ОСЕВОЙ ОБЪЕМНЫЙ КОМПОНЕНТ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ), ОСЕВОЙ ОБЪЕМНЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ОСЕВОЙ ОБЪЕМНЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
AXIAL VOLUME COMPONENT OF GAS TURBINE ENGINE (VERSIONS), AXIAL VOLUME COMPRESSOR OF GAS TURBINE ENGINE AND AXIAL VOLUME EXPANDER OF GAS TURBINE ENGINE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в целом к ротационным машинам и двигателям объемного вытеснения и их компонентам и, в частности, к таким машинам и компонентам с ведущим и ведомым роторами.
Ротационные осевые машины объемного вытеснения используются для насосов, турбин, компрессоров и двигателей и часто называются винтовыми насосами, турбинами и компрессорами. Для турбин и компрессоров были описаны ротационные машины объемного вытеснения с ведущим и ведомым роторами. В осевых турбинах традиционно применяются компоненты с радиальными лопастями, такие как вентиляторы, компрессоры и турбины газотурбинных двигателей различных типов. Осевые турбины имеют широкий диапазон применений для использования энергии для совершения работы или получения энергии от рабочей среды благодаря комбинации их способности к обеспечению высокого массового расхода для заданной фронтальной площади и непрерывного, почти постоянного потока текучей среды. Задача проектировщиков турбин заключается в создании легких и компактных компонентов турбин или машин и двигателей. Другая задача состоит в получении минимально возможного количества деталей в турбине для обеспечения уменьшения затрат на изготовление, установку, модернизацию, капитальный ремонт и замену компонентов или машин.
В патенте США №2652192 описан осевой объемный компонент, представляющий собой, в частности, компрессор и содержащий роторный узел, проходящий от осевого впуска до находящегося ниже по потоку осевого выпуска и содержащий ведущий ротор и два ведомых ротора, при этом ведущий и ведомый роторы выполнены с возможностью вращения вокруг соответствующих параллельных осей и содержат взаимно перемежающиеся винтовые лопасти, которые проходят по спирали соответственно вокруг осей ведущего и ведомых роторов радиально наружу от кольцевых ступиц роторов, описанных вокруг указанных осей. В указанном компоненте винтовые лопасти роторов имеют постоянную высоту вдоль всей его длины, в том числе во впускной секции. При такой конфигурации лопастей может возникать срыв потока, поступающего во впускную секцию, и образование в нем завихрений, что приводит к снижению эффективности компонента. Такая проблема присуща известным осевым компонентам, используемым, например, в газотурбинных двигателях и представляющим собой компрессоры или расширители.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Осевой объемный компонент газотурбинного двигателя содержит роторный узел, проходящий вниз по потоку от полностью осевого впуска до отстоящего по оси осевого выпуска и содержащий ведущий ротор и один или более ведомых роторов. Указанные ведущий и ведомый роторы выполнены с возможностью вращения вокруг своих смещенных, по существу параллельных осей. Ведущий и ведомый роторы содержат взаимно перемежающиеся винтовые лопасти, которые проходят по спирали вокруг осей соответственно ведущего и ведомого роторов радиально наружу от кольцевых ступиц ведущего и ведомого роторов, описанных вокруг осей ведущего и ведомого роторов.
Иллюстративный вариант выполнения указанного компонента содержит взаимно перекрывающиеся кольцевые окна для ведущего и ведомого роторов, проходящие радиально между корпусом, окружающим роторный узел, и соответственно ступицами ведущего и ведомого роторов. Перемещение ведущего и ведомого роторов синхронизировано с помощью передачи.
Центральные части винтовых лопастей ведущего ротора проходят вдоль оси и вниз по потоку и имеют полную радиальную высоту, измеряемую радиально наружу от ступицы ведущего ротора. Вдоль оси спереди и вверх по потоку от центральной части расположена впускная переходная секция. Винтовые лопасти ведущего ротора во впускной переходной секции переходят от нулевой радиальной высоты к полностью развернутым профилям лопастей с полной радиальной высотой, измеряемой радиально от ступицы ведущего ротора в направлении вниз по потоку.
Компонент может содержать выпускную переходную секцию, которая расположена по оси сзади и ниже по потоку от центральной части и в которой винтовые лопасти ведущего ротора переходят от полностью развернутых профилей лопастей, имеющих полную радиальную высоту, до нулевой радиальной высоты при измерении радиально от ступицы ведущего ротора в направлении вниз по потоку.
Винтовые лопасти ведущего и ведомого роторов выполнены с возможностью вращения в протоке, который расположен радиально между ступицами ведущего и ведомого роторов и корпусом и проходит вдоль оси вниз по потоку от осевого впуска до осевого выпуска. Проток содержит выполненные последовательно вниз по потоку впускную секцию, расположенную во впускной переходной секции, кольцевую центральную секцию и выпускную секцию, расположенную в выпускной переходной секции. Кольцевая площадь на входе впускной секции протока меньше, чем кольцевая площадь на ее выходе. Выпускная секция протока также может иметь кольцевую площадь поперечного сечения, уменьшающуюся в направлении вниз по потоку.
Винтовые лопасти ведущего ротора роторного узла имеют различные первый и второй углы закрутки ведущего ротора соответственно в первой и второй секциях роторного узла, и винтовые лопасти ведомого ротора имеют различные первый и второй углы закрутки ведомого ротора соответственно в первой и второй секциях.
Один вариант выполнения осевого объемного компонента газотурбинного двигателя представляет собой осевой объемный компрессор для газотурбинного двигателя, в котором первые углы закрутки ведущего и ведомого роторов меньше, чем вторые углы закрутки соответственно ведущего и ведомого роторов. Другой вариант выполнения осевого объемного компонента газотурбинного двигателя представляет собой осевую объемную турбину газотурбинного двигателя, в которой первые углы закрутки ведущего и ведомого роторов больше, чем вторые углы закрутки соответственно ведущего и ведомого роторов.
Таким образом, в предложенном компоненте в отличие от компонента, описанного в патенте США №2652192, винтовые лопасти ведущего ротора во впускной переходной секции выполнены с переходом от нулевой радиальной высоты к полностью развернутым профилям лопастей с полной радиальной высотой. Такая конфигурация лопастей обеспечивает создание полностью осевого потока через осевой впуск и отсутствие завихрений и, следовательно, исключает снижение эффективности компонента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает вид в аксонометрии объемного компрессора с осевым впуском, содержащего ведущий ротор и один ведомый ротор.
Фиг.2 изображает вид в аксонометрии спереди ведущего и ведомого роторов роторного узла компрессора, показанного на фиг.1.
Фиг.3 изображает вид в аксонометрии сзади ведущего и ведомого роторов роторного узла, показанного на фиг.1.
Фиг.4 изображает вид в аксонометрии сверху ведущего и ведомого роторов через первую и вторую секции сжатия роторного узла, показанного на фиг.2.
Фиг.5 изображает вид в аксонометрии сбоку ведущего ротора в секции сжатия роторного узла, показанного на фиг.2.
Фиг.6 изображает вид в аксонометрии сбоку ведомого ротора в секции сжатия роторного узла, показанного на фиг.2.
Фиг.7 изображает поперечное сечение набора лопастей ведущего ротора с тремя винтовыми лопастями, или выступами, и ведомого ротора с четырьмя винтовыми лопастями, или выступами, компрессора, показанного на фиг.2 и 3.
Фиг.8 изображает вид в аксонометрии секции сжатия объемного роторного компрессора с осевым впуском, содержащего ведущий ротор и два ведомых ротора.
Фиг.9 изображает вид в аксонометрии ведущего ротора и двух ведомых роторов роторного узла, показанного на фиг.8.
Фиг.10 изображает вид в аксонометрии, если смотреть в направлении вниз по потоку, скошенной передней кромки винтовой лопасти ведущего ротора во впускной переходной секции компрессора, показанного на фиг.8 и 9.
Фиг.11 изображает вид в аксонометрии сбоку скошенной передней кромки винтовой лопасти ведущего ротора, показанной на фиг.10.
Фиг.12 изображает вид в аксонометрии задней кромки ведущего ротора винтовой лопасти во выпускной переходной секции компрессора, показанного на фиг.8 и 9.
Фиг.13 изображает схематическое поперечное сечение альтернативного выполнения набора лопастей роторного узла, показанного на фиг.8 и содержащего ведущий ротор с четырьмя винтовыми лопастями, или выступами, и ведомые роторы с тремя винтовыми лопастями, или выступами, в каждом.
Фиг.14 изображает схематическое поперечное сечение альтернативного выполнения набора лопастей роторного узла, показанного на фиг.8 и содержащего ведущий ротор с шестью винтовыми лопастями, или выступами, и ведомые роторы с четырьмя винтовыми лопастями, или выступами, в каждом.
Фиг.15 изображает поперечное сечение альтернативного выполнения набора лопастей роторного узла, показанного на фиг.8 и содержащего ведущий ротор с восемью винтовыми лопастями, или выступами, и ведомые роторы с пятью винтовыми лопастями, или выступами, в каждом.
Фиг.16 изображает схематический разрез передачи роторного узла компрессора, показанного на фиг.1.
Фиг.17 изображает схематический разрез передачи роторного узла компрессора, показанного на фиг.8.
Фиг.18 изображает схематический разрез объемного расширителя с осевым впуском, содержащего ведущий ротор и один ведомый ротор.
Фиг.19 изображает схематический разрез объемного расширителя с осевым впуском, содержащего ведущий ротор и два ведомых ротора.
Фиг.20 изображает вид в аксонометрии спереди скошенной передней кромки винтовых лопастей ведущего ротора во впускной переходной секции расширителя, показанного на фиг.18.
Фиг.21 изображает вид в аксонометрии спереди задней кромки винтовой лопасти ведущего ротора в выпускной переходной секции расширителя, показанного на фиг.18 и 20.
Фиг.22 изображает вид в аксонометрии сбоку задних кромок винтовых лопастей ведущего и ведомого роторов в выпускной переходной секции расширителя, показанного на фиг.21.
Фиг.23 изображает схематический разрез роторного узла компрессора с двумя ведущими роторами и одним ведомым ротором.
Фиг.24 изображает схематический разрез роторного узла компрессора с двумя ведущими роторами и двумя ведомыми роторами.
Фиг.25 изображает поперечное сечение набора лопастей ведущего и ведомого роторов компрессора, показанного на фиг.23.
Фиг.26 изображает поперечное сечение набора лопастей роторного узла компрессора с двумя ведущими роторами и одним ведомым ротором, оси которых лежат в разных плоскостях.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном документе рассмотрены иллюстративные варианты выполнения объемных компрессоров 8 с осевым впуском, предназначенных для газотурбинного двигателя, показанные на фиг.1-17, и турбин или расширителей 88, показанных на фиг.18-22, с ведущим ротором и одним или более ведомыми роторами, которые являются типичными осевыми объемными компонентами 3 газотурбинного двигателя, содержащими ведущий ротор и один или более ведомых роторов. Осевой объемный компонент газотурбинного двигателя, содержащий ведущий ротор 12 и один или более ведомых роторов 7, предназначен для совершения работы, такой как сообщение энергии непрерывному потоку рабочей среды 25, например, проходящей через компрессор 8, или получение энергии от непрерывного потока рабочей среды 25, как, например, в случае осевого объемного расширителя или турбины.
На фиг.1-7 показан иллюстративный вариант выполнения осевого объемного компрессора 8 газотурбинного двигателя, содержащего ведущий ротор 12 и ведомый ротор 7, которые расположены в корпусе 9 компрессора. Указанный компрессор 8 содержит роторный узел 15 с ведущим и ведомым роторами 12, 7, проходящими от полностью осевого впуска 20 до осевого выпуска 22. Корпус 9 компрессора окружает ведущий и ведомый роторы 12, 7. На фиг.8-15 показан второй иллюстративный вариант выполнения осевого объемного компрессора 8 газотурбинного двигателя, в котором роторный узел 15 содержит три ротора, а именно ведущий ротор 12 и первый и второй ведомые роторы 13, 14, проходящие от осевого впуска 20 до осевого выпуска 22.
На фиг.2-6 изображен роторный узел 15 компрессора 8 с ведущим ротором 12 и одним ведомым ротором 7. Роторный узел 15 содержит перемежающиеся винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов, проходящие по спирали вокруг параллельных осей 16, 18 соответственно ведущего и ведомого роторов 12, 7. Как показано, в частности, на фиг.2, винтовые лопасти 17, 27 проходят радиально наружу от ступиц 51, 53 ведущего и ведомого роторов, описанных вокруг осей 16, 18 соответственно ведущего и ведомого роторов. Первая и вторая секции 24, 26 сжатия роторного узла 15 компрессора 8 имеют различные первый и второй углы 34, 36 закрутки лопастей 17 ведущего ротора и различные первый и второй углы 32, 35 закрутки лопастей 27 ведомого роторов. Указанные углы закрутки соответствуют осевому шагу винтовых лопастей рассматриваемых роторов и описаны ниже более подробно. Центральные части 170 винтовых лопастей 17 ведущего ротора, проходящие вдоль оси и вниз по потоку через первую и вторую секции 24, 26 сжатия, имеют полную радиальную высоту Н, измеряемую радиально наружу от ступицы 51 ведущего ротора по направлению к корпусу 9.
Винтовые лопасти 17 и 27 ведущего и ведомого роторов имеют постоянные в пределах каждой из первой и второй секций 24, 26 сжатия соответственно первый и второй углы 34, 36 закрутки ведущего ротора и первый и второй углы 32, 35 закрутки ведомого ротора. Первый и второй углы 34, 36 закрутки ведущего ротора отличаются друг от друга, и первый и второй углы 32, 35 закрутки ведомого ротора отличаются друг от друга. Угол закрутки определяется как отношение величины поворота поперечного сечения 41 винтового элемента (такого как выступы 57 ведущего ротора, показанные на фиг.7) к расстоянию вдоль оси, например оси 16 ведущего ротора. Как показано на фиг.2 и 4, углы закрутки составляют 360° (2π рад), поделенные на осевое расстояние CD между двумя соседними вершинами 44 вдоль одних и тех же ведущих или ведомых винтовых кромок 47, 48 винтового элемента, такого как винтовые лопасти 17, 27 ведущего или ведомого роторов, показанные на фиг.2. Осевое расстояние CD - это расстояние, на котором винт совершает один полный оборот 43. В компрессоре первые углы закрутки в первой секции 24 меньше, чем вторые углы закрутки во второй секции 26.
Как показано на фиг.2 и 3, компрессор 8 содержит впускную и выпускную переходные секции 28, 30, расположенные выше и ниже по потоку относительно соответственно первой секции 24 сжатия и второй секции 26 сжатия и предназначенные для принятия осевого потока, проходящего через компрессор 8. Первая и вторая секции 24, 26 сжатия роторного узла 15 компрессора 8 расположены последовательно вниз по потоку между впускной и выпускной переходными секциями 28, 30. Во впускной переходной секции 28 винтовые лопасти 17 ведущего ротора переходят к полностью развернутым профилям лопастей, проходя в направлении D вниз по потоку от нулевой радиальной высоты до полной радиальной высоты Н при измерении радиально наружу от ступицы 51 ведущего ротора в осевом направлении D вниз по потоку. В выпускной переходной секции 30 винтовые лопасти 17 ведущего ротора переходят от полностью развернутых профилей лопастей, проходя в направлении D вниз по потоку от полной радиальной высоты Н до нулевой радиальной высоты при измерении радиально от ступицы 51 ведущего ротора. Впускная переходная секция 28 помогает обеспечить полностью осевой поток через осевой впуск 20, а выпускная переходная секция 30 помогает обеспечить полностью осевой поток через осевой выпуск 22.
В соответствии с фиг.2 между ступицами 51, 53 ведущего и ведомого роторов и корпусом 9 (показанным на фиг.1) радиально расположен проток 40, проходящий вдоль оси вниз по потоку от осевого впуска 20 до осевого выпуска 22. Винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов выполнены с возможностью вращения в протоке 40. Проток 40 также содержит проток 45 ведущего ротора, который по существу окружает ведущий ротор 12 и в котором могут вращаться винтовые лопасти 17 ведущего ротора. Проток 40 имеет кольцевую центральную секцию 70 для ведущего ротора 12. Указанная секция 70 протока расположена радиально между ступицей 51 ведущего ротора и корпусом 9 и проходит вдоль оси между впускной и выпускной переходными секциями 28, 30. Проток 40 содержит выполненные последовательно вниз по потоку впускную секцию 76, расположенную во впускной переходной секции 28, кольцевую центральную секцию 70, расположенную в первой и во второй секциях 24 и 26 сжатия, и выпускную секцию 78, расположенную в выпускной переходной секции 30.
Винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов в первой и второй секциях 24, 26 сжатия имеют полностью развернутые профили лопастей с полной радиальной высотой Н и находятся в герметичном соединении с корпусом 9 компрессора на протяжении первой и второй секций 24, 26 сжатия (герметичное соединение между винтовыми лопастями 17, 27 ведущего и ведомого роторов и корпусом 9 показано на фиг.7). Винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов вращаются соответственно вдоль впускной, кольцевой центральной и выпускной секций 76, 70 и 78 протока, которые расположены между корпусом 9 компрессора и соответственно ступицами 51, 53 ведущего и ведомого роторов. Впускная, кольцевая центральная и выпускная секции 76, 70 и 78 образуют проток 40 компрессора, проходящий вдоль оси в направлении D вниз по потоку от осевого впуска 20 до осевого выпуска 22.
Впускная переходная секция 28 существенно длиннее, чем выпускная переходная секция 30, поскольку, как очевидно из фиг.2-6, первый угол 34 закрутки, или шаг, существенно меньше, чем второй угол 36 закрутки, или шаг. Предусмотрены конфигурации, в которых выпускная переходная секция 30 отсутствует.
Во время работы компрессора 8 роторный узел 15 обеспечивает непрерывный поток через впуск 20 и выпуск 22. Первая секция 24 сжатия захватывает и увлекает отдельные порции воздуха 50. При перемещении порций воздуха 50 от первой секции 24 сжатия ко второй секции 26 сжатия поперек плоскости CP сжатия между указанными секциями 24, 26, как показано на фиг.2-4, они сжимаются. Таким образом, вся порция воздуха 50 подвергается сжатию во время нахождения как в первой, так во второй секциях 24, 26 сжатия.
Первая секция 24 сжатия предназначена для охватывания всего объема порции воздуха 50 и изоляции ее от осевого впуска 20 и осевого выпуска 22. После захвата текучей порции воздуха 50 она пересекает плоскость CP сжатия, перемещаясь во вторую секцию 26 сжатия, которая служит в качестве области сброса, и объем порции уменьшается в осевом и, возможно, радиальном размерах. Затем текучая порция воздуха 50 выталкивается из выпускной переходной секции 30 за второй секцией 26 сжатия в статический проток 131, показанный на фиг.1 и 2. В случаях когда число Маха на выходе достаточно низкое, выпускная переходная секция 30 может отсутствовать и ротор резко переходит в статический проток 131.
Ведущий и ведомый роторы выполнены с возможностью вращения вокруг своих соответствующих осей и с возможностью вращения в разных окружных направлениях (направлении С по часовой стрелке и направлении СС против часовой стрелки) со скоростями вращения, определенными фиксированным соотношением, как показано на фиг.16. Таким образом, ведущий и ведомый роторы 12, 7 соединены вместе передачей, так что они постоянно вращаются относительно друг друга с фиксированным отношением скоростей и соотношением фаз, обеспечиваемыми передачей 80 в коробке 82 передач, которая показана на фиг.1 и 4, а также схематически на фиг.16. Ведущий ротор 12 выполнен с возможностью вращения вокруг оси 16 ведущего ротора, а ведомый ротор 7 выполнен с возможностью вращения вокруг оси 18 ведомого ротора. Мощность, необходимая для приведения в действие компрессора 8, может подаваться с помощью приводного вала 37, который на фиг.1, 4 и 16 показан соединенным с ведущим ротором 12. Ведомый ротор 7 и ведущий ротор 12 соединены вместе с помощью распределительных зубчатых колес 84 передачи 80 в коробке 82 передач для обеспечения надлежащего синхронизированного вращения роторов с минимальным и регулируемым зазором между их перемежающимися винтовыми лопастями 17, 27.
На фиг.4-6 показаны ведущий и ведомый роторы 12, 7 и их взаимно перемежающиеся винтовые лопасти 17, 27, проходящие по спирали соответственно вокруг осей 16, 18 ведущего и ведомого роторов. Винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов имеют соответственно ведущую и ведомую винтовые поверхности 21, 23. Винтовые лопасти 17 ведущего ротора проходят радиально наружу от кольцевой поверхности CS кольцевой ступицы 51 ведущего ротора 12 между впускной и выпускной переходными секциями 28, 30. Винтовые лопасти 27 ведомого ротора проходят радиально наружу от ступицы 53 ведомых роторов 7. Кольцевая поверхность CS и кольцевая ступица 51 ведущего ротора показаны коническими, но могут иметь другую форму, например цилиндрическую.
Цилиндрическая поверхность CS ступицы 51 ведущего ротора проходит вдоль оси между винтовыми лопастями 17 ведущего ротора. Ведущая винтовая кромка 47 вдоль винтовой лопасти 17 ведущего ротора герметично соприкасается с ведомой винтовой поверхностью 23 лопасти 27 ведомого ротора при их вращении относительно друг друга. Ведомая винтовая кромка 48, идущая вдоль винтовой лопасти 27 ведомого ротора, герметично соприкасается с ведущей винтовой поверхностью 21 лопасти 17 ведущего ротора при их вращении относительно друг друга. Ступицы 51, 53 ведущего и ведомого роторов выполнены прямыми в осевом направлении и описаны вокруг осей 16, 18 ведущего и ведомого роторов. Ступицы ведущего и ведомого роторов могут быть полыми или сплошными.
Винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов, изображенные в аксиальных проекциях, именуются выступами 57, 67 ведущего и ведомого роторов, которые показаны на фиг.7. Показанный на фиг.1-7 иллюстративный компрессор 8 имеет три выступа 57 ведущего ротора и четыре выступа 67 ведомого ротора. Между корпусом 9 компрессора, показанным на фиг.7 штриховой линией, и ведущим и ведомым роторами 12, 7 поддерживается небольшой зазор CL до корпуса. Между самими ведущим и ведомым роторами 12, 7 с помощью распределительных зубчатых колес 84 коробки 82 передач, как описано выше, поддерживается небольшой осевой зазор АС (показанный на фиг.4). Для двухроторного узла 15 число выступов ведомого ротора либо на один больше, либо на один меньше, чем число выступов ведущего ротора. Радиусы RM, RG выступов ведущего и ведомого роторов измеряются соответственно от осей 16, 18 ведущего и ведомого роторов до полной радиальной высоты Н винтовых лопастей 17, 27 указанных роторов 12, 7. Указанные радиусы RM, RG могут иметь по существу равную или неравную длину. На фиг.7 радиус RM выступов ведущего ротора длиннее, чем радиус RG выступов ведомого ротора.
На фиг.8 показан иллюстративный объемный компрессор 8 с осевым впуском для газотурбинного двигателя, содержащий один ведущий ротор и два или более ведомых роторов и являющийся типичным объемным компонентом 3 с осевым впуском для газотурбинного двигателя. Показанный на фиг.8 и 9 компрессор 8 содержит ведущий ротор 12 и первый и второй ведомые роторы 13, 14. В соответствии с фиг.9 компрессор 8 содержит первую и вторую секции 24, 26 сжатия, расположенные между впускной и выпускной переходными секциями 28, 30. Впускная переходная секция 28, первая и вторая секции 24, 26 сжатия и выпускная переходная секция 30 расположены последовательно вниз по потоку и предназначены для сжатия рабочей среды 25, непрерывно протекающей в осевом направлении в компрессор 8 и через него. Первая и вторая секции 24, 26 сжатия имеют различные соответственно первый и второй углы 34, 36 закрутки. Углы закрутки соответствуют осевому шагу винтовых лопастей роторов, как объяснено выше.
В соответствии с фиг.8 и 9 изображенный в данном документе компрессор 8 содержит роторный узел 15 с ведущим ротором 12 и первым и вторым ведомыми роторами 13, 14, которые проходят от осевого впуска 20 до выпуска 22. Ведущий ротор 12 содержит винтовые лопасти 17, взаимно перемежающиеся с первыми и вторыми винтовыми лопастями 27, 29 соответственно первого и второго ведомых роторов 13, 14. Винтовые лопасти 17 ведущего ротора проходят радиально наружу от кольцевой ступицы 51 ведущего ротора 12, описанной вокруг оси 16. Винтовые лопасти 27, 29 первого и второго ведомых роторов проходят радиально наружу от первой и второй кольцевых ступиц 53, 55 первого и второго ведомых роторов 13, 14, которые описаны соответственно вокруг осей 19, 39 указанных роторов.
В соответствии с фиг.8-12 роторный узел 15 содержит впускную и выпускную переходные секции 28, 30, обеспечивающие прием осевого потока, проходящего через компрессор 8. Винтовые лопасти 17 ведущего ротора имеют передние кромки 117, которые во впускной переходной секции 28 переходят в полностью развернутые профили лопастей, проходя от нулевой радиальной высоты до полной радиальной высоты Н при измерении от ступицы 51 ведущего ротора в направлении D вниз по потоку, как более подробно показано на фиг.10 и 11. Термин «полностью развернутый профиль лопасти» означает профиль с полной радиальной высотой Н, измеренной от ступицы 51 ведущего ротора. Винтовые лопасти 17 ведущего ротора имеют задние кромки 217, которые в выпускной переходной секции 30 переходят от полностью развернутых профилей лопастей, проходя от полной радиальной высоты Н до нулевой радиальной высоты при измерении от ступицы 51 ведущего ротора, как более подробно показано на фиг.12. Один альтернативный вариант выполнения компрессора 8 не содержит выпускную переходную секцию 30.
Часть винтовых лопастей 17 ведущего ротора, проходящая через впускные переходные секции 28, является передней кромкой 117 и может быть описана как винтовая и скошенная по направлению назад или вниз по потоку, как показано на фиг.10. Скошенные передние кромки 117 плавно разделяют входящий поток, направляя его в полностью развернутые роторные каналы. В случае конфигураций компонентов, в которых используются высокие скорости роторов со сверхзвуковыми числами Маха в связанной с ротором системе отсчета, эта секция может занимать значительную часть общей длины компрессора или компонента.
На фиг.8 и 9 показан объемный компрессор 8 с осевым впуском для газодинамической турбины, роторный узел 15 которого содержит три ротора, а именно ведущий ротор 12 и первый и второй ведомые роторы 13, 14, проходящие от осевого впуска 20 до осевого выпуска 22. Осевой впуск 20 содержит взаимно перекрывающиеся кольцевые окна 10, 11 для ведущего и ведомого роторов, проходящие радиально между корпусом 9 компрессора и соответственно ступицами 51, 53 ведущего и ведомого роторов. Между указанными ступицами 51, 53 и корпусом 9 радиально расположен проток 40, проходящий вдоль оси вниз по потоку от осевого впуска 20 до осевого выпуска 22.
Проток 40 содержит проток 45 ведущего ротора, который по существу окружает ведущий ротор 12 и в котором могут вращаться его винтовые лопасти 17. Кольцевая центральная секция 70 протока ведущего ротора 12 расположена радиально между кольцевой цилиндрической внешней поверхностью 72 ступицы 51 ведущего ротора и кольцевой внутренней поверхностью 74 корпуса 9 и проходит вдоль оси между впускной и выпускной переходными секциями 28, 30. Проток 45 ведущего ротора содержит расположенные последовательно вниз по потоку впускную секцию 76, кольцевую центральный секцию 70 и выпускную секцию 78.
Впускная секция 76 протока, показанная на фиг.8 и 11 для ведущего ротора, проходит через впускную переходную секцию 28 между кольцевыми впускными поверхностями 90 ступиц 51, 53 ведущего и ведомого роторов и кольцевой впускной поверхностью 92 корпуса 9. Кольцевые впускные поверхности 90 ступиц и кольцевые впускные поверхности 92 корпуса показаны коническими, но могут иметь другую форму, например цилиндрическую. Впускная секция 76 протока имеет кольцевую площадь СА поперечного сечения, которая увеличивается в направлении D вниз по потоку, или в направлении спереди назад. Таким образом, кольцевая площадь AI на входе впускной секции 76 протока меньше, чем кольцевая площадь АО на ее выходе. Выпускная секция 78 протока проходит через выпускную переходную секцию 30 между кольцевыми выпускными поверхностями 94 ступиц 51, 53 ведущего и ведомого роторов и кольцевой выпускной поверхностью 96 корпуса 9. Кольцевые выпускные поверхности 94 ступиц и кольцевые выпускные поверхности 96 корпуса показаны коническими, но могут иметь другую форму, например цилиндрическую. Выпускная секция 78 протока имеет кольцевую площадь СА поперечного сечения, которая уменьшается в направлении D вниз по потоку или в направлении спереди назад. Таким образом, кольцевая площадь на входе выпускной секции 78 протока больше, чем кольцевая площадь АО на ее выходе. Впускная и выпускная секции 76, 78 протока помогают обеспечить полностью осевой поток на протяжении всей длины компрессора 8, в том числе при прохождении через осевой впуск 20 и осевой выпуск 22.
В соответствии с фиг.8 и 11 первая и вторая секции 24, 26 сжатия роторного узла 15 и компрессора 8 расположены последовательно вниз по потоку между впускной и выпускной переходным секциями 28, 30. Во время работы компрессора 8 роторный узел 15 обеспечивает непрерывный поток через впуск 20 и выпуск 22. Первая секция 24 захватывает и увлекает отдельные порции воздуха 50. При перемещении порций воздуха 50 от первой секции 24 ко второй секции 26 происходит их сжатие. Таким образом, вся порция воздуха 50 подвергается сжатию во время нахождения соответственно как в первой, так и во второй секциях 24, 26.
Ведущий и ведомый роторы выполнены с возможностью вращения вокруг своих соответствующих осей, причем ведущий ротор 12 выполнен с возможностью вращения в окружном направлении, отличном от направления вращения первого и второго ведомых роторов 13, 14, но с такой же скоростью вращения, определенной фиксированным соотношением. На фиг.17 ведущий ротор 12 показан вращающимся по часовой стрелке, а первый и второй ведомые роторы 13, 14 показаны вращающимися в направлении СС против часовой стрелки. Таким образом, ведущий, первый и второй ведомые роторы 12, 13 и 14 соединены вместе так, что они всегда вращаются относительно друг друга с фиксированным передаточным отношением скоростей и соотношением фаз, обеспечиваемыми передачей 80, схематически показанной на фиг.17. Мощность, необходимая для приведения в действие компрессора 8, может подаваться с помощью приводного вала 37, который на фиг.17 показан соединенным с ведущим ротором 12. Первый и второй ведомые роторы 13, 14 соединены вместе с помощью распределительных зубчатых колес 84 передачи 80 коробки 82 передач для обеспечения надлежащего синхронизированного вращения роторов с минимальным и регулируемым зазором между перемежающимися винтовыми лопастями 17 ведущего ротора и первыми и вторыми винтовыми лопастями 27, 29 ведомых роторов.
В соответствии с фиг.9 и 11 винтовые лопасти 17 ведущего ротора имеют ведущие винтовые поверхности 21, а первые и вторые винтовые лопасти 27, 29 ведомых роторов имеют соответственно первые и вторые ведомые винтовые поверхности 23, 33. Винтовые лопасти 17 ведущего ротора проходят радиально наружу от цилиндрической поверхности CS кольцевой ступицы 51 ведущего ротора 12. Первые и вторые винтовые лопасти 27, 29 ведомых роторов проходят радиально наружу от первой и второй ступиц 53, 55 ведомых роторов.
Цилиндрическая поверхность CS ступицы 51 ведущего ротора проходит вдоль оси между винтовыми лопастями 17 ведущего ротора. Винтовая кромка 47, идущая вдоль винтовой лопасти 17 ведущего ротора, герметично соединена с первой и второй ведомыми винтовыми поверхностями 23, 33 соответственно первой и второй винтовых лопастей 27, 29 ведомых роторов при их вращении относительно друг друга. Первая и вторая ведомые винтовые кромки 48, 49, идущие вдоль первой и второй винтовых лопастей 27, 29 ведомых роторов, герметично соединены с ведущей винтовой поверхностью 21 винтовой лопасти 17 ведущего ротора при их вращении относительно друг друга. Первая и вторая ступицы 53, 55 ведомых роторов, описанные соответственно вокруг осей 19, 39 первого и второго ведомых роторов, и ступица ведущего ротора, описанная вокруг оси ведущего ротора, выполнены прямыми в осевом направлении. Ступицы ведущего и ведомого роторов могут быть полыми.
На фиг.13 изображено осевое поперечное сечение ведущего, первого и второго ведомых роторов 12, 13, 14 для конфигурации лопастей роторов, показанной на фиг.8 и 9. Ведущий, первый и второй ведомые роторы 12, 13, 14 имеют выступы 67, 68, 69, соответствующие винтовым лопастям 17 ведущего ротора и соответственно первой и второй винтовым лопастям 27, 29 ведомых роторов, как показано на фиг.13. Корпус 9 показан пунктирной линией. Если ведущий ротор 12 имеет М выступов 67, или винтовых лопастей 17, а первый и второй ведомые роторы 13, 14 имеют по N выступов 68, 69, или первых и вторых винтовых лопастей 27, 29, то тогда число N выступов 68, 69 первых и вторых ведомых роторов выражается формулой N=М/2+1, где N и М - целые числа. Это соотношение между N и М справедливо для конфигурации с тремя роторами. Таким образом, для конфигурации, показанной на фиг.8, 9 и 13, М=4 и N=3. Альтернативные конфигурации ведущего, первого и второго ведомых роторов 12, 13, 14, показанные в поперечном сечении, имеют М=6 и N=4 выступов на фиг.14, и M=8 и N=5 выступов на фиг.15.
В соответствии с фиг.9 винтовые лопасти 17 ведущего ротора и первые и вторые винтовые лопасти 27, 29 ведомых роторов имеют постоянные первый и второй углы 34, 36 закрутки в соответственно первой и второй секциях 24, 26 сжатия. Угол закрутки определяется как отношение величины поворота поперечного сечения 41 винтового элемента (имеющего выступы 67, 68, 69, показанные на фиг.13-15) к расстоянию вдоль оси, например оси 16 ведущего ротора, как показано на фиг.9. На фиг.9 поворот поперечного сечения 41 ведущего ротора составляет 360°.
Угол закрутки также составляет 360° (2π рад), поделенные на осевое расстояние CD между двумя соседними вершинами 44 вдоль одной и той же ведущей или ведомой винтовой кромки 47, 48 винтового элемента, такого как винтовые лопасти 17, 27 ведущего или ведомого роторов, показанных на фиг.9. Осевое расстояние CD - это расстояние, на котором винт совершает один полный оборот 43. Для компрессора первый угол 34 закрутки в первой секции 24 меньше, чем второй угол 36 закрутки во второй секции 26, что показано на фиг.2 для конфигурации с одним ведомым ротором и применимо для конфигурации с двумя или более ведомыми роторами.
На фиг.16 и 17 схематически показаны варианты 100 и 102 выполнения осевого объемного компрессора 8 соответственно с двумя и тремя роторами. Вариант 100 выполнения с двумя роторами, как объяснено выше, содержит роторный узел 15 с ведущим и ведомым роторами 12, 7, проходящими от осевого впуска 20 к осевому выпуску 22. Осевой поток рабочей среды 25 обозначен стрелками. Вариант 102 выполнения с тремя роторами, как объяснено выше, содержит роторный узел 15 с тремя роторами, к которым относятся ведущий ротор 12 и первый и второй ведомые роторы 13, 14, проходящие от осевого впуска 20 к осевому выпуску 22.
На фиг.18 и 19 схематически показаны варианты 100, 102 выполнения осевых объемных турбин 88, или расширителей, с двумя и тремя роторами. Вариант 100 выполнения расширителя 88 с двумя роторами содержит роторный узел 15 с ведущим и ведомым роторами 12, 7, проходящими от осевого впуска 20 к осевому выпуску 22. Вариант 102 выполнения расширителя 88 с тремя роторами содержит роторный узел 15 с ведущим ротором 12 и первым и вторым ведомыми роторами 13, 14, проходящими от осевого впуска 20 к осевому выпуску 22.
Первая и вторая секции 124, 126 расширения расширителей 88 имеют различные первый и второй углы 34, 36 закрутки соответственно винтовых лопастей 17, 27 ведущего и ведомого роторов. Винтовые лопасти 17, 27 ведущего и ведомого роторов имеют первый и второй углы 34, 36 закрутки в пределах каждой из соответственно первой и второй секций 124, 126 расширения. В расширителе 88, в противоположность компрессору 8, первый угол 34 закрутки в первой секции 124 расширения больше, чем второй угол 36 закрутки во второй секции 126 расширения.
Мощность поступает от расширителя 88 через приводной вал 37, который показан на фиг.17 и 18 присоединенным к ведущему ротору 12 и проходящим назад, или вниз по потоку от него, но который также может проходить вперед, или вверх по потоку, от ведущего ротора 12. Ведомые роторы соединены с ведущим ротором с помощью распределительных зубчатых колес 84 передачи 80 для обеспечения надлежащего синхронизированного вращения роторов с минимальным и регулируемым зазором между перемежающимися винтовыми лопастями 17 ведущего ротора и первыми и вторыми винтовыми лопастями 27, 29 ведомых роторов.
Расширитель 88 содержит впускную секцию 76 протока и осевой впуск 20, в котором имеются взаимно пересекающиеся кольцевые окна 10, 11 для ведущего и ведомого роторов, ограниченные между корпусом 209 расширителя и ступицами 51, 53 соответственно ведущего и ведомого роторов 12, 7, как изображено на фиг.21 для варианта 100 выполнения с двумя роторами, показанного на фиг.18. Изображенный в данном документе расширитель также имеет осевой выпуск 22 с выпускной секцией 78 протока, показанной на фиг.21 и 22. Впускная секция 76 протока, показанная на фиг.20, проходит вдоль оси через впускную переходную секцию 28 между кольцевыми впускными поверхностями 90 ступиц 51, 53 соответственно ведущего и ведомого роторов 12, 7 и кольцевой впускной поверхностью 92 корпуса 209. Кольцевые впускные поверхности 90 ступиц и кольцевые впускные поверхности 92 корпуса показаны коническими, но могут иметь другую форму, например цилиндрическую. Впускная секция 76 протока имеет кольцевую площадь СА поперечного сечения, которая увеличивается в направлении D вниз по потоку, или в направлении спереди назад. Таким образом, кольцевая площадь AI на входе впускной секции 76 протока меньше, чем кольцевая площадь АО на ее выходе.
Во впускной переходной секции 28 винтовые лопасти 17 ведущего ротора переходят к полностью развернутым профилям лопастей, проходя в направлении D вниз по потоку от нулевой радиальной высоты до полной радиальной высоты Н, измеряемой радиально наружу от ступицы 51 ведущего ротора в осевом направлении D вниз по потоку. Винтовые лопасти 27 ведомого ротора переходят к полностью развернутым профилям лопастей, проходя в направлении D вниз по потоку от нулевой радиальной высоты до полной радиальной высоты, измеряемой радиально наружу от ступицы 53 ведомого ротора в осевом направлении D вниз по потоку.
Вдоль оси через выпускную переходную секцию 30 между кольцевыми выпускными поверхностями 94 ступиц 51, 53 соответственно ведущего и ведомого роторов 12, 7 и кольцевой выпускной поверхностью 96 корпуса 209 расширителя проходит выпускная секция 78 протока, показанная на фиг.21 и 22. Кольцевые выпускные поверхности 94 ступиц и кольцевая выпускная поверхность 96 корпуса показаны коническими, но могут иметь другую форму, например цилиндрическую. Выпускная секция 78 протока имеет кольцевую площадь СА поперечного сечения, которая уменьшается в направлении D вниз по потоку, или в направлении спереди назад. Таким образом, кольцевая площадь AI на входе выпускной секции 78 протока больше, чем кольцевая площадь АО на ее выходе. Впускная и выпускная секции 76, 78 протока помогают обеспечить полностью осевой поток на протяжении всей длины расширителя 88, в том числе при прохождении через осевой впуск 20 и осевой выпуск 22, хотя в потоке, выходящем из осевого выпуска 22, может присутствовать малое или остаточное завихрение.
В выпускной переходной секции 30 винтовые лопасти 17 ведущего ротора переходят от полностью развернутых профилей лопастей, проходя в направлении D вниз по потоку от полной радиальной высоты Н до нулевой радиальной высоты при измерении радиально наружу от ступицы 51 ведущего ротора в осевом направлении D вниз по потоку. Винтовые лопасти 27 ведомого ротора также переходят от полностью развернутых профилей лопастей, проходя в направлении D вниз по потоку от полной радиальной высоты Н до нулевой радиальной высоты в точке 0 при измерении радиально наружу от ступицы 53 ведомого ротора в осевом направлении D вниз по потоку.
Задние кромки 217 винтовых лопастей 17 ведущего ротора, проходящие через выпускную переходную секцию 30, могут быть описаны как винтовые и скошенные назад, или в направлении вниз по потоку, как показано на фиг.21. Скошенные задние кромки 217 помогают предотвратить срыв потока и возникновение завихрений на торце винтовых лопастей. Винтовые лопасти 27 ведомого ротора также имеют скошенные задние кромки 217, хотя по форме они могут отличаться от скошенных задних кромок 217 винтовых лопастей 17 ведущего ротора, как показано на фиг.21.
Задние кромки 217 винтовых лопастей 27 ведомого ротора показаны на фиг.21 и 22 изогнутыми в направлении вверх по потоку, противоположном направлению D. Эти загнутые вверх по потоку задние кромки 217 имеют радиально внутренние и радиально внешние секции 230, 232, которые скошены назад в направлении вниз по потоку от точки 235 на линии задних кромок 217, радиально расположенных между ступицей 53 ведомого ротора и корпусом 209 расширителя.
В газовой среде высокие числа Маха могут ограничивать работу при высоких скоростях рабочих колес турбины. Например, число Маха для входящего потока воздуха, равное 0,5, и скорректированная скорость рабочего колеса порядка 1000 футов/с (305 м/с) дают на впуске лопасти сверхзвуковые относительные числа Маха. Желательно обеспечить работу при еще более высоких скоростях рабочих колес, чем 305 м/с, поскольку тогда можно сократить длину машины или компонента. По мере того как значения относительных чисел Маха на впуске приближаются к звуковым, факторы толчков и закупоривания на впуске жестко ограничивают использование преимуществ работы на более высоких скоростях при плоской поверхности торцов ротора. Скошенные передние кромки, проходящие через впускную секцию 76 протока, помогают избежать этих проблем.
Осевые объемные компоненты двигателя обеспечивают конструкции двигателей с высоким массовым расходом на фронтальную площадь и возможность достижения высокой эффективности сжатия и расширения. Конструкции объемных компонентов также могут обеспечивать объемный расход, пропорциональный скорости вращения, и почти постоянное отношение давлений в широком диапазоне скоростей. Такое сочетание обеспечивает возможность повышения эффективности компонента и установки по сравнению с конкурирующими компонентами турбомашин в отношении термодинамических процессов сжатия, сгорания и расширения.
Описанные в данном документе объемные осевые компоненты 3 газотурбинного двигателя могут содержать более одного ведущего ротора, как показано на фиг.23-26 для турбины или расширителя 88. На фиг.23 изображена первая конфигурация с двумя ведущими роторами 12 и одним ведомым ротором 7 в роторном узле 15. На фиг.24 изображена вторая конфигурация с двумя ведущими роторами 12 и двумя ведомыми роторами 7 в роторном узле 15. На фиг.25 изображено осевое поперечное сечение набора лопастей первой конфигурации, содержащей два ведущих ротора 12 и один ведомый ротор 7 в роторном узле 15. На фиг.23 и 25 также показано, что все оси 16, 18 ведущего и ведомого роторов 12, 7 лежат в одной плоскости. Как вариант, все оси 16, 18 ведущего и ведомого роторов 12, 7 могут лежать в разных плоскостях, но при этом быть параллельны, как показано на фиг.26.
Несмотря на то что в данном документе описаны конкретные варианты выполнения изобретения, считающиеся предпочтительными и иллюстративными, на основании изложенных идей специалистам в данной области техники должны быть очевидны другие модификации изобретения, поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации, находящиеся в рамках идеи и объема изобретения. Соответственно, предметом правовой охраны является изобретение, которое описано и отличительные признаки которого изложены в приведенной ниже формуле изобретения.
РАСШИФРОВКА НОМЕРОВ ПОЗИЦИЙ
0 точка
3 компоненты газотурбинного двигателя
7 ведомый ротор
8 компрессоры газотурбинного двигателя
9 корпус компрессора
10 кольцевые окна для ведущего ротора
11 кольцевые окна для ведомого ротора
12 ведущий ротор
13 первый ведомый ротор
14 второй ведомый ротор
15 роторный узел
16 ось ведущего ротора
17 винтовые лопасти ведущего ротора
18 ось ведомого ротора
19 ось первого ведомого ротора
20 впуск
21 ведущая винтовая поверхность
22 выпуск
23 ведомая винтовая поверхность
24 первые секции сжатия
25 рабочая среда
26 вторые секции сжатия
27 винтовые лопасти первого ведомого ротора
28 впускные переходные секции
29 винтовые лопасти второго ведомого ротора
30 выпускные переходные секции
32 первые углы закрутки ведомого ротора
33 вторая ведомая винтовая поверхность
34 первые углы закрутки ведущего ротора
35 вторые углы закрутки ведомого ротора
36 вторые углы закрутки ведущего ротора
37 приводной вал
39 ось второго ведомого ротора
40 проток
41 поперечное сечение
43 один полный оборот
44 две соседние вершины
45 проток ведущего ротора
47 ведущая винтовая кромка
48 первая ведомая винтовая кромка
49 вторая ведомая винтовая кромка
50 порция воздуха
51 ступица ведущего ротора
53 ступицы первого ведомого ротора
55 ступицы второго ведомого ротора
57 выступы ведущего ротора
58 винтовые канавки
59 задняя кромка
67 выступы ведущего ротора
68 выступы первого ведомого ротора
69 выступы второго ведомого ротора
70 центральная секция протока
72 внешняя поверхность ступицы
74 кольцевая внутренняя поверхность корпуса
76 впускная секция протока
78 выпускная секция протока
79 проток компрессора
80 передача
82 коробка передач
84 зубчатые колеса
88 турбина
90 впускные поверхности ступицы
92 коническая впускная поверхность корпуса
94 конические выпускные поверхности ступицы
96 коническая выпускная поверхность корпуса
100 варианты выполнения с двумя роторами
102 варианты выполнения с тремя роторами
117 передние кромки
124 первые секции расширения
126 вторые секции расширения
131 статический проток
170 центральная секция
209 корпус турбины
217 задние кромки
230 внутренние секции задней кромки
232 внешние секции задней кромки
235 точка
AI кольцевая площадь на входе
АО кольцевая площадь на выходе
АС осевой зазор
CL зазор до корпуса
С направление по часовой стрелке
СС направление против часовой стрелки
СА площадь поперечного сечения
CD осевое расстояние
CP плоскость сжатия
CS площадь цилиндрической поверхности
D направление вниз по потоку
Н полная радиальная высота
RM радиус вершин зубьев ведущего ротора
RG радиус вершин зубьев ведомого ротора