическое посадочное место внутреннего кожуха 12 и удерживается при повороте в этом посадочном месте цилиндрической втулкой 28.
Лопасть 16 каждой лопатки 10 содержит внутреннюю поверхность 30 и спинку 32, связанные между собой на входе ребром атаки 34, а на выходе - ребром 36 обтекания газами 38, проходящими в потоке компрессора (фиг.1-3). Внутренняя 19 и внешняя 17 пластины имеют каждая, по существу, кольцевой контур и размещены в выемках дополняющей формы внутреннего кожуха 12 и внешнего кожуха 14 соответственно.
Лопатки 10 установлены с возможностью поворота на их осях 22 между положением закрывания или квазизакрывания, изображенным на фиг.2, и положением открывания или полного пропускания этого потока, изображенным на фиг.3.
В положении закрывания по фиг.2 лопасти 16 лопаток наклонены относительно продольной оси А газотурбинного двигателя и определяют между собой минимальное проходное сечение воздуха в потоке (стрелка 50). Лопатки 10 приводятся в это положение, когда газотурбинный двигатель находится в режиме малой тяги или замедления, при этом расход воздуха, поступающего в компрессор, имеет, таким образом, минимальную величину.
В положении открывания по фиг.3 лопасти 16 лопаток располагаются, по существу, параллельно оси А газотурбинного двигателя, таким образом, что проходное сечение воздуха между лопастями является максимальным (стрелка 52). Лопатки 10 приводятся в это положение, когда двигатель находится в режиме полного газа, при этом расход воздуха, поступающего в компрессор, имеет, таким образом, максимальную величину.
В положении закрывания всегда констатируют отрыв воздуха на лопастях 16 между пластинами 17 и 19 вследствие большого угла падения потока на лопасти, эти отрывы исчезают, когда лопатки 10 близки к условиям нормальной работы.
Изобретение позволяет устранить эту проблему благодаря отбору воздуха на уровне радиально внутренних и внешних концов лопастей лопаток, при этом отбор является максимальным, когда лопатки находятся в положении закрывания, и нулевым, когда эти лопатки находятся в положении полного пропускания, которое не влияет негативно на рабочие характеристики газотурбинного двигателя в повышенных режимах. Для этого отбор воздуха зависит от угла установки лопаток.
В соответствии с настоящим изобретением этот отбор воздуха осуществляется через отверстие внутренней пластины и/или внешней пластины, по меньшей мере, некоторых лопаток ступени компрессора, причем эти отверстия сообщаются с отверстиями или сверлениями соответствующего кожуха компрессора для обеспечения удаления отобранного воздуха.
Когда внутренняя пластина 19 содержит такие отверстия для отбора воздуха, отверстия или сверления для прохода отобранного воздуха образованы во внутреннем кожухе 12, а когда внешняя пластина 17 содержит такие отверстия, то отверстия или сверления для удаления отобранного воздуха образованы во внешнем кожухе 14.
Для большей ясности примеры осуществления изобретения, описанные ниже, касаются только отверстий для отбора воздуха, образованных во внешней пластине 17 лопаток и предназначенных для сообщения с отверстиями или соответствующими сверлениями внешнего кожуха 14. Эти примеры осуществления, во всяком случае, применимы к внутренним пластинам 19 лопаток и к внутреннему кожуху 12.
В варианте осуществления по фиг.4 и 5 лопатки 10 отличаются от лопаток по фиг.1-3 тем, что каждая их внешняя пластина 17 содержит сквозной вырез 60. Этот вырез 60 простирается от кольцевого края пластины к оси вращения 22 лопатки. Он имеет, по существу, форму треугольника, основание которого является, по существу, касательным к кольцевому краю пластины 17, и противолежащая вершина которого искривлена и расположена вблизи внешней опоры 18 лопатки. Два боковых края каждого выреза 60 связаны по кольцевой периферии пластины углами скругленной выпуклой формы.
Вырез 60 образует угол примерно от 50 до 80° вокруг оси 22. Он пересекает, по существу, радиально пластину и открывается на внутренней поверхности пластины 17 со стороны спинки 32 лопасти 16 лопатки, где воздух слегка разрежен.
Отверстия 62, по существу кольцевые, образованы во внешнем кожухе 14 компрессора вблизи направляющих втулок 24 посадочных мест для внешних опор 18 лопаток. Число отверстий 62 кожуха может быть равно числу лопаток 10 либо быть целым кратным числом числа лопаток.
В примере осуществления по фиг.4 и 5 отверстие 62 кожуха образовано вблизи каждой втулки 24. Когда лопатки находятся в положении закрывания (фиг.4), отверстия 62 кожуха размещены в направлении вырезов 60 и сообщаются с последними так, что часть расхода воздуха, поступающая в компрессор отбирается и выпускается наружу внешнего кожуха (этот расход воздуха имеет максимальную величину, схематично изображенную полным зачернением кругов 62, изображающих отверстие в кожухе). Этот воздух может возвращаться в кольцевой коллектор (не изображенный на чертеже), размещенный вокруг внешнего кожуха и в который открываются отверстия 62 этого кожуха.
Когда лопатки 10 находятся в положении открывания (фиг.5) радиально внешние края вырезов 60 пластин не сообщаются больше с отверстиями 62 кожуха и, таким образом, благодаря этому приему, отобранный воздух отсутствует в потоке компрессора. В этом положении вырезы 60 пластин закрыты кожухом 14 и отверстия 62 кожуха закрыты пластинами 17.
Чем больше проходное сечение между вырезом 60 и соответствующим отверстием кожуха 62, тем более значителен расход отобранного воздуха. Когда вырез 60 совмещается радиально с отверстием 62 кожуха (фиг.4), расход отобранного воздуха является максимальным и зависит от поперечного сечения отверстия кожуха, которое, в данном случае, меньше, чем сечение выреза 60. Точная калибровка расхода воздуха в этом случае является, таким образом, возможной за счет контроля сечения отверстия 62, выполненного в кожухе.
В особом случае использования ступени, образованной 100 лопатками, равномерно распределенными вокруг оси газотурбинного двигателя, общий расход отобранного воздуха составляет, например, 5% от общего расхода воздуха, циркулирующего в компрессоре. Расход воздуха, отобранного каждым отверстием 62, составляет, таким образом, 0,05% расхода воздуха компрессора.
Лопатки 60 могут занимать одно или несколько промежуточных положений между положениями, изображенными на фиг.4 и 5, при этом расход отобранного воздуха зависит, таким образом, от проходного сечения для воздуха между вырезами 60 пластин и отверстиями 62 кожуха.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.6-8, пластины 17 лопаток содержат сквозные, по существу, кольцевые отверстия 64 для отбора воздуха. Отверстия здесь имеют диаметр, превышающий диаметр отверстий в кожухе. Эти отверстия 64 ориентированы, по существу, радиально и открываются на радиально внутренние поверхности внешних пластин лопаток со стороны спинок 32 лопастей лопаток.
Фиг.6 изображает лопатки 10 в положении открывания, в котором отверстия 64 их пластин не совмещены и не сообщаются с отверстиями 62 кожуха 14. Расход отобранного воздуха является, следовательно, нулевым. На фиг.7 лопатки 10 находятся в промежуточном положении, когда отобранный расход имеет заданную величину, а на фиг.8 находится в положении закрывания, когда проходное сечение, определяющее отбор при совпадении сечений отверстий 64 пластин и сечений отверстий 62 кожуха, является максимальным.
Вырезы 60 и отверстия 64 пластин, а также отверстия 62 кожуха могут иметь любую форму, например, квадратную, треугольную, трапецеидальную, вытянутую, овальную, кольцевую и т.д.
В случае фиг.9 отверстие 66 внешней пластины 17 лопатки имеет, по существу, треугольную форму, а на фиг.10 отверстие 68 пластины 17 имеет овальную форму. Эти различные формы отверстий или вырезов пластины и отверстия кожуха позволяют изменять расход отобранного воздуха линейно или нелинейно в процессе поворотного перемещения лопаток вокруг их осей.
Пластины 17, 19 лопаток могут содержать более одного отверстия для отбора воздуха. Кроме того, каждое из этих отверстий может сообщаться более чем с одним отверстием или сверлением кожуха, когда лопатки находятся в закрытом положении. Отверстия или вырезы пластин, а также отверстия в кожухе ориентированы, по существу, радиально, и даже с некоторым смещением. Цилиндрические втулки, не изображенные на чертеже, могут быть расположены в отверстиях кожуха для точной калибровки расхода отбираемого воздуха.