СПОСОБ НАГНЕТАНИЯ В ДИФФУЗОР ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И ДИФФУЗОР
METHOD OF DISCHARGE INTO GAS TURBINE PLANT DIFFUSER AND DIFFUSER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способу нагнетания воздуха в диффузор ступени компрессора газотурбинной установки, в частности в компрессоры центробежного или комбинированного типа. Под компрессором комбинированного типа следует понимать компрессор, конструктивно установленный на выходе крыльчатки таким образом, чтобы поток воздуха образовывал угол, составляющий 0-90° относительно радиального направления. Изобретение относится также к диффузору компрессора, который может применять такой способ. Областью изобретения является работа компрессоров и улучшение их рабочих характеристик, в частности допустимого предела при помпаже. Рабочие характеристики особенно ощутимы при истечении воздуха, поступающего из крыльчатки компрессора. Задачей диффузора является выравнивание потока для оптимизации преобразования динамического напора воздуха в статический напор.
Как правило, диффузор состоит из лопаток, наклоненных в пространстве, образованном между двумя дисками. Изменение направления, производимое лопатками, может повлечь за собой срывы потока воздуха на корытце или спинке лопаток. Такие срывы способны привести к отрыву элементарных струй воздушного потока и, если явление усиливается, к помпажу.
Представляется необходимым поддерживать необходимый допустимый предел при помпаже для того, чтобы избежать крайне неблагоприятных последствий помпажа, способных довести до разрушения конструктивных элементов компрессора.
ОПИСАНИЕ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
До настоящего времени в предпринимаемых попытках стабилизировать истечение воздуха и не допустить помпажа часть воздуха могла отбираться в потоке перед лопатками диффузора путем изменения направления части воздуха на выходе из крыльчатки и его повторного введения на уровне дисков диффузора, например, согласно способу, описание которого приведено в патенте US 6699008. Однако, данная система не является оптимальной, поскольку, если повторная подача воздуха в диффузор может улучшить устойчивость компрессора, то изменение направления воздуха на выходе из крыльчатки может повлечь за собой новые проблемы в устойчивости. Кроме того, трудно осуществить повторную подачу без образования дополнительных потерь, поскольку воздух на выходе из крыльчатки имеет меньший статический напор, чем в месте повторного введения.
Также известно, что можно выполнять полости в спинках лопаток для использования в качестве охлаждающей среды, как это описывается в документе US 6210104. В патенте FR 2937385, от имени заявителя, приводится описание усовершенствования данного решения путем постепенного увеличения поперечного сечения полостей между впускным отверстием и выпускным отверстием. Всасывание газообразной среды, таким образом, становится однородным на лопатках. Однако, может оказаться необходимым отводить наружу этот отобранный воздух, что негативно влияет на общий баланс цикла.
Другими решениями предусматривается рециркуляция воздуха, поступающего из отверстий, выполненных рядом с передними кромками перьев лопатки, его повторное направление в поток перед передними кромками осесимметричным образом. В патенте ЕР 2169237 используется такое расположение для уменьшения срывов с засасыванием воздуха на лопатки, как и в уже упомянутых патентах US 6210104 и FR 2937385. Повторная подача, которая осуществлена перед лопатками диффузора, оказывает влияние исключительно на угол атаки передней кромки диффузора.
Наиболее близким аналогом является документ US 2008/038112 (D1).
Объект по документу D1 отличается от объекта по настоящему изобретению тем, что в нем не раскрыто вдувание воздуха в каждую лопатку с последующей рециркуляцией воздуха до отверстия нагнетания воздуха на передней кромке лопатки для осуществления вдувания воздуха и отбора воздуха таким образом, чтобы давление отбираемого воздуха было существенно больше давления вводимого воздуха, истекающего на уровне отбора.
Данное отличие позволяет бороться со срывом воздушного пограничного слоя путем активной стабилизации данного слоя без увеличения размеров компрессора.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на более эффективную борьбу со срывом воздушного пограничного слоя путем активной стабилизации данного слоя. С этой целью изобретением предусматривается повторная стимуляция пограничного слоя воздуха с повышенным давлением путем сочетания нагнетания/всасывания.
В частности, задачей настоящего изобретения является разработка соответствующего способа нагнетания воздуха в диффузор ступени сжатия компрессора газотурбинной установки. Такой диффузор содержит два диска, между которыми заключено множество расположенных по окружности лопаток. Истечение воздуха вдоль лопаток осуществляется от передней кромки к задней кромке диффузора. Согласно данному способу, сочетание нагнетания воздуха в воздушный поток перед диффузором осуществляется путем отбора воздуха, поступающего из потока в направлении вниз по потоку, посредством забора воздуха, осуществляемого со стороны передних кромок, в направлении вверх по потоку относительно задних кромок, расположенных вниз по потоку. Нагнетание введенного воздуха осуществляется в потоке, движущемся из расположенной вверх по потоку части в направлении вниз по потоку, путем данного забора воздуха. Вдувание воздуха ориентировано таким образом, что вводимый воздух нагнетается в поток вдоль лопаток и/или фланцев. Отбор этого воздуха, таким образом, осуществляется путем всасывания в поток со стороны расположенных вниз по потку кромок таким образом, чтобы повышенное давление воздуха было по существу выше давления воздуха, истекающего на уровне отбора. Таким образом, переход ламинарного пограничного слоя истечения воздуха к завихренному слою начинается и/или усиливается за счет увеличения его энергетического уровня.
Вдувание воздуха может быть ориентировано под углом от 0 до ±90° относительно нормали к стороне вдувания. Предпочтительно, воздух вводится по максимально возможной касательной к стороне введения в направлении истечения воздуха. Таким образом, переход от ламинарного пограничного слоя истечения воздуха к завихренному слою начинается и/или усиливается за счет увеличения его энергетического уровня. Такое нагнетание позволяет, таким образом, «стабилизировать» пограничный слой, преобразуя его в завихренный, когда он является ламинарным, и задерживать, таким образом, срывы, поскольку завихренный пограничный слой по существу более стабильный, чем ламинарный пограничный слой. Когда пограничный слой является завихренным, такое поступление энергии задерживает появление срывов. Кроме того, даже если срыв истечения воздуха уже начал происходить, поступление энергии может также позволить осуществить прижатие пограничного слоя.
Явление повторного стимулирования, согласно изобретению, может быть усилено за счет эффекта Коанда, который появляется, когда струя воздуха оказывается близко к выпуклой стенке. Этот эффект выражается в притягивании газообразной среды к стенке. Данный эффект Коанда может быть доведен до максимума в зависимости от скорости и угла введения воздуха на уровне отбора.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, способом по изобретению предусматривается отбор воздуха или за диффузором, в решетке, расположенной после ступени, или в рассматриваемом диффузоре, в частности рядом с расположенной вниз по потоку кромкой лопаток.
В том случае, если воздух отбирается в диффузоре, согласно более частным вариантам:
- отбор воздуха может быть осуществлен на корытах и/или спинках лопаток, а нагнетание на корыто и/или спинку лопаток;
- отбор может быть осуществлен на дисках ступицы и/или кожуха диффузора, а нагнетание - на диски;
- отбор может быть осуществлен на лопатках, а нагнетание - на диски, или наоборот (отбор - с дисков, нагнетание - на лопатки);
- скорость выброса воздуха во время его введения выбирают при числе Mach между 0,7 и 1 Mach, а угол выброса подбирается между 60 и 90° относительно нормали к стороне введения лопаток и/или всасывающих фланцев для доведения до максимума эффекта Коанда.
Изобретение касается также диффузора, способного применять данный способ. Такой диффузор компрессора центробежного или комбинированного типа содержит два диска, между которыми заключено множество расположенных по окружности лопаток. По меньшей мере, один поперечный передний проход выполнен в корытах и/или спинках лопаток и/или в диске, по меньшей мере, с одной точкой введения воздуха в поток, расположенной в зоне передней кромки передней стороны диффузора, согласно направлению сжатия газотурбинной установки. Данный проход способен образовывать сочетание введение/отбор в потоке путем рециркуляции в диффузоре и/или вдоль диска за пределами диффузора. Отбор воздуха, по меньшей мере, в одной точке в зоне задней кромки задней стороны диффузора осуществляется путем всасывания, по меньшей мере, в одну канавку, выточенную вдоль боковой стороны лопаток и/или во внутренней стороне диска. Согласно некоторым предпочтительным вариантам практической реализации:
- вдувание осуществляется, по меньшей мере, через один поперечный передний проход, выполненный в корытах и/или спинках лопаток, который выходит в канавку лопаток и/или во внутреннюю сторону диска;
- поперечные расположенные вверх по потоку и вниз по потоку проходы образованы полостями и/или пазами;
- проходы имеют центральную ось, наклоненную относительно нормали на стороне, на которую они выходят, под углом, по существу составляющим от 0 до ±90;
- проходы могут быть расположены по существу по всей длине каждой канавки, со стороны спинок и/или корытцев, с передним проходом и задним проходом на канавку;
канавка имеет постоянную ширину или она линейно изменяется как функция кривизны каждой лопатки;
- канавка выходит на заднюю кромку, а задняя кромка содержит, таким образом, короткие закраины для облегчения всасывания;
- канавка вытянута по существу на 1-100% длины каждой лопатки;
- количество канавок составляет, по меньшей мере, две и они расположены последовательно или параллельно вдоль каждой лопатки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут видны из нижеследующего описания, не имеющего ограничительного характера, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет собой схематический вид в частичном разрезе газотурбинной установки, содержащей диффузор воздуха;
- фиг. 2а-2c представляют собой виды в изометрии диффузора с лопатками с одним или двумя фланцами, а также вид отдельной лопатки (фиг. 2c);
- фиг. 3а и 3b представляют собой схематические виды в продольном разрезе и наиболее крупные виды первого примера диффузора, согласно изобретению, с отбором и нагнетанием воздуха на лопатку;
- фиг. 4а и 4b представляют собой схематические виды в продольном разрезе и наиболее крупные виды второго примера диффузора с отбором и нагнетанием воздуха на лопатку, согласно изобретению;
- фиг. 5 представляет собой наиболее крупные виды вариантов лопаток первого и второго примеров, согласно схемам 5a-5i, и
- фиг. 6а и 6b представляют собой схематические виды спереди и вид фланца в увеличенном масштабе примера диффузора с отбором и нагнетанием на фланце.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термины «расположенный вниз по потоку» и «расположенный вверх по потоку» означают положения относительно истечения потоков воздуха. На всех фигурах одинаковые цифровые позиции направляют в разделы описания, в которых определены конструктивные элементы, соответствующие этим цифровым позициям.
Со ссылкой на представленный на фиг. 1 схематический вид частичного разреза газотурбинной установки 1 вертолета поток воздуха F вначале засасывается в канал подвода приточного воздуха 2, затем сжимается между перьями лопаток 3 крыльчатки 4 компрессора центробежного типа 5 и крышкой 9. Турбина имеет осевое симметричное расположение вокруг оси Х'Х.
В данном случае компрессор 5 относится к компрессору центробежного типа, и поток F сжатого воздуха истекает, таким образом, в радиальном направлении крыльчатки 4. Когда компрессор является комбинированным, поток истекает под наклоном (под углом, составляющим от 0 до 90°) относительно радиального направления, перпендикулярного оси Х'Х.
Поток воздуха F проходит, таким образом, через диффузор 6, установленный на выходе компрессора 4, для выпрямления и направления к входным каналам 7 камеры сгорания 8.
Для осуществления данного выпрямления диффузор 6 состоит из множества изогнутых лопаток 60, установленных между двумя дисками по окружности крыльчатки 4 - в данном случае радиально и, таким образом, с вращением вокруг оси Х'Х.
На фиг. 2а более детально изображен вид в перспективе диффузора 6 с лопатками 60, жестко соединенными с двумя дисками 61. На фиг. 2b, где для большей наглядности один диск удален, каждая лопатка 60 содержит, как это уже известно, сторону 6е, называемую спинкой, и сторону 6i, называемую корытом. Как это более четко показано на лопатке 60, изображенной на фиг. 2c, эти стороны - спинка 6е и корыто 6i - вытянуты в продольном направлении и по существу параллельно срединной поверхности Fm лопатки. В представленном примере эти стороны соединены передней сужающейся кромкой 6а и закругленной задней кромкой 6f в направлении истечения воздушного потока. Поперек спинкам и корытцам каждая лопатка 60 содержит плоские боковые стороны 6р, жестко соединенные с дисками 61.
Лопатки содержат изменение толщины между их боковыми сторонами 6р, достаточные для образования в них канавок, как это описывается далее. Эта толщина может достигать нескольких миллиметров на 20-100% средней криволинейной абсциссы Sm лопатки 60 вдоль срединной поверхности Fm.
Теперь со ссылкой на фиг. 3а и 3b будет приведено описание первого примера практической реализации диффузора с отбором и нагнетанием воздуха на лопатку.
На фиг. 3а (вид продольного разреза) и фиг. 3b (наиболее крупный вид) видна продольная канавка 62. Данная канавка выходит на заднюю кромку 6f, не выходя при этом на переднюю кромку 6а. Эта канавка осуществлена путем обработки материала, представленного металлическим сплавом, из которого выполнена боковая сторона 6р каждой лопатки 60, образующая продольные стенки 65, по существу параллельные сторонам корыта 6i и спинки 6е, и дна 66, параллельно боковым сторонам 6р.
Кроме того, лопатка 60 снабжена рядом отверстий 63, выходящих в воздушный поток V между лопатками 60 через цилиндрические проходы нагнетания 64. Как это показано на фиг. 3b, воздушные потоки F1, нагнетаемые, таким образом, через отверстия 63, выходят на корыто 6i. Согласно другим примерам практической реализации, потоки F1 могут также или альтернативно выходить на спинку 6е. Согласно примеру, отверстия 63 расположены на одной линии параллельно передним кромкам 6а и задним кромкам 6f.
Эти проходы нагнетания воздуха 64 наклонены назад под углом, составляющим от 0 до 90°, например, под 30°, относительно средней криволинейной абсциссы Sm лопатки. Потоки F1 выходят через отверстия 63 и осуществляют нагнетание в поток V назад. Часть этих потоков, а также другие потоки, подаваемые с соседних лопаток, всасываются в виде потока Fi из потока V к канавке 62 в зоне задней кромки 6f (на уровне задней кромки 6f в показанном примере).
Потоки Fi, таким образом, вводятся путем засасывания в канавку 62 лопатки 60 с передней стороны, где давление ниже. Рециркуляция воздушных потоков через канавку между зонами задней кромки 6f и передней кромки 6а практически реализует сочетание всасывание/вдувание. Повторная стимуляция поступающих воздушных потоков позволяет, таким образом, стабилизировать эти потоки и воспрепятствовать их срыву или, возможно, их успокоить, если срыв начался. Всасывание на задней кромке или в зонах, близко расположенных с задней кромкой, позволяет также ослабить и даже аннулировать зоны, потенциально еще отрываемые.
В соответствии с другими вариантами, проходы могут выходить со стороны спинки 6е и/или эти проходы могут быть заменены одним или множеством пазов, образованных на боковой стороне 6р. Канавки могут быть также выточены на двух противоположных боковых сторонах 6р с сохранением центрального участка дна 66 канавок.
Как это показано на фиг. 4а и 4b, второй пример диффузора с отбором и нагнетанием воздуха на лопатку проиллюстрирован видами, идентичными представленным на фиг. 3а и 3b. На фиг. 4а и 4b указаны цифровые позиции, аналогичные примененным на фиг. 3а и 3b, которые обозначают одни и те же уже определенные в предыдущих разделах конструктивные элементы со ссылкой, соответственно, на фиг. 3а и 3b.
Отличие от первого примера диффузора связано с всасыванием воздушного потока Fi в канавку 62 на уровне задней кромки 6f. Согласно второму примеру, потоки Fi повторно введены через полости 74, выполненные в корыте 6i со стороны задней кромки 6f и выходящие в канавку 62. Проходы всасывания, согласно представленному примеру, имеют по существу поперечное расположение. В соответствии с другим вариантом, они могут быть наклонены под углом около ±90° относительно нормали к криволинейной абсциссе Sm лопатки 60 в зависимости от технических решений. Они также могут быть заменены пазами как полости нагнетания 64.
Другие варианты данных первого и второго примеров проиллюстрированы на схематических планах 5а-5k, представленных на фиг. 5. Эти схематические планы изображают наиболее крупный вид лопатки 62. Схематические планы 5а-5c относятся к лопаткам 60 c канавками 62а-62c, имеющим, соответственно, постоянную ширину «е» и выходящим на заднюю кромку 6f (канавка 62а, схематический план 5а), или ширину «е», линейно изменяющуюся как функция средней криволинейной абсциссы Sm лопатки 60 (канавки 62b и 62c, схематические планы 5b и 5с). Канавка может выходить (канавки 62а и 62с, схематические планы 5а и 5с) или не выходить (канавка 62b, схематический план 5b) на заднюю кромку 6f. Когда канавка выходит, задняя кромка 6f содержит, таким образом, закраины 67, выполненные с определенной формой для оптимизации всасывания воздуха.
Кроме того, проходы всасывания 74 и вдувания 64 могут выходить на одни и те же стороны: корыто 6i (схематические планы 5d и 5е) или спинку 6е (схематические планы 5f и 5g). Они могут также выходить на различные стороны: спинку 6е для полостей всасывания 74 и корыто 6i для проходов повторного вдувания 64 (схематический план 5h), или корыто 6i для проходов всасывания 74 и спинку 6е для проходов повторного вдувания 64 (схематический план 5i). Схематические планы 5d-5i изображают не выходящую канавку 62b с линейно увеличивающейся шириной.
Кроме того, проходы или пазы могут быть расположены и выходить в любой точке длины канавки под углами, которые могут приближаться к ±90° относительно нормали к криволинейной абсциссе лопатки. Канавки могут быть, как правило, вытянуты на всю длину лопатки 60 или на минимальную длину, близкую к 0% общей длины.
Кроме того, многие канавки могут быть выточены на одной и той же боковой стороне 6р, например, две канавки, как это изображено на схематических планах 5j и 5k. На схематическом плане 5j канавки 6j и 6j' следуют друг за другом вдоль лопатки 60. На схематическом плане 5k канавки 6k и 6k' по существу параллельны на протяжении длины лопатки 60.
Кроме того, на фиг. 6а изображен вид спереди третьего примера диффузора 60 согласно изобретению. Согласно данному примеру, отбор воздуха, по-прежнему производимый в зоне задней кромки 6f диффузора 6 (стрелка F2), осуществляется путем всасывания через отверстие 70, выполненное в диске 61. Воздушные потоки F3 перенаправляются к передней части полости кожуха 71 по существу параллельно диффузору 6; причем данное пространство 71 и диффузор 6 имеют диск 61 как общую стенку. Нагнетание осуществляется путем повторного вдувания потока воздуха F4 вдоль внутренней стороны 61i фланца 61 через отверстия 72, выполненные в зоне передней кромки ба диффузора 6. Отверстия 72 наклонены относительно фланца 61, как это более четко становится видно на схематическом виде в увеличенном масштабе, представленном на фиг. 6b. Рассеивание воздушных потоков F4, таким образом, повторно вводится на сторону 61i диска 61, расположенного с внутренней стороны диффузора 6. Повторная стимуляция зон воздушных полос с небольшим количеством движения, таким образом, улучшается на передней кромке диффузора.
Изобретение не ограничено примерами, которые были описаны и изображены. Таким образом, полости и пазы не являются обязательно цилиндрическими или частично цилиндрическими, но они могут иметь различное сечение: призматическое, продолговатое и т.д. Кроме того, когда отбор и повторное введение воздуха осуществлено через фланец, переходная полость может быть образована в кожухе или в ступице диффузора.