СПОСОБ И СИСТЕМА АЭРО/ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА НЬЮТОНОВСКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В РАДИАЛЬНОЙ ТУРБОМАШИНЕ
METHOD AND SYSTEM OF AERO/HYDRODYNAMIC CONTROL OF NEWTONIAN FLUID FLOW IN RADIAL TURBOMACHINE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением национальной стадии патентной заявки США №US 2011/0006165 А1, поданной 8 июля 2010, которая является обычной заявкой, выделенной из предварительной заявки США №61/224,481, поданной 10 июля 2009, также поданной как международная заявка PCT/IB 2010/001885 в дату 9 июля 2010.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к области обрабатывающих устройств для аэро/гидродинамической обработки потока ньютоновской текучей среды и к способности повышения их энергетической эффективности и/или линии рабочих режимов при использовании новой конструкции динамики текучей среды конформного вихрегенератора (CVG). Это новое применение встроенных или интегрированных конформных вихрегенераторов обычно действует в различных местах и функциях, подобных активным дискам, каскадам аэродинамических поверхностей и управляющим потоком поверхностям в динамических турбинах, таких как подвижные турбинные двигатели, неподвижные турбины для получения энергии, вертолеты, крылья и в других случаях применения потока ньютоновской текучей среды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Добавочные конформные вихрегенераторы, используемые, например, в вертолетной системе защиты от эрозии (EPS), не могут быть применены и согласованы с малогабаритными сложными и запутанными конструкциями турбин с очень большим радиальным ускорением, составляющим порядка десятков тысяч гравитационных единиц "g", для  которых требуются новые по своей природе встроенные или интегрированные конформные вихрегенераторы для решеток профилей с высоким коэффициентом заполнения и выдерживающие тяжелые условия окружающей среды, такие как высокие температуры и входные поверхности с острыми краями. Дополнительные конформные вихрегенераторы приклеивают с использованием адгезива к существующей аэродинамической поверхности или поверхностной конструкции фюзеляжа после стадии изготовления, когда исходную аэродинамическую поверхность или поверхность фюзеляжа согласно проектному замыслу или инженерному анализу не настраивают для улучшенного объединения преимуществ конформного вихрегенератора. С другой стороны, известный встроенный конформный вихрегенератор включен в процесс проектирования и инженерной проработки для новой аэродинамической поверхности или конструкции управляющей потоком текучей среды поверхности, в результате чего может быть обеспечена возможность создания новых комбинаций производительности, характеристик, диапазонов регулирования потока текучей среды, энергетической эффективности и выбора способов изготовления, невозможные с добавочным конформным вихрегенератором.
[0004] Газотурбинный двигатель является известным примером сложной турбомашины, в который используется широкий диапазон потока ньютоновской текучей среды, термодинамики, материалов и физических способов применения к реальному устройству, обрабатывающему поток текучей среды. Каждый из последовательных функциональных блоков принимает некоторый входной поток текучей среды, обрабатывает эту текучую среду некоторым способом и затем передает эту текучую среду посредством сопрягающего устройства к следующей ступени двигателя. Исходный воздухозаборник представляет собой первое сопрягающее устройство для ввода текучей среды, и любые выхлопные сопла холодной или горячей секции завершают обработку текучей среды выпуском посредством выходного сопрягающего устройства (устройств) в окружающую атмосферу. Для двигателей турбин, в которых используется известный цикл Брайтона, эффективность оценивается по хорошо известным характеристикам термодинамического цикла отношений пиковой рабочей температуры текучей среды к конечным разностям температур на выходе и КПД потока или потерям энергии в компрессоре, турбине, камере сгорания и входного направляющем аппарате (IGV), газового тракта канализирующего средства и выходного сопла.
[0005] В настоящей заявке описаны потоки текучей среды, которые являются рабочей ньютоновской "текучей средой", обычно атмосферой или другим газом, но множество вариантов реализации конформного вихрегенератора также подходят для жидкости или смешанной фазы, когда необходимо учитывать число Рейнольдса (Re). Известно, что множество аэродинамических поверхностей и конструкций для газовых потоков в турбомашинах и устройствах измеряются, испытываются и визуализируются для удобства, например, в резервуарах для воды с использованием маркирующих материалов и способов наблюдения за поддающимися измерению эффектами потоков текучей среды. В настоящей заявке термин "поток текучей среды" применен к любым ньютоновским газовым и/или жидким фазам, поскольку динамика текучей среды регулируется фактическими условиям потока текучей среды и числами Рейнольдса.
[0006] Конструкции дисков статора и ротора лопаток компрессора и турбины двигателя как матрицы аэродинамических поверхностей в решетке профилей оптимизируются для аэродинамических характеристик, геометрических форм двигателя и массовых потоков. "Холодная секция" компрессора и возможных ступеней обходного вентилятора и воздухопровода работает при немного смягченных условиях среды, поскольку ранние ступени работают ближе к более низким входным температурам текучей среды. Улучшения потока в этих холодных секциях не имеют сложности, связанной с влиянием высокотемпературного газа на прочность материалов, окислением или другими проблемами, для составления общих вращательных, потоковых, аэроупругих, вибрационных, усталостных и связанных с давлением напряжений. Ступени компрессора могут поглощать приблизительно 60% и более от общего количества обеспеченной топливом энергии, которая извлекается ступенями турбины. Повышение эффективности остальной доступной энергии на выходе турбины и импульс выхлопного сопла оказывают большое влияние на доступную выходную полезную работу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0007] Ступени турбин низкого давления (LPT): В множестве современных конструкций двигателя с концентрическим валом ступень турбины низкого давления обычно извлекает энергию из массового потока газов, выходящих из "горячей секции" посткамеры сгорания, индуцирующих падение давления, и проводит эту энергию через самый внутренний осевой ведущий вал к обходному вентилятору, нагрузкам вала и/или начальным ступеням компрессора.
[0008] При нагружении лопаток и увеличении коэффициентов нагрузки Цвайфеля ступеней турбины низкого давления для изменения коэффициента заполнения каскада, снижении количества лопаток, размера двигателя, его веса и стоимости возникает проблема, связанная с аэродинамикой аэродинамических активно-реактивных поверхностей в решетке турбины. При пониженных числах Рейнольдса, "отклоняющихся" от проектных режимов, роторные и статорные лопатки могут испытывать нежелательные градиенты давления на засасывающей поверхности, которые индуцируют утолщение пограничного слоя (BL), переход к турбулентному потоку текучей среды, отделение потока текучей среды в нижних имеющих импульс частях пограничного слоя, общие области срыва потока текучей среды и потерю энергетической эффективности.
[0009] McQuilling пишет в своей диссертации "Проектирование и оценка подъемной силы лопатки турбины низкого давления", что конструкции лопаток "с повышенной подъемной силой" (и фронтальной нагрузкой) для турбин низкого давления, подобные предложенной им лопатке L2F с улучшенными коэффициентами Цвайфеля по сравнению с общими примерами, подобными известным конструкциям лопаток типа "Pack-B" компании Pratt and Whitney Inc, могут быть построены без использования дополнительных способов модификации потока для противодействия отделению или срыву потока с лопатки при экстремальных значениях рабочего диапазона или "отклонении от проектных режимов".
[0010] В данном случае, оптимизация фронтальной нагрузки аэродинамической поверхности лопатки обеспечивает возможность распространения восстановления давления засасывающей поверхности на более длинное расстояние хорды, так что нежелательный градиент давления уменьшается с улучшением потока текучей среды и уменьшением отделения имеющей низкую энергию и небольшой импульс нижней части пограничного слоя. В данном случае, основные потоки текучей среды вдоль лопатки, реакции на неустойчивые расположенные выше по течению потока вихревые следы и т.п. могут быть спроектированы с улучшением по сравнению с уровнем техники, но предельное комбинированное улучшение характеристик должно быть оптимизировано исходя из расчетной нагрузки на лопатку, и также с использованием способов улучшения потока для снижения аэродинамического сопротивления и отделения, в частности, при отклонении от проектных режимов в пределах области изменения характеристик.
[0011] Примеры и эффекты модификации потока текучей среды обобщены и описаны, например, у Rouser в диссертации "Использование углублений для подавления отделения пограничного слоя на лопатке турбины низкого давления" ("Use of Dimples to suppress boundary layer separation on a low pressure turbine blade"), и включают множество типов поверхностных структур и способов, используемых в основном для генерирования вихревых потоков и переноса энергии от слоев потока с более высоким импульсом в нижние слои (ближе к аэродинамической поверхности) для возобновления подачи энергии в самые низкие уровни пограничного слоя и предупреждения нежелательных влияний градиента давления и отделения потока текучей среды от аэродинамической поверхности.
[0012] Известные вихревые генераторы (VG), используемые для улучшения потоков аэродинамической поверхности, делятся на определенные категории с различными эффектами и преимуществами. Выступающие устройства, такие как наклонные элементы, наклонные лопасти, бороздки, наклонные вихревые генераторы Уилера и тому подобные устройства создают подходящие вихри, но при этом генерируют дополнительное аэродинамическое сопротивление, не смотря на то, что имеют тенденцию к изменению условий потока пограничного слоя, в частности, к снижению потерь из-за срыва потока и уменьшению аэродинамического сопротивления. Кроме того, эти выступающие устройства отбирают энергию от имеющих большую энергию верхних слоев утолщенного пограничного слоя или невозмущенного потока при пониженных числах Рейнольдса, но затем проходят вверх над более тонким пограничным слоем при повышенных числах Рейнольдса и вызывают высокое индуцированное аэродинамическое сопротивление в этой точке характеристик. Эти устройства характеризуются как имеющие высоты, составляющие значительную часть толщины пограничного слоя, например, в диапазоне 35-100% или больше от максимальной толщины пограничного слоя в традиционном вихревом генераторе.
[0013] Погруженные или углубленные вихревые генераторы и микровихревые генераторы такие как S-образный погруженный канал Уилера или даже выемки глубиной меньше чем глубина пограничного слоя, были широко исследованы и при испытаниях показали генерирование с уменьшенным добавленным аэродинамическим сопротивлением по сравнению с вихревым генератором выступающего типа. Эти устройства имеют изменяющуюся геометрическую форму или высоту ступени или наклонного элемента в направлении вдоль хорды. Вершины S-образных погруженных устройств ориентированы в направлении к приходящему потоку текучей среды и не соответствуют профилю аэродинамической поверхности. Для некоторых микровихревых генераторов, расположенных в нижних уровнях пограничного слоя, сложность серийного применения состоит в необходимости генерировать вихрь с достаточной энергией, и во вращающейся среде, например, на лопатке, такое применение в непосредственной близости ухудшает характеристики.
[0014] Углубления обычно представляют собой простое и всенаправленное устройство, такое как описано у Rouser, которое снижает аэродинамическое сопротивление посредством подавления увеличенных пузырей срыва потока (используемое, например, для увеличения дальности полета мячей для гольфа благодаря сниженному аэродинамическому сопротивлению). Однако образованные углублением вихри имеют сложную структуру с менее чем оптимальной интенсивностью или способностью передавать большое количество энергии невозмущенного потока текучей среды в нижний пограничный слой.
[0015] Углубления для управления пограничным слоем являются сложными, поскольку характеристики чувствительны к геометрической форме и числу Рейнольдса, при которых вихревые режимы являются преобладающими. Традиционный вихревой генератор лопаточного типа имеет дополнительную проблему, состоящую в том, например, что при числах Рейнольдса у реальных лопаток турбины низкого давления такие генераторы становятся очень небольшими и имеют размер порядка нескольких миллиметров, которому соответствуют очень острые, тонкие и непрочные конструкции, которые также подвержены эрозии под действием пролетающих частиц и повреждению окислением под действием горячих отработанных газов. Дополнительные проблемы состоят в механической усталости лопатки из-за концентрации локальных напряжений во время сгибания лопатки и также в опасности, которую представляют эти острые объекты для обслуживающего персонала.
[0016] Наклонный входной (например, уилеровский, с направленным вверх наклонным потоком и обращенной назад ступенью) и наклонный выходной (например, S-образный погруженный, с направленным вниз наклонным потоком и обращенной вперед ступенью) традиционные вихревые генераторы также образуют другие вторичные структуры потока и потенциальные ударные волны, такие как поперечный поток или проходящие по размаху лопатки подковообразные вихри, которые отклоняют энергию от строгого направления перемещения вихрей вдоль хорды.
[0017] Исследование НАСА показывает, что традиционные вихревые генераторы вырабатывают вихри, которые обычно существуют с перемещением в направлении потока на расстояния, составляющие приблизительно 30 высот традиционного вихревого генератора, в лучшем случае приблизительно до 40 высот традиционного вихревого генератора в заднем направлении вдоль длины хорды и заканчиваются тем, что конвектируют в направлении от аэродинамической поверхности в слои с повышенной энергией.
[0018] Rouser также описывает другие способы без использования вихревого генератора для управления потоком пограничного слоя, как показанный на фиг. 10 (приписан McCormick), в форме пассивных пористых поверхностных устройств, в которых воздух под давлением подают на поверхность области низкого давления перед отделением через матрицу отверстий или инжекционных прорезей или ступеней. Такие подходы реализуют эффекты, подобные эффекту Коанды, или увеличение подъемной силы другими способами или с использованием закрылка со сдувом пограничного слоя, или другим всасывающим способам, используемым для стабилизации области пограничного слоя. Разумеется, одна из проблем, связанных со струйной инжекцией текучей среды, состоит в уравновешивании импульсов пограничного слоя и сопла для предотвращения струйного "отслаивания" или срыва потока при уменьшении скорости пограничного слоя или изменении числа Рейнольдса потока, причем дополнительно локальный пограничный слой дестабилизируется с формированием подковообразного вихря вокруг передней кромки (LE) столбика струйного потока текучей среды или струи прежде, чем его можно будет приблизить к поверхности лопатки.
[0019] Описанное в литературе управление гибридным ламинарным потоком (HLFC), примененное в авиалайнере Боинг 787 использует известную пористую всасывающую поверхность для управления пограничным слоем на передней кромке вертикального стабилизатора для улучшения управления срывом потока (вместо традиционных вихревых генераторов), например, при одном работающем двигателе, с использованием всасывания воздуха из пассивного источника. Использование пористой всасывающей поверхность, содержащей отверстия/ячейки, сталкивается с проблемой закупорки входов мусором, вязкими потерями энергии, потреблением энергии для индуцирования всасывания, наряду с компромиссом в отношении прочности композитной конструкции.
[0020] Stephens в патенте США №2,800,291, Wheeler в патентах США №№4,455,045 и 5,058,837, Rinker в патенте США №7,900,871 и многие другие описывают варианты дополнительных наклонных вихревых генераторов или подобных дискретных форм, которые начинаются с тонкого (не нулевого) входного края и затем проходят назад в потоке текучей среды в форме наклонного элемента с вершиной, имеющей увеличенную высоту над нижележащей аэродинамической поверхностью. Геометрически или морфологически эти устройства не являются конформными для нижележащей аэродинамической поверхности в любой интерпретации. Как описано у Stephens '291, наплывы или эквивалентные конструкции вихревого генератора, подобные описанным у Rinker '871, не могут действовать в качестве снижающего аэродинамическое сопротивление средства при низком угле атаки (АоА) аэродинамической поверхности или поверхности фюзеляжа. В настоящей заявке термин "низкий угол атаки" определен как включенный диапазон положительных, нулевого и отрицательных углов атаки, ниже которых отсутствуют значительные отделения потока текучей среды (например, срывы) или пузыри отделения на аэродинамической поверхности или поверхности фюзеляжа, расположенной выше по течению потока любых обычных конечных отделений выходного потока, например, выходного потока текучей среды, или на задней кромке, где соблюдаются условия Кутта-Жуковского. Для большей части аэродинамических поверхностей диапазон углов атаки, составляющий +/-4°, мог бы отвечать этому условию, но не ограничивается указанными пределами, и в некоторых случаях может быть использован увеличенный диапазон, приближенный к углу атаки срыва. Schenk в патенте США №4,354,648 описывает матрицы выступающих низкопрофильных турбулизирующих пограничный слой устройств для генерирования турбулентности в пограничном слое и уменьшения отделения потока от аэродинамической поверхности на крыле. У Schenk '648 входная высота устройства не является нулевой, и сами устройства не являются полностью конформными в отношении к аэродинамической поверхности, так что они индуцируют аэродинамическое сопротивление в результате образования подковообразных вихрей и турбулентности даже при том, что в указанном патенте предложены вихревые генераторы, имеющие уменьшенные размеры по сравнению с размерами известных вихревых генераторов.
[0021] Имеющая небольшой размер, прерывистая или имеющая точечную зону действия и ненаправленная турбулентность не является эффективным способом реэнергизации пограничного слоя.
[0022] Vijgen и др. в патенте США №5,088,665 описывают модификацию в задней кромке (ТЕ) аэродинамической поверхности с добавлением после задней кромки зазубренной панели или матрицы треугольных/зубчатых элементов для "улучшения подъемной силы и характеристики аэродинамического сопротивления". Добавление дополнительных активных аэродинамических элементов, проходящих наружу за пределы физической протяженности исходной основанной аэродинамической поверхности, представляет собой значительное отличие от добавления конформных вихрегенераторов к аэродинамической поверхности перед задней кромкой и внутри исходной физической протяженности или границы аэродинамической поверхности. Fritz в патенте США №8,083,488 также описывает дополнительную панель с зазубренностями в задней кромке, которая отличается от Vijgen '665 и является патентоспособной. Shibata в патенте №6,830,436 описывает и заявляет лопатку ветрогенератора с "зубчатостью" или зазубренностями, добавленными в задней кромке, для уменьшения шума и увеличения эффективности путем изменения задней вихревой дорожки Кармана. Gliebe в патенте США №6,733,240 также описывает и заявляет зазубренное расположение задней кромки на лопатке турбовентилятора для улучшения смешивания потока и уменьшения шума и использует тот же самый аэродинамический эффект и получает те же самые результаты, как и описанные Young в патенте США №3,153,319 и Balzer в патенте США №6,612,106. Gliebe '240 не описывает уменьшение аэродинамического сопротивления ниже исходной конструкции, которая нарушает линейную заднюю кромку и явно отличается от конформных вихрегенераторов, которые просто добавляются к аэродинамической поверхности перед задней кромкой для уменьшения аэродинамического сопротивления по сравнению с исходной конфигурацией, и другие усовершенствования.
d
[0023] Godsk в патенте США №7,914,259 описывает использование нескольких рядов известных дискретных вихревых генераторов, расположенных вдоль лопаток ветрогенератора, для расширения исходного досрывного угла атаки от примерно +10° до примерно +16° с добавленными вихревыми генераторами, как показано на фиг. 3 в чертежах к его патенту. Godsk '259 на своем фиг. 4 показывает известную проблему с дискретными наклонными и вихревыми генераторами, встроенными в лопатки, которые действуют при низких углах атаки и до примерно +10° исходного угол атаки срыва, причем оборудованная вихревым генератором лопатка имеет более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления (C), чем исходная немодифицированная лопатка.
[0024] Wormian в патенте США №5,069,402 описывает использование известных увеличенных вихревых генераторов лопаточного типа для генерирования вихрей, которые затем распространяются вдоль отклоняющей поток поверхности, подобно отгибу вверх хвостовой секции С-130, для предотвращения или уменьшения отделения потока (подобного срыву) от поверхностей, которые фактически имеют высокий угол атаки, или отход от линий потока текучей среды, которые обычно создают ниже по ходу потока увеличенные завихрения и высокое индуцированное аэродинамическое сопротивление. Лопаточные вихревые генераторы, описанные в Wormian '402, во время работы сами развивают значительное зависящее от формы аэродинамическое сопротивление, но снижают гораздо большую часть аэродинамического сопротивления отделения ниже по ходу потока, так что обеспечивают общий положительный баланс снижения аэродинамического сопротивления, но в то же время фактически эти вихревые генераторы индуцируют аэродинамическое сопротивление и могут проявлять себя только как средство для относительного уменьшения лобового сопротивления в сценарии изменения другого существенного отделенного или срывного потока.
[0025] Наклонные и лопаточные вихревые генераторы имеют тенденцию к генерированию неустойчивых вихрей, проходящих в верхние уровни пограничного слоя, которые не ограничены приповерхностной областью аэродинамической поверхности. Углубления и выпуклости создают вихри, которые не являются высокоэффективными или высокоэнергетичными, и выпуклости имеют ту же самую проблему, как и лопаточные вихревые генераторы, состоящую в индуцировании избыточного аэродинамического сопротивления в верхних уровнях пограничного слоя при изменении чисел Рейнольдса и утоньшении пограничного слоя.
d
[0026] Martin, McVeigh и др. в статье "Пассивное управление сжимаемого динамического срыва" в журнале AIAA пишет со ссылкой на его фиг. 27, что уменьшенные вихревые лопаточные генераторы, используемые на вертолетных роторных лопастях, увеличивают C лопасти от примерно 0,01 до примерно 0,015, что значительно увеличивает требование к роторной мощности примерно до 50% с одновременным уменьшением моментов динамического срыва и тангажа лопасти благодаря вихревым генераторам, увеличивающим угол атаки срыва лопасти. McVeigh в патенте США №7,748,958 заявляет эту конструкцию вихревого генератора и способ уменьшения момента динамического срыва/тангажа лопатки, но не может заявить добавление абсолютного уменьшения аэродинамического сопротивления на основании опубликованных результатов измерений и фактов, известных в физике потока.
[0027] Volino в отчете о научно-исследовательской работе НАСА "Синтетические струи вихрегенераторов, используемые для управления отделением на аэродинамических поверхностях турбин низкого давления", описывает активное управление отделением с использованием синтетических струй для вихрегенератора (VGJs), в котором вихри создаются пульсирующими наклонными струйными потоками, вводимыми в пограничный слой, в котором индуцируются частично вихревые потоки, направленные вдоль хорды и облегчающие способом, подобным традиционным вихревым генераторам, сокращение пузырей срыва потока. Подход Volino является уникальным в том, что предложенная конструкция создает импульсные струйные режимы потока без чистого потока акустической генерации для устранения необходимости в постоянном источнике энергизации потоков текучей среды воздуходувной машины, что увеличивает стоимость генерации энергии. Взаимодействие текучей среды из сопла с верхним потоком пограничного слоя и имеющими большой импульс слоями генерирует завихрение, но также вызывает аэродинамическое сопротивление в своей тенденции к одновременному распространению энергии, широко распределенной по размаху, в следующие области пограничного слоя.
[0028] Однако все известные устройства, предназначенные для улучшения потоков вдоль аэродинамической поверхности или лопаток турбин низкого давления и уменьшения отделения, сталкиваются с проблемой, состоящей в том, что реальная вращающаяся среда создает дополнительные сложные условия, при которых могут генерироваться вихри в верхних уровнях пограничных слоев и конвектировать наружу в направлении по размаху аэродинамической поверхности. Это происходит вследствие того, что центростремительная сила имеет тенденцию к вращению вихрей, слабо связанных с поверхностью, в направлении наружу (радиально к концу лопатки) после прохождения физически заданной точки генерации в более высокие уровни потока текучей среды пограничного слоя, поскольку отсутствует существенная сила, прижимающая указанные вихри ближе к лопатке при их ускорении вдоль криволинейного пути, а также, дополнительно, по той причине, что вихри имеют тенденцию перемещаться ниже по ходу потока, они могут конвектировать к вершине пограничного слоя, могут пересекать любые расположенные по размаху лопатки вторичные потоки и также интенсивно вырываться наружу.
[0029] В этом случае предпочтительная тенденция вихрей, направленных вдоль хорды, сгенерированных ранее на хорде для реэнергизации пограничного слоя и уменьшения срыва потока и аэродинамического сопротивления, фактически становится нежелательной, как показано Мартином и др., и вихри прецессируют чтобы действовать частично под углом к невозмущенному потоку (ось вихря больше ориентирована в направлении по размаху) хаотическим способом, в результате чего возникает тенденция к утолщению следующего пограничного слоя и увеличению аэродинамического сопротивления без всякого воздействия на отделение. Этот эффект ясно продемонстрирован на вертолетных роторных лопатках, работающих при ускорении приблизительно 1200 g (гравитационных единиц) на концах лопастей, что значительно ниже чем в среде решетки турбины низкого давления. Известные вихрегенераторы, возбуждающие или конвектирующие вихри выше пограничного слоя, в общем являются нежелательными для использования во вращающейся среде, как показано Martin и др.
[0030] Обращенные назад ступени, расположенные поперечно к невозмущенному потоку, как известно, генерируют захваченные вихри и, следовательно, вызывают потери текучей среды и возмущения потока, как описано Calvert и Wong в статье "Аэродинамические влияния антиэрозионных покрытий вертолетных лопаток" в журнале AIAA. Они описывают, что проходящие по размаху вихри на простой обращенной назад ступени (т.е. под углом 90° к потоку текучей среды), такой как выполненная на полосе для защиты от эрозии (EPS) передней кромки вертолетной лопасти UH-60, как известно, увеличивают аэродинамическое сопротивление лопатки примерно до +5% или больше в зависимости от рабочих режимов лопатки.
[0031] В случае UH-60, для обращенной назад ступени, например, высотой ~0,5 мм и длиной 5 м можно предполагать захваченную расположенную по размаху струю образованного ступенью вихря с аспектным отношением приблизительно 10000, и в ситуации гидрогазодинамики эта очень тонкая структура вихревой струи является динамически неустойчивой. В части передней кромки вращающейся аэродинамической поверхности, подобной, например, вертолетной лопасти, действуют множество механизмов, которые интенсивно расстраивают потоки текучей среды уровня пограничного слоя. Проходящие вдоль размаха лопасти (или в общем радиально) вторичные потоки над пограничным слоем имеют тенденцию активировать наружные сдвиговые силы, которые действуют на нижние обладающие импульсом слои пограничного слоя, так что они протекают под углом к хорде аэродинамической поверхности и, следовательно, под углом к ступени системы для защиты от эрозии. Такая конфигурация потоков обеспечивает основательную причину распада образованного ступенью вихря наряду с центростремительным ускорением на вязкостно присоединенных слоях пограничного слоя, сохраняющих след перемещения аэродинамической поверхности, что может вынудить секции образованного ступенью вихря непрерывно теряться в секциях вихря, который может прецессировать с наклоном к размаху лопасти и возмущать и утолщать следующий пограничный слой на аэродинамической поверхности, а также увеличивать потери аэродинамического сопротивления, как выяснилось. В передней кромке выше по течению потока областей ламинарного течения развиваются акустические волны давления Толлмина-Шлихтинга (TS), усиливаются, распространяются назад и способствуют переходу к турбулентности пограничного слоя и шпилькообразным вихревым потокам, причем эти возмущения также влияют на устойчивость образованного ступенью вихря и частоты сбрасывания. Неожиданный результат заключается в том, что можно использовать обращенное назад расположение ступени для уменьшения аэродинамического сопротивления, снижения потерь энергии и повышения эффективности потока текучей среды поверх исходной или немодифицированной поверхности потока текучей среды.
[0032] Stephens '291, Wheeler '045 и '837, Rinker '871, Vijgen '665 и т.п., и все другие известные источники обычно показывают вихрегенераторы, в целом, имеющие треугольные формы с очевидным визуальным подобием, но аэродинамическое исследование показывает, что их форма и влияния явно отличаются от новых конформных вихрегенераторов согласно настоящему изобретению.
[0033] Ступени турбины высокого давления (НРТ): При повышении входной температуры турбины (TIT) (температуры текучей среды из камер сгорания), в результате чего могут быть построены улучшенные, облегченные двигатели и оптимизирован удельный расход топлива (SFC), достигается точка, в которой ни один высоколегированный сплав на основе никеля не может непосредственно выдерживать температуру горячих газов, и возникает потребность в других способах эффективного охлаждения и поддерживания формы и прочности компонентов двигателя под действием нагрузок. В типичных конструкциях используют отбор охлаждающего воздуха из компрессора для охлаждения камеры сгорания, статоров и роторы турбин высокого давления и поверхностей воздуховодов до точки, в которой температура потока уменьшена до безопасных значений, и также может быть использована, например, керамическое теплоизолирующее покрытие (ТВС) для минимизации затрат энергии на охлаждение. Теплоизолирующее покрытие уменьшает требования к охлаждению и затраты энергии, связанные с ним, поскольку поверхностное тепловое сопротивление увеличивается, но остающийся тепловой поток должен быть удален, так что основные металлические компоненты остаются достаточно холодными и не достигают температуры размягчения или разрушения их кристаллической структуры.
[0034] Охлаждение турбины высокого давления: Известно, что на поверхностях воздуховода горячей секции и лопатках (роторных и статорных) происходит интенсивное смешивание или турбулизация более высоких и более горячих потоков газа с нижним пограничным слое, что вызывает увеличенную нагрузку теплового потока на поверхности компонентов, подверженных действию потоков горячего газа, и, следовательно, эти компоненты нуждаются в повышенном охлаждении. Таким образом, нежелательное отделение потока текучей среды и турбулентность приводят к проблемам, из-за которых снижается эффективность (повышается аэродинамическое сопротивление) и ухудшается теплостойкость.
[0035] Примеры известных решений указанных проблем можно найти у Howald в патенте США №3,527,543, где описано пленочное охлаждение поверхности с использованием отверстий в лопатке для передачи внутреннего охлаждающего воздуха на поверхность лопатки. У Bird и др. в патенте США №5,193,975 описана лопатка турбины с внутренними охлаждающими каналами, штифтовым охлаждением и выбросом охлаждающего воздуха сквозь прорези в задней кромке. Выбрасывающие прорези с прямоугольными краями обычно являются нежелательными, так как повышают аэродинамическое сопротивление тем, что формируют нежелательный вихрь, проходящий под прямым углом к потоку, если скорости основных потоков и охлаждающего потока не будут согласованы, и разделяющий поток край прорези не имеет сужения для получения острого (очень тонкого) края. Zelesky в патенте США №5,378,108 описывает последовательность прорезей в задней кромке, модифицированных с возможностью оптимального распределения охлаждающих потоков вдоль задней кромки и тонкую заднюю кромку, толщина которой определена только толщиной стенки всасывающей поверхности, для минимизации аэродинамического сопротивления. Green в патенте США №5,374,162 описывает охлаждение с использованием фонтанной головки в передней кромке лопатки, которое является эффективным для изменения углов входного потока. Lee и др. в патенте США №7,011,502 описывают мостовое изготовленное литьем устройство в передней кромке со штифтовыми решетками и охлаждающими выходными прорезями, но выходные прорези все еще создают проблему с линейным краем, связанную с нежелательным распространением вдоль размаха вихрем, если сливающиеся потоки текучей среды не согласованы и края не являются острыми.
[0036] Shih и Na в статье "Увеличение адиабатической эффективности пленочного охлаждения путем использования расположенного выше по ходу потока наклонного элемента" ("Increasing adiabatic film-cooling effectiveness by using an upstream ramp"), опубликованной в журнале ASME, описывают почти трехкратное улучшение адиабатической эффективности пленочного охлаждения путем использования наклонного элемента перед выходным отверстием охлаждающего сопла вместо вихревых генераторов, встроенных внутри сопел или вблизи сопловых отверстий. В данном случае, проходящий вдоль размаха (поперек невозмущенного потока) вихрь, захваченный позади наклонного элемента, модифицирует выброшенный соплом поток охлаждающей текучей среды путем дестабилизации нежелательного ведущего подковообразного образованного соплом вихря таким образом, что распространяет охлаждающую массу вдоль размаха потока и перед выходным отверстием сопла для улучшения охлаждения в боковом направлении или по размаху. Эта конфигурация с наклонным соплом показывает примерно трехкратное повышение эффективности адиабатического охлаждения благодаря наклонному элементу, но выступающая наклонная конструкция, как указано выше, является нежелательной в этой форме, или аэродинамическое сопротивление давления увеличивается поверх плоской исходная конструкции. Наклонный элемент, проходящий в слои горячего газа, также требует дополнительной массы теплоизолирующего покрытия, как указывают авторы.
[0037] Так что предложенная Shih и Na идея наклонного элемента и ступени с захваченными по размаху вихрями, способствующими распространению охлаждающей текучей среды, за улучшение охлаждения платит нежелательными потерями эффективности за счет повышения аэродинамического сопротивления потоку текучей среды и вязкостными потерями. Было выполнено моделирование наклонного элемента для генерации только проходящих по размаху вихрей без любых вихрей, направленных вдоль хорды, на краях наклонного элемента, подобного вихревому генератору Уилера. Heidmann, по сообщению НАСА в статье "Численное исследование пленочных охлаждающих структур на основе пары "вихрь-антивихрь" (anti-vortex) с высокой степенью раздува" ("A Numerical Study of Anti-Vortex Film Cooling Designs at High Blowing Ratio") описывает пару "вихрь-антивихрь", образованную имеющими уменьшенный размер расположенными выше по течению потока соплами, которая минимизирует нежелательные почковидные вихри основного потока охлаждающего сопла. Этот способ представляет собой попытку распространения вдоль размаха адиабатического охлаждения и предотвращения струйного отслаивания, при котором струйный поток отделяется от поверхности, но не раскрыт как комбинация, уменьшающая потери из-за аэродинамического сопротивления аэродинамической поверхности или повышающая эффективность снижения аэродинамического сопротивления турбины.
[0038] Турбулизаторы также могут быть выполнены в форме треугольников, наклонных элементов, шевронов и т.п., расположенных в путях потоков охлаждающей текучей среды в трубопроводах и внутренних змеевидных охлаждающих каналах охлаждаемых роторных и статорных лопаток и поверхностей, обтекаемых потоком горячего газа в турбинах высокого давления (НРТ). В этом случае геометрическая форма потока, в отличие от конформных вихрегенераторов, сформирована для обеспечения максимальной турбулентности потока для перемешивания нагретых текучих сред приповерхностного пограничного слоя с охлаждающими основными потоками текучей среды для максимизации теплопередачу или теплопроводности и повышения эффективности охлаждения независимо от индуцированного аэродинамического сопротивления. В данном случае сформированные в поверхности генерирующие вихрь ступени или шевроны и индуцирующие турбулентность конструкции выполнены аэродинамически вплотную друг к другу, так что охлаждающая текучая среда не реорганизуется в плавные гладкие потоки в результате распада завихренностей. Ясно, что такой подход не обеспечивает низкое лобовое сопротивление при манипулировании потоками текучей среды, и отделение пограничного слоя турбулентного течения фактически увеличивается с улучшением теплопередачи рабочей текучей среды, так что эти известные конструкции явно отличаются от конформных вихрегенераторов.
[0039] Теплоизолирующие характеристики турбины высокого давления: Terry в патенте США №2,757,105 и Haskell в патенте США №5,260,099 описаны покрытия для лопаток двигателя, и Driver в патенте США №4,303,693 описывает плазменноструйный способ изготовления покрытий. Kojima и др. в патенте США №5,630,314 описывают "плиточное" или колоночное теплоизолирующее покрытие (ТВС) для лопаток турбин, и Nissley и др. в патенте США №5,705,231 описывают способ изготовления керамического покрытия путем плазменного напыления предварительно измельченного или сегментированного керамического материала, который позволяет создать теплоизолирующее покрытие, имеющее высокие износостойкость и сопротивление растрескиванию при температурах газовой турбины. У Nissley и в известных источниках также описан способ промежуточной диффузии или поверхностного соединительного слоя (например, из сплава MCrAlY, алюминида, алюмооксида, и т.п.) для улучшения керамической адгезии, улучшения согласования коэффициентов теплового расширения, создания пластичного переходного слоя и обеспечения усовершенствованной защиты от термического окисления основного слоя, например, из никелевых жаропрочных сплавов, обычно используемых в компонентах, выдерживающих высокую механическую и тепловую нагрузку.
[0040] Spengler и др. в патенте США №4,576,874 описывают применение одного или большего количества керамических слоев теплоизолирующего покрытия к лопатке турбины для повышения износостойкости и, в частности, применение керамики при высоких температурах, приближенных к температурам эксплуатационных режимов, в результате чего при циклическом повторении перехода к более холодному состоянию керамика под действием растягивающих нагрузок в меньшей степени подвержена растрескиванию и раскалыванию. Strangman в патенте США №6,224,963 описывает лазерную сегментацию теплоизолирующего покрытия для смягчения проблем раскалывания при истирании или механическом повреждении секции покрытия. Таким образом, важной проблемой использования теплоизолирующего покрытия в ступенях турбины является сопротивление механическому повреждению, раскалыванию и наилучшего согласования несоизмеримых коэффициентов теплового расширения для обеспечения наилучшего сопротивления тепловым и инерциальным нагрузкам, а также и химическим коррозионным воздействиям.
[0041] Характеристики компрессора: эффективность компрессора является важной характеристикой его работы, и присущее управление пограничным слоем, которое может задерживать отделение потока текучей среды и, таким образом, обеспечивать возможность работы статорных и роторных лопаток ближе к неуправляемым условиям отделения и, таким образом, достигать более высокого коэффициента диффузности, увеличенного угла поворота и повышенной нагрузки на лопасть, в результате чего может быть достигнута возможность применения повышенного давления на каждую ступень. Кроме того, с компрессором может быть связана проблема, состоящая в том, что срыв потока, который распространяется между множеством ступеней (пар дисков статора/ротора) может привести к полному разрушению структуры потока текучей среды, помпажу/потере мощности и в экстремальных случаях к повреждению оборудования.
[0042] Для уменьшения срывов потока могут быть использованы сопла для потока текучей среды, расположенные на засасывающей аэродинамической поверхности. Роторные и статорные лопатки компрессора являются намного более тонкими и менее изогнуты, чем, например, аэродинамические поверхности ступеней турбины, так что добавление внутренних поточных каналов для обеспечения возможности отбора потока текучей среды для сопел является затруднительным для изготовления, но в целом большая часть центрального материала лопатки сконцентрирована вблизи к нейтральной оси напряжений, так что некоторая часть материала может быть удалена без значительного ухудшения инерционных свойств секции или ее прочности. Разумеется, уменьшенные проточные тракты более восприимчивы к засорению, и остается еще одна проблема, связанная с тем, что сопла могут индуцировать подковообразные вихри, которые могут вызвать отслаивание, если ими не управлять. В реактивных двигателях малой мощности часто используются компрессоры центробежного типа, расположенные в ступенях высокого давления перед камерами сгорания.
[0043] Ступень вентилятора: Лопатки ротора вентилятора или диски исполнительно-приводного механизма обычно изготавливают из высокопрочного титана или стеклопластика (FRP), поскольку снабженные лопатками конструкции для потока текучей среды обычно преобразуют вращающий момент ступеней турбины низкого давления в тягу для холодной секции, которая обходит сердечник двигателя для увеличения тяги горячей секции с высоким коэффициентом усиления тяги, составляющим, например, 5-10:1. Стеклопластиковые лопатки, изготовленные, например, из углеродного волокна и эпоксидной смолы или других смол (и даже металлические лопатки), являются восприимчивыми к эрозии передней кромки от дождя, града, песка или других засасываемых небольших инородных повреждающих объектов (FOD) и даже переносимого по воздуху вулканического пепла, и являются высокопрофилированными в трехмерном пространстве (3D) для улучшения аэродинамических характеристик и ламинарных течений. Например, в вентиляторе из композитных материалов для двигателя GE90 диаметром 123 дюйма/3,1 м, в котором используются лопатки с заглубленной в переднюю кромку и связанной с ней полосой из обработанного машинным способом титана, имеющей сложную объемную форму, для обеспечения защиты от эрозии и способности принимать и выдерживать воздействие инородных повреждающих объектов, таких как, например, птицы.
[0044] Сопрягающее устройство между полосами системы для защиты от эрозии в передней кромке и задней композитной конструкцией представляет собой точку, неизбежно содержащую небольшие зазоры, которые могут расширяться под действием вибрации или индуцированного напряжением краевого разрушения клеевого соединения или эрозией и затем создавать возможность возникновения нежелательных проходящих по размаху вихрей. Предпочтительно встроенная вровень полоса передней кромки обеспечивает минимальную защиту от эрозии для окрашенной поверхности непосредственно позади перехода, который впоследствии, во время эксплуатации, может отогнуться и дестабилизировать воздушные потоки и вызывать дополнительное аэродинамическое сопротивление и потери энергии.
[0045] Все устройства с зазубренной аэродинамической поверхностью или задней кромкой корпуса, подобные, например, описанным у Gliebe '240, или у Stephens '291 в параграфе 13, также вводят точки концентрации механического напряжения на напряженной и обязательно самой тонкой задней кромке аэродинамической аэроупругой поверхности, которая в результате может стать местами усталостного инициирования и распространения трещин.
[0046] Шум и разрушение крупных вихрей (LEBU): смешивание потоков холодного/горячего воздуховодов: У Young '319 описаны множество типов зубчатых и подобных объемных устройств для увеличения смешивания потока, разрушения завихрений потока и, следовательно, уменьшения градиентов скорости потока, а также механизмы возникновения шума в потоках горячих выходящих газов реактивного двигателя. У Balzer' 106 описаны шевронные расширения выхлопного сопла, улучшающие перемешивание потока выходящих газов для уменьшения шума двигателя. В гондоле двигателя самолета Боинг 787 используется описанные у Balzer '106 элементы зубчатого типа для уменьшения шума двигателя, но результирующие потоки действуют не в пограничном слое, прижатом к аэродинамической поверхности корпуса, а на границе невозмущенного потока между потоком холодной текучей среды и потоком горячей текучей среды, так что эти вихри используются при смешивании потока только для уменьшения излученных шумов из акустических спектров. Такая конфигурация, как сообщают, снижает шум, но увеличивает аэродинамическое сопротивление, что является ожидаемым для вихрей, которые не улучшают реламинаризацию потока пограничного слоя, но просто индуцируют вихревой импульс потока текучей среды и вызывают потери.
[0047] Каналы потока в сердечнике двигателя: Lutjen и др. описывают в заявке на патент США №2011/0300342 металлическую подложку, которая может быть профилирована для формирования матрицы выемок или глухих отверстий, окруженных поднятыми вертикальными частями (стенками), которые затем дополнительно модифицируют механической чеканкой/деформацией для формирования нависающих выступов, которые предназначены последующего механического замыкания, удерживания и стабилизации известного имеющего верхний слой керамического теплоизолирующего покрытия. Эта конструкция проистекает из известных способов "укладки плиток" из керамики в небольшие секции для захвата и удерживания растрескавшихся секций теплоизолирующего покрытия, так что раскалывание и утеря теплоизолирующего покрытия минимизированы.
[0048] У Lutjen '342 описано, что в его устройстве нижняя плоская часть 50 углубления специально выполнена под прямым углом к боковой стенке 54 выступа. Эта конструкция имеет тот недостаток, что указанное соединение под прямым углом (т.е. имеющее небольшой радиус скругления или перехода) нагруженных и вибрирующих механических секций формирует концентратор напряжения, который способствует уменьшению усталостного ресурса и формирует точку для начала потенциального растрескивания материала. Расположенные выше и различные сформированные боковые стенки с увеличенными радиусами углубления обеспечивают возможность значительного увеличения добавленного локального момента инерции и формируют более прочное несущее нагрузку балочное расширение нагруженной поверхности, которое также поддерживает эту поверхность и способствует минимизации режимов вибрации и сгибания или отклонения. Разумеется, увеличенные поверхности управления потоком, которые изгибаются простыми или сложными способами, будут сопротивляться приложенным силам давления и инерциальным нагрузкам, а также оказывать сопротивление аэроупругим воздействиям, но наличие боковых стенок выступа способствует улучшению структурной эффективности (общей прочности во всех измерениях в отношении к полной массе), которая является пригодным для использования и от которой отказывается Lutjen. Напряжение сгибания, индуцированное вибрацией, нежелательно для надежного крепления "плитки" теплоизолирующего покрытия.
[0049] Кроме того, как описывает Lutjen, сформированные удерживающие элементы 28 и 28' выступов обычно находятся в самой тонкой точке в конечном профилированном гладком теплоизолирующем покрытии (как показано на фиг. 5 и 6 у Lutjen) и, таким образом, несут наибольшие тепловые нагрузки, переданные сверху сквозь теплоизолирующее покрытие от горячих газов. В данном случае, как описано у Lutjen, по существу прямые боковые стенки 54 углубления не обеспечивают минимального теплового сопротивления охлаждающей текучей среде или газу под ними, в отличие от основания стенки в углублении с увеличенным радиусом, и, таким образом, не являются оптимальной теплопередающей конфигурацией для поддерживания металлических областей выступа (вершины стенки) при самых высоких температурных напряжениях, при самой низкой возможной температуре, при которой металл имеет максимальную прочность и минимальное искривление/максимальное сопротивление ползучести. У Lutjen '342 описано, что защитное теплоизолирующее покрытие применяется в основном к статическим канализирующим поверхностям, но имеется возможность применения указанного теплоизолирующего покрытия к другим элементам, требующим защитного теплоизолирующего покрытия, но Lutjen описывает только тепловые преимущества, и не описывает абсолютные свойства уменьшения аэродинамического сопротивления поверхности или профиля.
[0050] Wennerstrom в патенте США №4,076,454 описывает добавление лопаточных вихревых генераторов на входной воздухопровод в осевом компрессоре. Он не описывает и не может заявить снижение канализирующего аэродинамического сопротивления как особенность, а вихревые генераторы заявлены как способствующие поддерживанию неотделенных потоков текучей среды на расположенных ниже по ходу потока лопатках без какого-либо преимущества снижения лобового сопротивления в воздухопроводе или диффузорах. Модификация потока из статического роторного входного воздухопровода описана как наличие вихрей, непрямым способом улучшающих характеристику срыва ниже по ходу потока вращающихся лопаток компрессора.
[0051] Гондола и крепежный пилон: Вход рабочей текучей среды, т.е. газов в современный турбовентиляторный двигатель, подобный например, CFM-56, установленный на авиалайнере Боинг 737-600, закрыт окружающей гондолой, и большая часть гондол действует в качестве исходного внутреннего отклоняющего воздуховода или диффузора для замедления приходящего потока текучей среды таким образом, чтобы вентиляторная секция первой ступени и ступени компрессора могли работать без того, чтобы концы лопастей каскада становились сверхзвуковыми и генерировали сверхзвуковые или ударные волны Маха с высокими потерями. При высоком угле атаки крыла/гондолы некоторая часть исходного внутреннего отклоняющегося потока текучей среды гондолы может отделяться от внутренних стенок гондолы, что является нежелательным состоянием, или некоторое количество используемого управления потоком диффузора должно быть ограничено для предотвращения этого состояния, или активное всасывающее управление должно быть добавлено к внутренней поверхности воздуховода для сдерживания срывов потока перед лопатками вентилятора. Воздух холодной секции, выходящий из секции вентилятора, переходит в сочетание расходящихся затем сходящихся воздуховодов на внутренних и наружных поверхностях воздуховода, так что может быть подвержен действию факторов потока, таких как вихри Тейлора-Гёртлера (TG) на вогнутых секциях. Пересечение вихревых следов другого летательного аппарата также может вызывать проблемы с прилипанием неустойчивого потока и помпажем и т.п., по всему двигателю.
[0052] В современных гондолах двигателей авиалайнеров Боинг 737-600, Аэробус 319 и С-17 используются большеразмерные лопаточные или лопастные вихревые генераторы, расположенные в позиции приблизительно на 2 часа и/или 10 часов по циферблату позади наружной входной передней кромки гондолы для того, чтобы наружные потоки текучей среды вокруг верхних поверхностей гондолы с высоким углом атаки прилипали к поверхности и протекали должным образом позади крепежных пилонов, а также под остальной частью крала и поверх крыла, как требуется для минимальных дестабилизации потока и потерь из-за турбулентности. В полете с крейсерской скоростью эти вихревые генераторы имеют минимальный угол атаки, поскольку вихри не требуются, так что они встречают минимизированное профильное сопротивление, но всегда вызывают дополнительное аэродинамическое сопротивление формы и влажной поверхности обшивки. В общем и целом эта конфигурация не является конфигурацией с минимальным аэродинамическим сопротивлением для генерирования вихрей для улучшения взаимодействия потоков гондолы/пилона/крыла/фюзеляжа.
[0053] Пилоны, соединяющие гондолу с двигателем, представляют собой другую область проблем сопрягающего устройства потока и аэродинамического сопротивления из-за контакта и побочных эффектов, требующих, чтобы обтекатель управлял потерями потока текучей среды и аэродинамическим сопротивлением. Это относится ко всем присоединенным наружным аэродинамическим телам и устройствам, например, крыльям или фюзеляжу, таким как подвешенные на пилоне топливные баки, топливные баки, установленные в концевых обтекателях крыльев или другие переходные устройства или конструкции, такие как штыревые антенны в форме лопасти всенаправленного ОВЧ-радиомаяка, на которых тангаж и рыскание летательного аппарата, а также вихри вторичных потоков могут вызвать нежелательные подъемные силы, срыв потока, динамические неустойчивости и взаимодействия потока и аэродинамическое сопротивление. Эти проблемы также присутствуют в гидродинамических примерах, таких как подводное крыло с присоединенными стойками или тягами, и т.п.
[0054] Leon в патенте США №5,156,362 описывает сдвигающийся вихревой генератор лопастного типа для управления срывом потока гондолы двигателя. Верхний край лопасти является конформным по отношению к гондоле и струйному потоку, когда вихревой генератор находится во втянутом положении. В активном положении поверхность лопатки вихревого генератора находится под углом к потоку и не является конформной к поверхности гондолы, т.е., в крейсерском полете она индуцирует аэродинамическое сопротивление, вот почему используется сдвигающаяся и механически сложная особенность. Высота этого лопастного вихревого генератора составляет большое количество толщин пограничного слоя и собирает максимальную энергию невозмущенного потока текучей среды выше пограничного слоя для индуцирования устойчивых вихревых эффектов в выпущенном положении.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0055] Задача настоящего изобретения состоит в повышении энергетической эффективности и производительности турбин, устройств и способов, с использованием которых вводят поток ньютоновской текучей среды, обрабатывают его с использованием конформного вихрегенератора на основании технологии изменения потока текучей среды и, затем, выпускают этот поток текучей среды. Обработка означает добавление или извлечение энергии или работы из этого потока ньютоновской текучей среды, и/или отклонение и модификация скоростей, давлений и/или импульса потока текучей среды. Задача вариантов реализации настоящего изобретения состоит в создании нового экологически чистого встроенного конформного вихрегенератора и уменьшении использования энергии и сопутствующей эмиссии углекислого газа. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационной энергетической эффективности и/или расширения проектного диапазона регулирования потока текучей среды.
[0056] В отличие от уровня техники, в новом встроенном конформном вихрегенераторе использована эффективная схема традиционного вихревого генератора во вращающейся среде решетки, которая понижает аэродинамическое сопротивление, в частности, при низких значениях угла атаки. Эффекты встроенного конформного вихрегенератора могут быть улучшены на аэродинамических поверхностях или лопатках для пассивного индуцирования дополнительной энергии потока текучей среды пограничного слоя поверх увеличенной аэродинамической поверхности задней части засасывающей поверхности для дополнительного задерживания отделения путем использования потока текучей среды, собранного с нагнетающей поверхности, или других источников текучей среды вдоль путей управления потоком, который затем направляют к засасывающей поверхности для улучшения характеристик срыва или отделения потока текучей среды.
[0057] Конформные вихрегенераторы могут быть выполнены с возможностью улучшения выходного смешивания потока текучей среды и уменьшения шума потока без индуцирования добавленного аэродинамического сопротивления и потерь энергии. Гондола двигателя, пилоны и другие аэродинамические сопрягающие устройства и поверхности фюзеляжа представляют собой область, в которой уменьшение аэродинамического сопротивления и усовершенствованные способы управления потоком также обеспечивают преимущество нового конформного вихрегенератора.
[0058] Центробежные компрессоры, а также крыльчатки и диффузоры с гладким смешанным потоком, насосы для текучей среды, турбокомпрессоры и т.п., обеспечивают преимущество за счет управления потоком пограничного слоя, которое минимизирует отделения потока текучей среды путем использования нового встроенного конформного вихрегенератора, который снижает аэродинамическое сопротивление потока текучей среды, срыв потока/кавитацию и акустический шум, генерируемый на крыльчатке и лопатках диффузора и связанных с ними структурах, управляющих потоком текучей среды.
[0059] В настоящей заявке описаны усовершенствования в канализации потока и, например, S-образные каналы двигателя, являющиеся фактическим случаем общих потоков ньютоновской текучей среды в трубопроводе или канале другого типа для потока текучей среды или средства для ограничения поверхности (как для внутренних, так и наружных потоков), которые обеспечивают возможность реализации способов управления потоком посредством конформного вихрегенератора для использования на стенках, поверхностях, в трубопроводах, воздуховодах и любых конструкциях для управления потоком, в настоящее время используемых для известных поверхностей, управляющих потоком текучей среды.
[0060] Новые конструкции конформного вихрегенератора вырабатывают постоянные вихри без существенных энергопотребляющих поперечных структур потока и передают максимальную и избираемую энергию потока в вихри, которые имеют тенденцию к конвектированию к расположенным ниже по ходу потока поверхностям потока текучей среды, которые препятствуют срыву потока. Это обеспечивает превосходный способ выгодного изменения любой поверхности и пограничного слоя потоков текучей среды для обеспечения сопротивления срыву потока, понижения абсолютного аэродинамического сопротивления и поддерживания этого сниженного аэродинамического сопротивления при работе в режимах неотделенного потока и/или ситуациях, отклоняющихся от проектных режимов. Основная конструкция встроенного конформного вихрегенератора демонстрирует эти свойства, и будучи встроенной в двигатели или устройства и поверхности для управления потоком текучей среды, могут быть выполнены с возможностью значительного усовершенствования уровня техники в многочисленных случаях применения и вариантах реализации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0061] Все чертежи не обязательно являются масштабированными, но подробно показывают множество дополнительных особенностей вариантов реализации в иллюстративных целях.
[0062] На фиг. 1а показана часть статора турбины низкого давления или роторной лопатки со встроенным интегрированным конформным вихрегенератором. На фиг. 1b показан вид нагнетающей поверхности турбины низкого давления с подробностями встроенного конформного вихрегенератора, и на фиг. 1с показан вид всасывающей или верхней поверхности, включая дополнительные конформные вихрегенераторы, встроенные в кромку лопатки, и вторичные конформные вихрегенераторы.
[0063] На фиг. 2а показаны подробности другого примера статора турбины низкого давления или роторной лопатки со встроенным интегрированным конформным вихрегенератором, с разрезом корневого конца, показывающим один пример варианта реализации опционального добавления сопел, управляющих расширенным потоком текучей среды из засасывающей поверхности, и пазы для расширения образованного ступенью вихря. На фиг. 2b показан дополнительный заборный канал (каналы) источника текучей среды для управляющего сопла, отбирающий текучую среду из точки минимума конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность, и/или точек сбора в области конца лопатки. На фиг. 2с показана в разрезе обращенная назад ступень конформного вихрегенератора, встроенного в наклонную засасывающую поверхность, с подробностями воздушных потоков.
[0064] На фиг. 3 показана статорная или роторная лопатка турбины низкого давления с обтекателями втулки хвостовика и также показаны модифицированные, подрезанные, удвоенные и пиковые кончики конформного вихрегенератора, наряду с асимметричными и расширенными конфигурациями ступени конформного вихрегенератора, а также конформные вихрегенераторы, встроенные в концевую стенку профилированной втулки.
[0065] На фиг. 4а показан пример части всасывающей поверхности статорной или роторной лопатки компрессора низкого давления (LPC) с заостренными встроенными конформными вихрегенераторами с разрезом, показывающим варианты реализации элементов для дополнительного струйного управления потоком. На фиг. 4b показана часть нагнетающей поверхности статорной или роторной лопатки компрессора низкого давления с дополнительным заборным каналом (каналами) источника текучей среды для управляющего сопла, забирающим текучую среду из точки минимума конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность, и/или из точек отбора в области кончика. На фиг. 4b также показана заостренная версия матрицы конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность, с различным шагом и смещениями от матрицы конформного вихрегенератора на засасывающей поверхности.
[0066] На фиг. 5а показан пример засасывающей поверхности лопатки вентилятора с металлической полосой для защиты от эрозии передней кромки и дополнительным концевым эластомерным улучшающим подъемную силу триммером (eLET) для снижения нагрузки на конец лопатки. На фиг. 5b показан пример нагнетающей поверхности лопатки вентилятора с дополнительными встроенными конформными вихрегенераторами, эластомерными улучшающими подъемную силу триммерами (eLET's), концевыми конформными вихрегенераторами, а также пример конфигурации для дополнительного струйного управления потоком.
[0067] На фиг. 6а показан пример части всасывающей поверхности охлажденной статорной или роторной лопатки турбины высокого давления со встроенным интегральным конформным вихрегенератором, дополнительно показывающий управляющие потоком и охлаждающие сопла и вторичную матрицу конформного вихрегенератора. На фиг. 6b показана нагнетающая поверхность статора или ротора турбины высокого давления и матрица встроенного конформного вихрегенератора, а также показаны дополнительные управляющие потоком и охлаждающие сопла, матрица вторичного конформного вихрегенератора, матрица штифтовых охлаждающих выпускных прорезей задней кромки и матрица триммеров, улучшающих охлаждение задней кромки.
[0068] На фиг. 7 показана центробежная крыльчатка и дополнительная лопасть диффузора со встроенным конформным вихрегенератором на поверхностях управления потоком.
[0069] На фиг. 8 показана гондола двигателя, пилон и расположение крыла, показывающее места, в которых могут быть установлены конформные вихрегенераторы для повышения энергетической эффективности.
[0070] На фиг. 9а и 9b показаны примеры воздуховода для потока текучей среды с матрицами конформного вихрегенератора, добавленными для улучшения потока и повышения энергетической эффективности.
[0071] На фиг. 10а показаны ступени встроенного конформного вихрегенератора и ребра, выдавленные в панели поверхности воздуховода и оптимизированные с использованием встроенных многоугольных конструкций, показанных "внутри поверхности". Эти многоугольники снабжены и усилены реберными основаниями с увеличенным радиусом (не прямоугольные) для обеспечения прочности на изгиб и повышенного коэффициента теплопроводности для внутренних охлаждающих потоков с минимальным весом материала, причем противоположная сторона этой панели содержит матрицу ступеней результирующего конформного вихрегенератора (не показан), действующего в наружном потоке текучей среды, подобную матрице конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, показанное на фиг. 10b.
[0072] На фиг. 10b показана альтернативная версия поверхности воздуховода (или лопатки), показанной на фиг. 10а, с дополнительным теплоизолирующим покрытием, примененным и встроенным в многоугольную матрицу, с потоками текучей среды, протекающими теперь вдоль этой стороны теплоизолирующего покрытия. Также показаны сопла, улучшающие пленочное охлаждение и прилипание потока пограничного слоя.
[0073] На фиг. 11а показана в разрезе конструкция камеры сгорания, в которой используются конформные вихрегенераторы для снижения аэродинамического сопротивления и потерь энергии, и улучшения инжекции и смешивания топлива. На фиг. 11b показан альтернативный вариант реализации, в котором в качестве варианта используется керамический корпус, стенки и матрица конформного вихрегенератора, ограничивающие объем отверстия для сгорания обогащенной смеси.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0074] Наилучшим вариантом реализации настоящего изобретения является пример турбовентиляторного реактивного двигателя, который охватывает множество типичных областей и способов применения, которые могут обеспечить преимущество путем применения сконфигурированного должным образом интегрированного конформного вихрегенератора (CVG). Турбовентиляторный двигатель обеспечивает весьма большое количество примеров для пригодных к использованию в различных случаях применения интегрированных конформных вихрегенераторов (CVG), поскольку в нем присутствуют многочисленные гидрогазодинамические поверхности, управляющие потоками ньютоновской текучей среды, для совершения полезной работы и генерирования пригодных для использования эффектов. Этот пример является только одной формой гидрогазодинамической машины, в которой газ используется в качестве рабочей текучей среды, но большая часть способов применения конформного вихрегенератора может быть просто приспособлена для множества полезных устройств, в которых используется жидкая фаза или смешанная фаза ньютоновских физических текучих сред, и может обеспечивать подобные усовершенствования, например, для уменьшения аэродинамического сопротивления и отделения/кавитации путем геометрического масштабирования для вычисления: скоростей, давлений, чисел Рейнольдса, фаз текучей среды (переходов между газо-жидкостными состояниями) и вязкостей потоков.
[0075] На фиг. 1а позиционным номером 1 обозначен хвостовик стилизованного примера изолированной "корзины" роторной или статорной лопатки турбины низкого давления (LPT) с несимметричным профилем для реакции и импульса и диффузорного действия, которые обычно расположены по окружности диска ротора или статора в каскадном расположении. Для простоты представления этот пример не имеет скручивания и/или сужения, как у типичной лопатки, для обеспечения: радиального профиля скорости постоянной реакции из комбинаций крыльев ротора (реакция) и статора (диффузор), а также дополнительного управления потоком. Крепления хвостовика лопатки, втулка и торцы кончика, и соседние перекрывающиеся лопатки и расположенные выше по ходу потока диски исполнительно-приводного механизма также опущены для ясности, но используются в конечной конструкции, как известно специалистам в области каскадной аэродинамики. Позиционным номером 2 обозначена выпуклая поверхность расположенной ниже по ходу потока зоны разрежения, и вогнутая рабочая поверхность, расположенная ниже по ходу потока, обозначена позиционным номером 3. Текучая среда или горячие газы приходят под расчетным входным углом лопатки, который задает локальную аэродинамическую поверхность или рабочий угол атаки поверхности, и поток разделяется над поверхностью зоны разрежения и под рабочей поверхностью из-за геометрии и гидрогазодинамических сил, действующих на линии 4 критических точек передней кромки. Для случая диска ротора, после выполнения работы на крыльях лопатки и генерации векторов силы (в направлении стороне зоны разрежения) рабочая текучая среда выходит под расчетным углом выхода в области задней кромки 5 (ТЕ). Подъемные силы лопатки, которые раскладываются на тангенциальные составляющие, действующие вокруг оси ротора турбины, генерируют выходной вращающий момент из энергии входного потока текучей среды, и разложенный векторный компонент, действующий в заднем осевом направлении, представляет собой аэродинамическое сопротивление или вредную потерю энергии и импульса, что вызывает дополнительное падение давления на каскадной секции.
[0076] Расчетный входной угол для расположенного выше по течению потока входного источника текучей среды и выходные углы для доставки выходной текучей среды после обработки конформным вихрегенератором определяют пиковое количество энергии, которая может быть извлечена из входных потоков текучей среды из источника текучей среды в каскадной секции, в предположении, что поток в этой секции выполнен с возможностью минимизации потерь энергии, вызванных его турбулентностью, отделениями и вязкими потерями в данной рабочей точке.
[0077] При некоторых условиях потока, например, при низких числах Рейнольдса, отклоняющихся от оптимальных значений, в зонах разрежения происходит отделение потока после области минимального давления, в результате чего увеличиваются каскадные потери, уменьшается эффективность и увеличивает удельный расход топлива двигателя. Напряжение текучей среды в результате центростремительного ускорения во время пересечения вогнутой рабочей поверхности 3 также может вызывать потери энергии и утолщение пограничного слоя, например, образование вихрей Тейлора-Гёртлера. Для лопаток турбины низкого давления обычно не требуется охлаждение, поскольку поток газа значительно охлаждается при прохождении сквозь турбинные секции турбины высокого давления, и, следовательно, температуры являются ниже, чем, например, температуры материалов лопаток из сверхпрочного никелевого сплава, которые могут использоваться без опасений.
[0078] Для облегчения улучшения потоков в зоне разрежения предпочтительно возобновить подачу энергии в линии движения потока в пограничном слое (BL) таким образом, чтобы они имели достаточный импульс для протекания вплотную к лопатке, в область с нежелательным градиентом отбора давления после линии 10 пика разрежения, когда начинается замедление массы потока текучей среды, протекающей вдоль локальной поверхности, из-за состояния потока. Для обеспечения увеличенной энергии потока в самых низких слоях ниже по ходу потока пограничного слоя в зоне разрежения указанная матрица 6 верхнего конформного вихрегенератора (CVG) сконструирована и изготовлена как неразрывно интегрированная или встроенная в переднюю часть зоны разрежения в ускоренных областях потока, и эта конструкция спроектирована с возможностью преобразования доли энергии ускоренного поступающего свободного потока текучей среды в пару интенсивно вращающихся в противоположных направлениях вихрей, которые передаются потоком назад от матрицы верхних кончиков 7 конформного вихрегенератора, и это может обеспечить управление разделением зоны разрежения, подобно традиционному вихревому генератору, который фактически не может быть использован в данной среде сложных потоков и уменьшенных геометрических форм.
[0079] Точка 8 минимума интегрированного верхнего конформного вихрегенератора расположена вдоль хорды, так что поступающий поток текучей среды в области 9 входа в зону разрежения пересекает пару отклоняющихся наклонных обращенных назад ступенчатых краев 24 и испытывает их действие, как показано на фиг. 2а. Этот высокоскоростной поток все еще остается параллельным или тангенциальным к входной поверхности лопатки или, согласно проектному замыслу, аэродинамической поверхности в области 9 входа потока в зону разрежения и испытывает разделение (в области 27 ступенчатого срезающего разделения, как показано в разрезе на фиг. 2с) в нижних слоях потока текучей среды по всей длине и позади пересекающего верхнего края ступеней, поскольку поток не может делать резкий поворот вниз и следовать за контуром края верхней ступени.
[0080] Этот специфический наклонный ступенчато-понижающий механизм разделения потока начинает закручивать часть отделенной малоэнергетичной и самой нижней в пограничном слое приходящей массы потока текучей среды в связанный и свободнотекущий ступенчатый вихрь 25, как показано на фиг. 2с, который перемещается и протекает вдоль нижнего края ступени и назад в направлении к кончикам 7 верхнего конформного вихрегенератора. Затем, указанный ступенчатый вихрь, состоящий из срезанных или послойно отрезанных малоэнергетичных нижних поступающих обладающих импульсом слоев текучей среды, встречается и уравновешивается с вращающимся в противоположном направлении вихрем с другой стороны кончика, и затем они перемещаются назад во вращающихся в противоположных направлениях нитях вихревых пар, сильно связанных с поверхностью вдоль хорды лопасти. Приходящий несрезанный обладающий импульсом слой потока и более верхний слой, который не совсем закручен в ступенчатые вихри, продолжает перемещаться назад как выходящий высокоэнергетичный поток 23 поверх и мимо верхней части конструкций, образующих ступенчатый вихрь, и затем вместе с исходной нисходящей скоростной компонентой снова приближается ниже по ходу потока к поверхности лопатки в области 28 повторного сближения потока после выхода из ступенчатой конструкции (как показано на фиг. 2) в форме теперь уже более высокэнергичного и более тонкого пограничного слоя с уменьшенными переходной турбулентностью, шпилькообразными вихревыми структурами и потерями аэродинамического сопротивления в этой области пограничного слоя по ходу потока между кончиками конформного вихрегенератора. Таким образом, геометрическая форма ступени конформного вихрегенератора действует на пограничный слой в качестве "ломтерезки" для создания полезных вихрей, но также обеспечивает управляемую реламинаризацию пограничного слоя ниже по ходу потока в области ширины ступени между кончиками для уменьшения лобового сопротивления поверх немодифицированной поверхности лопатки, в частности при нулевых и небольших положительных и отрицательных углах атаки.
[0081] Описанная конструкция представляет собой дополнительный механизм снижения лобового сопротивления, который отсутствует в традиционных вихревых генераторах, поскольку известно, что они увеличивают аэродинамическое сопротивление при нулевых и небольших положительных и отрицательных значениях угла атаки, при которых способность вихревого генератора расширять угол атаки не действует. Диаграмма 33 вектора скорости потока пограничного слоя в области входа показывает нормальный градиент пограничного слоя от низкой приповерхностной скорости с подъемом выше в пограничный слой. Схема 34 вектора скорости выходного потока пограничного слоя ниже ступени по ходу потока показывает, что указанные нижние пограничные слои имеют большую скорость и улучшенную способность сближения с самыми низкими слоями области входа, разделенными на струи в ступенчатом вихре и затем пропущенные сквозь вихревые пары кончиков конформного вихрегенератора. Скорость воображаемой верхней струи пограничного слоя или невозмущенной струи обозначена как Vtop.
[0082] Образованный ступенькой конформного вихрегенератора вихрь 25 протекает назад в форме непрерывного прогнозируемого и управляемого потока вдоль криволинейного пути, имеющего оптимальные для накопления массы длину и угол, в отличие от захваченного хаотичного вихря, образованного, например, обращенной назад расположенной по всему размаху крыла длинной ступенью. Пары первичных концевых вихрей, образованных вихреобразующими кончиками конформного вихрегенератора, являются очень интенсивными и геометрически устойчивыми; они эффективно отбирают энергию потока, а также массу и импульс текучей среды от целых областей широких полос потока, имеющих поперечный градиент скорости, которые проходят над ступенями или пересекают ступени конформного вихрегенератора вдоль его ширины. Струи спаренных концевых вихрей конформного вихрегенератора также действуют в качестве традиционного вихревого генератора при больших углах атаки, при которых они влияют на окружающий пограничный слой ниже по ходу потока и могут разбивать любые пузырьки и струйные структуры, формирующиеся в результате разделения потока текучей среды, а также обеспечивают возможность значительного увеличения угла атаки срыва с лопатки примерно на +5° в зависимости от конструкции аэродинамической поверхности. Соседние с пограничным слоем области испытывают влияние прохождения энергетичных струй концевых вихрей конформного вихрегенератора, и дополнительная энергия потока текучей среды также имеет тенденцию к подавлению шпилькообразных вихрей и утолщению указанной соседней с пограничным слоем области. Таким образом, конформный вихрегенератор увеличивает угол атаки или диапазон управления поверхностью локального потока текучей среды, который может быть обработан с пониженными потерями энергии в зависимости от базовой конфигурации поверхности.
[0083] Следует отметить, что до точки разделения эта новаторская конструкция поверхности лопатки имеет "нормальную или идеальную" геометрическую конструкцию поверхности, которая обеспечивает эффективную область входа потока текучей среды, так что не индуцирует выше по течению потока добавленное аэродинамическое сопротивление или подковообразные вихри перед ступенями. Вихревые генераторы скошенного, уилеровского или лопаточного типов должны генерировать вихри в этой области для отклонения от правильной или идеальной формы лопатки и неэффективно добавляют лишнее расстояние в путь верхнего потока пограничного слоя, создавая аэродинамическое сопротивление.
[0084] Поскольку интегрированные элементы или матрицы конформного вихрегенератора эффективно определяют новую конструктивную базовую желательную поверхность области входа передней кромки или конструктивную геометрическую форму аэродинамической поверхности как равную идеальной аэродинамической поверхности, позади ступени конструкция задней поверхности теперь эффективно ступенчато заглублена в поверхность благодаря этой новой конструкции встроенного конформного вихрегенератора. Таким образом, вновь спроектированное крыло или аэродинамическая поверхность остаются средством задания правильных потоков текучей среды в критических секциях передней кромки ламинарного течения, как и в исходной конструкции аэродинамической поверхности, так что теперь задние секции осажены внутрь ступенчатым смещением. Поскольку добавочные конформные вихрегенераторы на конструкциях крыла или аэродинамической поверхности не сконфигурированы или настроены для добавления конформного вихрегенератора, секция области входа передней кромки эффективно утолщена и прервана, например, удвоенной добавочной толщиной ленты/ступени матрицы конформных вихрегенераторов в прикладной области.
[0085] Конформные вихрегенераторы уникальны тем, что они действуют ориентированно и обрабатывают самые низкие пограничные слои, пересекающие обращенные назад ступени (любой высоты), и генерируют постоянные основные струи концевых вихрей вдоль хорды, которые тесно связаны в их центральной взаимной линии критических точек низкого давления вдоль хорды и, таким образом, остаются в тесном контакте с поверхностями лопатки ниже по ходу потока даже при чрезвычайно высоких центростремительных ускорениях и вторичных потоках выше уровней пограничного слоя.
2
[0086] Визуализация потока показывает, что на вертолетной роторной лопасти при радиальных ускорениях конца лопасти 1200 g (11760 м/с) и скоростях 700 фут/сек (213,5 м/с), при которых линии критических точек вихревой пары кончиков конформного вихрегенератора захватывают поверхностную пыль и эффективно "огораживают" этот и самые низкие потоки пограничного слоя, оставляя их в направлении хорды на лопатке, под действием больших радиальных сил и других вторичных воздушных потоков, которые полностью удаляют пыль из лопаток без использования предложенного новаторского конформного вихрегенератора. Это распределение сильного ступенчатого и вихревого направленного вдоль хорды потока объясняет, каким образом конформный вихрегенератор может эффективно забирать энергию от более высоких приходящих обладающих импульсом слоев потока текучей среды и распространять ее вдоль хорды и вдоль профиля лопатки, а также облегчать управление любыми задними областями (т.е., проходящими в направлении к задней кромке 5), которые стремятся сформировать пузырь отделения потока и срыв. Основные пары концевых вихрей конформного вихрегенератора и ступенчатые вихри имеют определенное количество связанных в ними вторичных вихрей и круговых течений, которые имеют тенденцию к прогрессивному уравниванию давлений и импульса, так что течения с поперечным градиентом скорости минимизированы в конструкции конформного вихрегенератора и ступенях и позади них.
[0087] Скопления пыли вдоль ступеней конформного вихрегенератора говорят о том, что поверхности и основания ступеней также являются областями торможения, и что после того, как доля самого низкого уровня и имеющего низкий импульс потока пограничного слоя разделены на потоки, которые питают пары первичных концевых вихрей, остальные верхние, обладающие более высокой энергией и более высоким импульсом, слои впоследствии могут найти эффективный путь потока немного ниже по ходу потока для восстановления сближения с поверхностью в качестве нового имеющего повышенную энергию протекающего ниже по ходу потока пограничного слоя, захваченного между кончиками конформного вихрегенератора. Следует отметить, что пары первичных вихрей конформного вихрегенератора могут быть сделаны уменьшенными и выходящими за пределы диапазона геометрических размеров ступени и толщины пограничного слоя, и обычно не оказывают влияния на невозмущенный поток или вторичные потоки, протекающие выше верхней части воображаемого пограничного слоя. Это обеспечивает возможность полного погружения вихрей конформного вихрегенератора в самые нижние уровни пограничного слоя, причем указанные вихри конформного вихрегенератора являются по меньшей мере на порядок величины более постоянными и эффективным в отношении геометрии направления ниже по ходу потока чем вихри, генерируемые другими механизмами, по сообщениям, например, NASA. Между элементами конформного вихрегенератора в матрице отсутствуют подковообразные вихри входного потока, которые генерируют потери.
[0088] Большая часть других конструкций вихревых генераторов имеют высокое аэродинамическое сопротивление (например, выступающие стабилизаторы наклонных типов), являются конструктивно непрочными (лопаточные стабилизаторы), ограничены геометрической формой в ограниченном диапазоном рабочих режимов потока Рейнольдса, не вырабатывают постоянные и погруженные вихри или вырабатывают низкоэнергетичные вихри (например, воронки) или вихри, подверженные вторичным потокам и влияниям. Известные активные устройства для управления потоком на лопатках, такие как сопла для наклонных и синтетических потоков, могут возобновлять подачу энергии в пограничный слой для уменьшения отделения потока, но вместе с тем вызывают потери энергии индуцированием подковообразных или почечных вихрей и влияют на потоки только в ограниченном диапазоне вокруг фиксированных точек и в целом являются более сложными и не обеспечивают существенного снижения лобового сопротивления по сравнению с основной немодифицированной геометрической формой.
[0089] Возобновление подачи энергии в области пограничного слоя позади конформных вихрегенераторов обеспечивает возможность расширения угла атаки (АоА) лопатки без срыва (с небольшим лобовым сопротивлением) примерно на +5° до окончательного формирования областей срыва потока и увеличения аэродинамического сопротивления с одновременным уменьшением подъемной силы. Это усовершенствованное расширение угла атаки А-кривой, происходящее на различных испытательных аэродинамических поверхностях, доказывает, что физика потока текучей среды хорошо масштабируется для различных геометрических форм лопатки и чисел Рейнольдса. Такое усовершенствование для лопаток турбины низкого давления обеспечивает возможность увеличения расчетного угла поворота новой конструкции каскада лопаток (увеличения коэффициента Цвайфеля) для строительства более компактных турбины и/или компрессора с уменьшенным количеством ступеней в решетке лопаток, или указанное усовершенствование может быть использовано просто для обеспечения возможности расширения эксплуатационной свободы действий в отношении новых решеток лопаток, работающих с отклонением от расчетных режимов, или для предпочтительной комбинации указанных возможностей.
[0090] Дополнительная ценная особенность нового относительно уровня техники конформного вихрегенератора состоит в том, что лобовое сопротивление лопасти по сравнению с исходными конструкциями значительно уменьшается на величину примерно от -5% до -10% для тех же самых подъемной силы и угла атаки от нулевого угла до близкого к углу срыва. Это приписывается тому факту, что пограничный слой зоны разрежения с возобновленной подачей энергии также имеет более высокую скорость и становится тоньше и, следовательно, генерирует меньше потерь, вызванных турбулентностью потока текучей среды, с одновременной генерацией подъемной силы. Вихри матрицы конформного вихрегенератора и повышение энергии пограничного слоя являются пассивными и генерируются чрезвычайно эффективным способом, а также не оказывают неблагоприятного влияния на расчетные характеристики лобового сопротивления лопасти, но улучшают их за счет их снижения в диапазоне потока текучей среды.
[0091] Что касается интегрированной нижней матрицы 11 конформного вихрегенератора, показан пример точки 12 минимума нижнего конформного вихрегенератора, причем нижний конформный вихрегенератор также имеет ступени, утопленные внутрь профиля аэродинамической поверхности лопатки, для формирования наклонной обращенной назад ступени тем же самым способом, что и матрица 6 верхнего конформного вихрегенератора. Рабочая поверхность имеет различные давление и профиль скорости вдоль хорды, но нижняя точка 12 минимума конформного вихрегенератора сконфигурирована подобным образом, что и точка 8 минимума верхнего конформного вихрегенератора, например, в матрице 6 верхнего конформного вихрегенератора.
[0092] Испытание на аэродинамических поверхностях показывает, что некоторое улучшение лобового сопротивления лопасти также происходит благодаря включению матрицы 11 нижнего конформного вихрегенератора, которая улучшает поток вдоль рабочей аэродинамической поверхности и препятствует формированию, например, вихрей Тейлора-Гёртлера, вызванных напряжениями, созданными вогнутыми центростремительными потоками. Нижняя матрица 11 конформного вихрегенератора также способствует утончению пограничного слоя рабочей поверхности ниже по ходу потока, в результате чего уменьшается турбулентность и снижается аэродинамическое сопротивление.
[0093] Можно сконструировать лопатку для работы с любой из матриц или с обеими матрицами конформного вихрегенератора, но матрица конформного вихрегенератора в зоне разрежения устраняет одну из основных общепризнанных проблем уровня техники, относящуюся к отделению потока в зоне разрежения лопатки турбины низкого давления.
[0094] В решетке лопаток ударная волна, например, вызванная потоком восстановления давления в зоне разрежения может формировать и разрушать потоки межлопаточного прохода, в частности, если конструктивная толщина задней кромки лопатки индуцирует дросселирование потока в межлопаточном проходе и вызывает результирующие скачки уплотнения в некоторых потоках текучей среды. Запланированные вихревые потоки конформного вихрегенератора, сталкивающиеся с взаимодействиями скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) в областях разделений скачка уплотнения, имеющего раздвоенное основание (lambda-foot), могут быть использованы для смягчения ударных нагрузок и уменьшения потерь энергии на аэродинамических поверхностях, а также на поверхностях, управляющих потоком текучей среды, и в воздуховодах.
[0095] Преимущества конфигурации и конструкции эффективных конформных вихрегенераторов подкреплены тем фактом, что они хорошо работают в широком диапазоне геометрических форм и могут быть легко модифицированы в соответствии со специализированными требованиями. Испытание показывает, что при изменении геометрических форм конформного вихрегенератора результаты в общем остаются в пределах равномерного диапазона изменений без резких колебаний или особенных точек, т.е. они хорошо ведут себя в широком диапазоне проектных условий. Поскольку конформные вихрегенераторы всегда начинаются у основания пограничного слоя, они не вторгаются в пограничный слой с наружной стороны при любых практических значениях числа Рейнольдса.
[0096] Завихренность начинается с чисел Рейнольдса приблизительно 300 в стандартной атмосфере и приобретает достаточную энергию приблизительно при 30000 предпочтительно. Примерно от чисел Рейнольдса 30000 до 500000 и больше, при которых лопатки турбины низкого давления еще могут работать, конформные вихрегенераторы могут быть настроены для обеспечения улучшения. От чисел Рейнольдса 500000 до, например, 10 миллионов и более конформные вихрегенераторы могут быть очень эффективными для изолированной аэродинамической поверхности и секций фюзеляжа, а также аэродинамических конструкций, включая вращающиеся компоненты. Следует отметить, что ступени конформного вихрегенератора могут составлять уменьшенную долю высоты пограничного слоя в рабочем участке и все еще создавать эффективную и выгодную возможность управления потоком текучей среды, но в более общем случае и в различных рабочих точках чисел Рейнольдса они также могут быть выгодно использованы с высотой ступени, составляющей увеличенную долю толщины пограничного слоя или даже в разы превышать локальные толщины пограничного слоя.
[0097] Конформный вихрегенератор или CVG в широком смысле может быть представлен как элемент, изменяющий поток текучей среды, конструкция которого имеет следующие отличительные особенности: (а) имеет конфигурацию области входа с низкими потерями, которая согласует направления струй поверхностного потока в области входа; (b) содержит пересекающую поток под углом обращенную назад ступень для индуцирования срезания самых низких уровней приходящего потока текучей среды в ступенчатый вихрь, который связывает этот срезанный поток вдоль выходной поверхности с (с) точкой выхода для удаления накопленного ступенчатого вихревого срезанного потока, и (d) обеспечивает возможность баланса приходящих обладающих высокой энергией несрезанных слоев восстановления в качестве нового пограничного слоя ниже по ходу потока с более высокой энергией.
[0098] Расположенные под углом к потоку ступени конформного вихрегенератора обычно сконфигурированы приблизительно под углом 22° (для воздуха в качестве рабочей ньютоновской текучей среды) вдоль размаха крыла относительно вектора локального безвихревого входного потока, но могут находиться в диапазоне допуска вокруг этого приблизительного номинального значения с некоторыми сдвигами характеристик, и точное значение этого угла зависит от условий рабочей текучей среды. Таким образом, может быть настроен любой из углов ступени конформного вихрегенератора при оптимизации для различных локальных направлений потока, таких как направления потоков в областях ступицы и кончиках лопаток, и т.п.
[0099] Ступени конформного вихрегенератора своими задними концами обычно соединены в шевронные или подобные треугольникам конструкции с концами, обращенными назад, которые затем вырабатывают постоянные и устойчивые пары выходных концевых вихрей и которые могут быть комбинированы в матрицы с изменяемым смещением определенного количества соседних ступенчатых краевых конструкций конформного вихрегенератора с изменением углов, геометрических форм ступени, а также высот ступени и длин ступени для обеспечения изменения векторов и условий входного потока. Геометрическая форма конструкции конформного вихрегенератора обеспечивает возможность точного управления потоками текучей среды в различных точках вдоль поверхности, в которую встроен вихрегенератор. Конформный вихрегенератор сконфигурирован для данной геометрической формы поверхности с такими, как высота ступени, длина и угол, и, например, для хорды лопасти турбины низкого давления шириной 50 мм могут быть, например, выбраны: пересечение потока текучей среды под локальным углом приблизительно 22°, треугольная форма, длина ступени 3 мм, высота ступени 100 мкм (микрон) и расположение вокруг высокоскоростных областей перехода ламинарного течения для ожидаемых значений числа Рейнольдса и типичной секции аэродинамической поверхности лопатки.
[00100] Эти значения точки начала геометрической формы могут быть легко изменены и затем подтверждены как оптимальные последовательностью фактического испытания ступени лопатки и измерений характеристик, но практически являются невозможными для добавления конформных вихрегенераторов в этой области турбины низкого давления из-за небольшого размера и рабочих нагрузок. Высота ступени конформного вихрегенератора регулируется в широком диапазоне и выполнена с возможностью генерирования достаточной завихренности вдоль ступенчатых краев в расчетном рабочем диапазоне значений числа Рейнольдса с одновременным отклонением на заметный уровень приходящего нижнего потока пограничного слоя в первичные вихри, направленные вдоль хорды. Этот способ конструирования конформного вихрегенератора также предпочтительно может быть использован на матрице неподвижных статорных лопаток для снижения аэродинамического сопротивления и увеличения угла поворота в пределах, ограниченных отделением с отклонением от расчетной величины при различных числах Рейнольдса.
[00101] Расположенная по размаху крыла ступень, проходящая вдоль аэродинамической поверхности под прямым углом или углом 90° к потоку, обычно захватывает хаотический расположенный по размаху крыла образованный ступенькой вихрь и, как известно, увеличивает аэродинамическое сопротивление приблизительно на +5% для базовой немодифицированной лопатки, и в лучшем случае эта ступень разбита, например, на сегменты конформного вихрегенератора, которые расположены приблизительно под углом 22° к потоку, с приблизительным снижением лобового сопротивления на -10%, но не ограничена этими значениями. Интересно то, что испытания показывают самое ухудшенное аэродинамическое сопротивление для угла больше чем 90° (в случае линейного обращенного назад ступенчатого края), когда ступень конформного вихрегенератора проходит под углом приблизительно 60° к потоку, и длина накопления ступени является большой. Это показывает, что в некоторой точке ступенчатые вихри перевозбуждаются за счет накопленной массы низкоэнергетичной текучей среды при определенном размере образованного ступенькой вихря и расходе потока и начинают расширяться, становясь препятствием для струй приходящего потока, и, таким образом, механизм конформного вихрегенератора становится нежелательной причиной повышения аэродинамического сопротивления в еще большей степени, чем линейная расположенная по размаху крыла обращенная назад ступень. Несмотря на то, что понижение аэродинамического сопротивления является ключевой целью конструкции, способность создавать количественно управляемое увеличение и уменьшение аэродинамического сопротивления, обеспечивает возможность использования конформных вихрегенераторов в качестве нового инструмента для модификации потока текучей среды более точными способами.
[00102] Механическая точность и точность изготовления и определение конструкций конформного вихрегенератора не являются особенно критичными, но чем "острее" верхний край ступени (меньше радиус скругления угла), тем выше устойчивость и предсказуемость разделения потоков в области входа и тем меньше вторичных завихрений. Точка минимума конформного вихрегенератора также может быть просто сконфигурирована с некоторым радиусом скругления, и кончики конформного вихрегенератора могут быть либо острыми, либо также могут быть сконфигурированы с некоторым радиусом скругления или иметь другую геометрическую форму с минимальной чувствительностью характеристик. Переход от основания ступени к выходной поверхности является критической областью, создающей другие вихри вторичного напряжения, так что может быть задано обтекание с удобным радиусом, которое не нарушает срезающую функцию верхнего края ступени.
[00103] Поскольку литая, штампованная, изготовленная ручным или механическим способом часть может быть сформирована в результате любой комбинации способов обработки, материалов или способов изготовления, предпочтительно радиус нижних краев ступени должен способствовать как снижению напряжений при изготовлении, так и минимизации концентрированных вибрационных напряжений и режимов во время эксплуатации. Верхний край ступени обычно является свободным от изотропного объемного напряжения и линий прогиба.
[00104] В условиях большого ускорения и/или вибрации может быть оптимизировано расположение конформных вихрегенераторов, при котором они пространственно сконфигурированы на тех же самых и противоположных поверхностях для предотвращения резонансных вибрационных режимов, а также точек и структур когерентного отражения. Таким образом, регулярная матрица на поверхности может быть оптимизирована путем регулирования индивидуального элемента конформного вихрегенератора, положений кончика и точки минимума, длины ступени конформного вихрегенератора (эффективно задающей тангаж) и углов индивидуальным способом для расстраивания ответной резонансной вибрации лопатки и уменьшения нежелательного изгиба лопатки, а также связанных с ним режимов возбуждения вибрации и механического резонанса. Это также может быть осуществлено в отношении обеих поверхностей лопасти для предотвращения когерентного сосредоточения напряжений лопатки между зоной разрежения и зоной нагнетания, а также для предупреждения усталостного разрушения.
L
L
[00105] На фиг. 3 показан пример асимметричного конформного вихрегенератора 21, расположенного в зоне разрежения и имеющего V-образную форму, причем левый угол является более острым, чем правый угол, чтобы сделать этот конформный вихрегенератор несимметричным и способным обрабатывать потоки пограничного слоя с каждой стороны кончика различными способами. Массовый поток пограничного слоя с левой стороны является эффективно более узким, так что масса разделенного ступенькой на полосы пограничного слоя, протекающая в левосторонний концевой вихрь, меньше, в результате чего генерируется уменьшенный в размере и менее мощный концевой левосторонний вихрь. На правой стороне данного конформного вихрегенератора более широкое пересечение набегающего потока означает, что правосторонний концевой вихрь соответственно имеет увеличенный размер и является более мощным. Равновесие сил и векторов завихренности и различие в мощность между указанными двумя асимметричными концевыми вихрями, вращающимися в противоположных направлениях теперь изменены таким образом, что они протекают больше в левой части зоны разрежения, и поскольку они рассеиваются в вихревой след после задней кромки, баланс значений остаточной завихренности в этой области больше смещен в направлении по часовой стрелке, что соответствует направлению по часовой стрелке "или полярности" суммы подъемных нормальных эффективных сил вихря лопатки, как показано на фиг. 3, в предположении, что на фиг. 3 показан внутренний или корневой конец лопатки в области 1. В зависимости от окончательных конфигураций остаточной завихренности, можно влиять на коэффициент C создаваемой корпусом направленной вверх или вниз подъемной силы. Для этой конфигурации, если конформный вихрегенератор, встроенный в рабочую поверхность, изменяется в противоположном направлении (т.е. левосторонний конформный вихрегенератор становится шире при наблюдении со стороны вершины), это также вносит положительный эффективный, вызванный циркуляцией вклад подъемной вихревой силы в вихревой след и увеличивает коэффициент C. Следует отметить, что снижение лобового сопротивления из-за реламинаризации пограничного слоя конформного вихрегенератора изменяется за счет уменьшенных сдвигов местоположения вихря, но все еще остается эффективным между кончиками конформного вихрегенератора, поскольку по существу те же самые на единицу ширины области входа массовые потоки, в которые возобновлена подача энергии, возникают в пограничном слое. Прохождение измененных пар концевых вихрей влияет на потоковую завихренность, генерируемую непосредственно в соседних утолщающихся областях пограничного слоя и, таким образом, изменяют обладающую подъемной силой завихренность, суммированную по этим областям.
[00106] На фиг. 1с показан увеличенный вид детали узла конформного вихрегенератора. Показанный на чертеже треугольник с вершинами А, В, С, является одним из примеров конформного вихрегенератора, имеющего V-образную форму, который действует в качестве одиночного устройства для срезания приходящего пограничного слоя шириной А-В, перемещения срезанной нижней массы текучей среды пограничного слоя назад вдоль обеих ступеней А-С и В-С и выталкивания этой массы в форме двойных вихрей, протекающих назад от кончика С. Если конформные вихрегенераторы используются в качестве дополнительного устройства, например, в системе для защиты от эрозии передней кромки вертолетной лопасти, то минимальный целесообразный элемент конформного вихрегенератора может быть секцией конформного вихрегенератора с шириной А-В и может включать конформные вихрегенераторы, расположенные в зоне разрежения и в рабочей поверхности, постоянно прикрепленные вокруг секции передней кромки, которые могут быть использованы в качестве комбинированной матрицы множества из указанных основных конструкций конформного вихрегенератора. В технологических целях конформные вихрегенераторы обычно изготовляют в матрицах множества комбинированных секций кончиков конформного вихрегенератора, которые могут быть установлены рядом на аэродинамическом корпусе для изменения потоков. Целесообразно уменьшенные зазоры между установленными элементами конформного вихрегенератора имеют минимальные эффекты по сравнению с эффективностью конформного вихрегенератора и усовершенствованиями характеристик. Кроме того, эти увеличенные матрицы конформных вихрегенераторов выполнены удобными для обращения с ними, а также их применения и встраивания в них выравнивающих особенностей и слоев, которые будут указывать износ, поскольку они истираются в потоках текучей среды.
[00107] На фиг. 1a показаны индивидуальные элементы конформного вихрегенератора как исключительно треугольные, но этот пример приведен только для простоты изложения, и фактически улучшенные характеристики могут быть получены с использованием по существу заостренной формы краев ступени, такой, которая используется в NACA для утопленных воздухозаборников с низкими потерями. Эти воздухозаборники NACA также вырабатывают краевые вихри, замедляющие входные потоки, но имеют незначительно отличающуюся геометрическую форму и не монтируются в матрицы для уменьшения профильного сопротивления или возобновления подачи энергии в пограничный слой, а также имеют высоту ступеней, во много раз превышающую глубину локального пограничного слоя, так что совершенно не похожи на предложенный новый интегрированный конформный вихрегенератор, за исключением того, что в нем используются вихри и геометрические формы, оптимизированные с точки зрения гидрогазодинамики потока.
[00108] Заостренная форма конформного вихрегенератора отличается от треугольной формы ступенчатых линий при приближении к кончикам за счет типичного продолжения расположенного немного выше по течению потока места и более острого угла по сравнению с линией треугольной ступени. Такая форма увеличивает протяженность доступной расположенной выше по течению потока поверхности, аккумулирующей образованный ступенькой вихрь, ограниченный этой задающей местоположение обращенной назад ступенью. Масса приходящего разделенного на полосы потока текучей среды накапливается вдоль всей наклонной ступени, так что задние секции включают большую массу и имеют тенденцию к увеличению размера вихря и повышению скорости, а также имеют тенденцию к повышенному врастанию в приходящие потоки текучей среды. Если образованный ступенькой вихрь намного вырастает из срезанной массы текучей среды, в этих локальных участках он будет иметь тенденцию к воздействию на переливающиеся несрезанные образованные ступенью потоки, которые подвергают эту первичную структуру 25 образованного ступенькой вихря повышенному разрушению и проявляют тенденцию к удлинению наружных слоев образованного ступенькой вихря или к нежелательному разбиению образованного ступенью вихря на несколько компонентов. Образованный ступенью вихрь 25, показанный в разрезе на фиг. 2с, вызывает небольшое расширение вверх, подчеркивающее влияние этого локального вихря, превышающего высоту ступени и размер ее геометрической формы.
[00109] Это означает, что согласно некоторым из вариантов реализации предпочтительным является дополнительное обеспечение профилированного паза 13 для расширения образованного ступенью вихря в оптимальном месте ниже любого из путей образованного ступенью вихря для размещения в нем указанного расширения образованного ступенью вихря за счет накопления массы текучей среды. Такая конструкция позволяет избежать лишнего выпячивания наружу растущего диаметра образованного ступенью вихря, создающего препятствие для несрезанных переливающихся потоков и вызывающего потерю энергии этих потоков, которые вновь сближаются с поверхностью в качестве нового пограничного слоя ниже по ходу потока для данной высоты ступени. В кончиках конформного вихрегенератора эти расширяющие пазы (или любые профилированные канавки) могут сливаться или проходить параллельно в направлении от ступеней и могут быть продолжены на некоторую величину в направлении по ходу потока в форме паза 14 для продолжения концевого вихря и создания направляющей для потоковых пар концевых вихрей для уменьшения деформирования более высоких потоков текучей среды. Это усовершенствование для расширения вихря позволяет ступени с данной высотой разделять увеличенную массу приходящих потоков текучей среды, тем самым обеспечивая возможность более интенсивной реэнергизацию пограничного слоя и концевых вихрей ниже по ходу потока. В отношении аэродинамической поверхности или аэро/гидродинамической поверхности учитываются структурные воздействия указанных удалений материала, но во многих случаях изготовление объемных поверхностных структур, например, штамповкой может улучшить секционное инерциальное поперечное сечение, жесткость и поверхностные механические свойства. Образованный ступенью вихрь 25 имеет определенное количество вторичных потоковых структур и завихрений, таких как верхняя образованная ступенью вихревая структура 30 и образованные ступенью завихрения 32, уравнивающие срезание, которые действуют для уравнивания инерциальных и срезающих сил.
[00110] Добавление дополнительной ступенчатой срезающей направляющей секции 35 в качестве оптимально сформированного и увеличенного ребра обеспечивает возможность дополнительного подавления образованных ступенью уравнивающих срезание завихрений 32 и уменьшения потерь потока от завихрений или вторичных вихрей, а также облегчает задание края пространственного срезания для направленного назад расширения образованного ступенью вихря 25 в условиях с изменяющимся числом Рейнольдса.
[00111] Согласно другим вариантам реализации конформного вихрегенератора может быть применен сменный добавочный материал системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора, такой как эластомер, пластик, смола, металл, металлическая пленка, покрытая керамикой подложка, углеродное волокно, углерод-углеродная, карбидокремниевая или металловолоконная матрица или керамикоматричный композит (CMC), или другая комбинация материалов, для выполненной из композитного или стеклопластикового материала, или металла вертолетной роторной лопасти или передней кромки крыла и т.п., причем пазы 13 и 14 расширения могут быть формованы или встроены в аэродинамическую поверхность или поверхность корпуса в ступенях конформного вихрегенератора, расположенного любой зоне, например, зоне разряжения или рабочей зоне, наряду с регистрационными отметками конформного вихрегенератора и ступенями частичных высот. Затем в механический регистр может быть добавлена присадочная пленка системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора поверх описанных выше встроенных элементов конформного вихрегенератора для создания комбинированных особенностей ступени и функциональных средств конформного вихрегенератора. Стеклопластиковая (композитная) поверхность или, например, металлическая роторная лопатка или передняя кромка аэродинамической поверхности крыла/передняя кромка неподвижной аэродинамической поверхности могут иметь указанные новые особенности, встроенные с использованием любого способа изготовления в переднюю кромку, но в этом случае, поскольку эрозия и повреждение краски от пыли и дождя и т.п. представляют собой существенную проблему, комбинации интегрированных конформных вихрегенераторов с дополнительными и допускающими замену в условиях эксплуатации добавочными конформными вихрегенераторами являются предпочтительными для защиты поверхностей передней кромки для поддерживания слоистого или низкотурбулентного потока с низким энергопотреблением.
[00112] Конформные вихрегенераторы, каскадированные в ограниченном аэродинамическом пространстве, обычно могут не обеспечивать наилучшие комбинированные преимущества из-за взаимных помех вихрей. Не разнесенные должным образом, в частности, на вращающейся поверхности, вихри и потоки нуждаются в жестком пространственном управлении для предотвращения взаимных помех, или в разделении в направлении потока для минимизации нарушений нормальной работы. Взаимодействия вихревых следов от расположенных выше по течению потока статоров, роторов и других источников переходных возмущений не вызывают серьезных ухудшений рабочих характеристик, поскольку они представляют собой намного более значительные структуры чем концевые вихри конформного вихрегенератора и обычно расположены с наружной стороны пограничного слоя, причем потоки могут распространяться поверх нескольких уменьшенных элементов конформного вихрегенератора, которые могут "собирать" или поглощать этот вихрь, вращательную или импульсную энергию текучей среды, поскольку они могут работать эффективно за пределами критических значений числа Рейнольдса. Измеренная циклическая вибрация и нелинейное полиномиальное (NP) среднеквадратическое уменьшение напряжения на вертолетных лопатках, составляющее приблизительно 30% по всему пространству полетных режимов, доказывают, что конформные вихрегенераторы могут работать очень эффективно при больших циклических экстремальных значениях углов атаки и возмущений потока.
[00113] Следует отметить, что управляемое количество массы текучей среды нижней части пограничного слоя эффективно отделяется от входного поверхностного потока (и отклоняется в парах концевых вихрей конформного вихрегенератора), и это в сущности является целью активных систем управления пограничным слоем в зоне разрежения, в которых используются пористые аэродинамические поверхности, а также края или прорези полосовых ступеней, расположенных в зоне разрежения. Множество известных активных систем были отвергнуты из-за проблем, вызванных закупоркой отверстий, так что конформные вихрегенераторы, используемые в этой зоне для управления пограничным слоем, расположены выше с добавлением концевых вихрей конформного вихрегенератора для повышения эффективности управления поверхностью, а также для уменьшения аэродинамического сопротивления. Использование добавочных конформных вихрегенераторов на передней кромке аэродинамических поверхностей с глубокой хордой, подобных крылу перед элеронами самолета Пайпер ПА-31 Навахо, которые улучшают орган управления элеронов при срыве потока с крыла, понижают скорости остановки воздушного судна и увеличивают маршевую скорость. Это может служить примером невращающегося потока текучей среды, подобно статору структуры "турбина низкого давления/компрессор/компрессор низкого давления", в то время как несущий винт вертолета или воздушный винт / несущетянущий винт самолета представляет собой пример управления вращающимся потоком текучей среды, подобно, роторной лопатке структуры турбина низкого давления/компрессор/компрессор низкого давления, но с различным коэффициентом заполнения, относительным удлинением и т.п., в которой используются конформные вихрегенераторы с длинами ступени, с оставляющими приблизительно 20 мм, и высотами ступени 300-500 мкм для хорд аэродинамической поверхности приблизительно 180 мм, но эти значения не являются ограничивающими и зависят от числа Рейнольдса и геометрической формы.
[00114] Согласно другому интегрированному способу управления потоком в комбинации с интегрированными конформными вихрегенераторами, которые дополнительно могут быть использованы на роторных и статорных лопатках турбины низкого давления, необходимо использовать струи потока текучей среды для введения или добавления импульса в поток текучей среды и пограничный слой в области ступеней конформного вихрегенератора или после нее. Эти струи могут быть активированы источником давления текучей среды как известные синтетические струи, или могут быть текучей средой рабочей аэродинамической поверхности, собранной вокруг области повышенного давления или матрицы 11 конформного вихрегенератора нижней поверхности, с соответствующим прохождением сквозь матрицу путей, каналов и камер повышенного давления к поверхности на стороне зоны разрежения.
[00115] На фиг. 2с в разрезе показан направленный назад наклонный струйный канал 37 для ввода текучей среды и/или измерительное отверстие, которое может передавать потоки текучей среды с соответствующими давлением и расходом из инжекционной камеры 38 повышенного давления к выходной поверхности 2. Добавление полости 36 инжекции потока текучей среды с небольшим лобовым сопротивлением в поверхности позади обращенных назад краев 24 ступени и расположение между кончиками конформного вихрегенератора являются дополнительными особенностями, которые улучшают характеристики потока текучей среды. Добавление струи текучей среды таким направленным назад наклонным способом (с дополнительным выходом в профилированную полость) обеспечивает преимущество, состоящее в том, что часть направленного вниз вектора скорости выходного высокоэнергетичного потока 23 используется для подавления струйного отслаивания при выдувании под высоким давлением и при высоких отношениях импульсов потока, а также способствует распространению реактивного потока текучей среды в боковом направлении и в направлении потока. Контурная форма и отклонение выходного потока текучей среды из инжекционной полости 36 для текучей среды обеспечивают возможность добавления энергии реактивной инжекционной текучей среды в самые нижние участки пограничного слоя вблизи поверхности для облегчения дополнительной реэнергизации пограничного слоя (подобно известному эффекту Коанда или способам выдува через щель), и усовершенствованные характеристики состоят в том, что имеются минимальные разность/срез скорости и турбулентность в сливающемся выходном высокоэнергетичном потоке 23. Преимущество объединения конформного вихрегенератора с инжекционной струей или всасывающим отверстием состоит в том, что эта структура конформного вихрегенератора с присущим ей снижением аэродинамического сопротивления эффективно используется с увеличением расхода потока для дополнительного улучшения характеристики потока текучей среды.
[00116] Поскольку направленный назад наклонный струйный канал 37 для инжекции текучей среды расположен ниже выходного высокоэнергетичного потока 23, динамическое давление здесь ниже, чем давление в застойном пограничном слое на самых низких уровнях, так что расчетный струйный массовый объем потока текучей среды может быть эффективно обеспечен с использованием пониженных давлений в инжекционной камере 38. Поток пониженного давления и большая объемная емкость благодаря влиянию нисходящего выходного высокоэнергетичного потока 23 обеспечивают возможность использования струйного канала 37, имеющего увеличенный размер, для инжекции текучей среды, который меньше подвержен риску блокирования мусором. Также возможным, но не обязательным, является использование определенного количества струйных каналов 37 для инжекции текучей среды, выполненных с возможностью подачи к поверхности или в одну или большее количество полостей 36 для инжекции потока текучей среды, расположенных между кончиками конформного вихрегенератора, так чтобы больший поток текучей среды мог распространяться в боковом направлении, и в другие дополнительные и резервные струйные отверстия, также доступные и активные в случае, если некоторые из отверстий окажутся блокированными мусором.
[00117] Это усовершенствование за счет струйного режима потока использует дополнительную энергию потока текучей среды и может быть применено для облегчения управления отделением пограничного слоя и аэродинамическим сопротивлением, причем инжекционную камеру 38 повышенного давления может питать канал 39 для передачи текучей среды от рабочей поверхности, расположенный в точке 40 захвата текучей среды с низким лобовым сопротивлением, оптимально приближенной к критическим точкам высокого давления в точке 12 минимума конформного вихрегенератора, встроенного в рабочую поверхность, или питание инжекционной камеры может быть осуществлено за счет отбора фильтрованного воздуха из компрессора или вспомогательных источников воздуха, или даже могут быть использованы способы нулевого массового расхода, подобные пульсирующему акустическому источнику давления.
[00118] Использование точки 40 захвата текучей среды с небольшим лобовым сопротивлением в качестве источника текучей среды соответствующего давления является примером полезного сообщения по текучей среде поверхностей различных частей объемной структуры для потока текучей среды, причем размеры канала и камеры повышенного давления выбраны с возможностью обеспечения точно измеренных потоков текучей среды в отношении к перепадам давлений. Если дополнительная энергия потока текучей среды для струй извлекается из источника текучей среды, давление которого изменяется в соответствии с поверхностным потоком или расходом двигателя и условиями скорости при изменениях, выходящих за пределы расчетных режимов и значений числа Рейнольдса, то импульс струйной текучей среды в общем будет сопровождать указанные изменяющиеся значения числа Рейнольдса, не нуждаясь в дополнительном потоке или регулировании давления для предотвращения струйного отслаивания, которое может происходить, если для возбуждения струи используется источник потока текучей среды с фиксированным или неизменяющимся давлением. Такой отбор текучей среды от рабочей поверхности эффективно действует в качестве активного управления пограничным слоем путем всасывания на рабочей поверхности.
[00119] На вращающейся аэродинамической поверхности или поверхности корпуса канал 37 для струйной инжекции текучей среды могут быть соединен с инжекционной камерой 38 повышенного давления бандажированным или ступенчатым входным каналом, который выполнен с возможностью ориентации немного наружу в точке начала камеры повышенного давления, для общего отклонения тяжелой пыли и обломков, проникающих снаружи в камеры повышенного давления и не вызывающих увеличенного изменения угла или пути отклонения, а также входа в сопла и их блокирования. Эти отделенные силой инерции пыль и мусор в общем перемещаются наружу в центростремительной среде (или под действием давления/импульса потока в случае аэродинамической поверхности статора) и затем дополнительно выбрасываются из соответствующего концевого отверстия 41 отклоняющей камеры рядом с задней кромкой. Концевое отверстие 41 отклоняющей камеры может быть увеличенным и может использовать центростремительные ускоряющие силы для управления самоочисткой путем частичного блокирования выпускного отверстия при полной рабочей скорости (без лишней траты впустую потоков текучей среды), и когда роторная лопатка замедляется при холостом ходе, простой управляемый силой механизм может открывать этот самоочищающийся канал в максимальной степени и обеспечивать возможность выброса больших скоплений частиц, в придачу к промывающему потоку текучей среды, протекающему сквозь ступени турбины.
[00120] Имеющий небольшое лобовое сопротивление локальный источник напорной текучей среды, взятой посредством канала 39, для передачи текучей среды из имеющей небольшое лобовое сопротивление точки 40 забора текучей среды вокруг матрицы 11 нижнего конформного вихрегенератора, встроенного в рабочую поверхность, выполнен с возможностью выброса имеющих высокий импульс и энергию мусора или пыли, и т.п., перемещающихся мимо в более высокие потоки пограничного слоя.
[00121] Альтернативная конфигурация рабочей поверхности для струйного выдувания (в отличие от струйного источника текучей среды или всасывания пограничного слоя) может быть создана путем выполнения в рабочей поверхности заборных каналов 39 для текучей среды, расположенных в имеющей небольшое лобовое сопротивление точке 40 захвата текучей среды в заднем направлении в качестве варианта канала 37 для струйной инжекции текучей среды, подаваемой второй инжекционной камерой 38 под повышенным давлением, отделенной от камеры повышенного давления, подающей струи текучей среды в зону разрежения. Такая конструкция позволяет отдельно сконфигурированному струйному источнику текучей среды под давлением, например, из компрессора с фильтром подавать воздух для повышения способности отделения пограничного слоя рабочей поверхности.
[00122] Эти способы подачи под давлением и струйного дутья дополнительно улучшают импульс пограничного слоя ниже по ходу потока как для зоны разряжения, так и для рабочей поверхности, и в качестве дополнительной альтернативы должны обеспечивать сообщение по текучей среде полости 36 для инжекции потока текучей среды, инжекционной камеры 38 повышенного давления и т.п. с всасывающим источником текучей среды для извлечения дополнительной массы низкоэнергетичной текучей среды из области между кончиками конформного вихрегенератора для последующего создания пограничного слоя с увеличенным импульсом ниже по ходу потока.
[00123] Например, вместо круглых отверстий для канала 37 для струйной инжекции текучей среды могут быть выбраны прорези или другие имеющие объемную форму проводящие поток структуры, и выбранный способ учитывает трудность изготовления и механическую целостность аэродинамической поверхности или лопатки. Инжекционная камера 38 повышенного давления может быть выполнена в нескольких раздельных расположенных по размаху крыла секциях, питающих отдельные области конформного вихрегенератора, для обеспечения того, что обращенные к центру вращения индуцированные градиенты давления не оставляют без достаточного питания области внутренней полости 36 для инжекции потока текучей среды конформного вихрегенератора и не перевозбуждают самые наружные области полости 36 для инжекции потока текучей среды конформного вихрегенератора. Размеры канала 37 для струйной инжекции текучей среды могут быть изменены вдоль размаха лопатки также для измерения и выравнивания неравномерности потоков инжекции текучей среды, вызванной градиентами давления. Удаление массы материала из областей рядом с корпусом или осевой линией аэродинамической поверхности для формирования и изготовления инжекционной камеры (камер) 38 повышенного давления почти не уменьшает инерцию секции или прочность на изгиб, но снижает вес лопатки, турбины и двигателя.
[00124] На фиг. 3 показана лопатка турбины низкого давления, соединенная основанием 1 со стенкой 45 ступицы турбины с использованием скругления 49 стенки, и показаны другие возможные комбинированные варианты реализации конформного вихрегенератора. Позиционным номером 20 обозначены удлиненные V-образные секции конформного вихрегенератора в матрице. Позиционным номером 42 обозначен кончик конформного вихрегенератора, который зажат назад в направлении размаха лопатки для расширения разделения пар концевых вихрей. Лопатка также включает увеличенное количество пограничного слоя, имеющего ширину встроенного кончика и способного протекать и смешиваться непосредственно с парами концевых вихрей, которые обертывают струи пограничного слоя и усиливают их.
[00125] Позиционным номером 43 обозначен кончик конформного вихрегенератора, также модифицированный для создания двух более широких разделенных пар вихрей, вращающихся в противоположных направлениях. Согласно данному варианту реализации дополнительный набор остроугольных уменьшенных и встроенных ступеней конформного вихрегенератора генерируют уменьшенные концевые вихри, вращающиеся в противоположных направлениях, ограниченные большеразмерными наружными концевыми вихрями. Такая структура позволяет расширить область, на которую влияют и которую обрабатывают два первичные и два вторичные потоковые концевые вихри.
[00126] Позиционным номером 44 обозначен другой вариант реализации кончика, который создает два первичных концевых вихря, частично проходящих ниже ступени конформного вихрегенератора, и содержит кончики уменьшенной ширины в вершине конформного вихрегенератора, которые генерируют два уменьшенные вторичные концевые вихря.
[00127] Во всех этих случаях имеющие стянутую ширину ступени конформного вихрегенератора, расположенного вдоль размаха лопатки, точно управляют массовым потоком в каждой из вихревых структур, в результате чего обеспечена возможность управления потоком. Структуры и матрицы конформного вихрегенератора могут быть расположены вдоль периметра объемных межлопаточных проходов решетки турбины низкого давления и на входных поверхностях подобно стенной матрице 46 конформных вихрегенераторов для улучшения аэродинамического сопротивления ротора или статора и потоков. Во вращающейся среде роторной лопатки последовательные каскады конформных вихрегенераторов ухудшают характеристики аэродинамического сопротивления из-за контакта вихря с наклонными вторичными потоками, но могут быть использованы на статоре в многокаскадной форме с оптимальным разделением и смещениями, или в некоторых случаях в других целях, таких как вторичные модификации разделения потока.
[00128] Симметричный или асимметричный второй конформный матричный вихрегенератор 47 (ступенчато заглубленный в корпус) в задней кромке 5 может быть использован на любой всасывающей и/или рабочей поверхностях для изменения вихревых следов лопатки и улучшения подъемной силы/завихренности, поскольку они расположены полностью и непосредственно на поверхности перед выходными потоками задней кромки. В случае ротора они меньше подвержены вредному влиянию во вращающейся среде, чем конформные вихрегенераторы, примененные, например, в качестве второго ряда вблизи матрицы 6 или 11 верхнего конформного вихрегенератора.
[00129] Платформы хвостовика лопатки, поверхности с постоянным радиусом и объемные передающие поток структуры, а также обтекатели в корневых концах межлопаточных проходов и возможные торцевые соединения концов также могут иметь преимущества реламинаризации пограничного слоя посредством конформного вихрегенератора с результирующим понижением аэродинамического сопротивления и также уменьшение разделений потока, индуцированных вторичными потоками, подобными вихрю межлопаточного прохода и т.п.
[00130] Концы кончиков "индикатора" турбины низкого давления или наружные поверхности концевого бандажа часто являются абразивными и расширяются при интенсивных изменениях рабочих температур, и выполнены с возможностью иногда входить в контакт и абразивным способом очищать пути кончиков роторных лопаток, проходящих с небольшим зазором мимо поверхностей бандажа концевого уплотнения и контура двигателя. В результирующих зазорах роторных кончиков при высоких температурах возникают большие перепады давлений и вторичные концевые потоки, причем поверхность бандажных элементов концевого уплотнения содержит пограничный слой и вторичные потоки текучей среды, которые проносятся мимо с высокими относительными окружными скоростями.
[00131] В поверхностях торцов кончиков "индикатора" турбины низкого давления или наружного концевого бандажа может быть использована встроенная матрица 48 конформного вихрегенератора с концевыми частями, с кончиками, ориентированными в направлении по ходу потока, в локальном относительном направлении потока текучей среды, и такая конструкция обеспечивает возможность удаления и выброса соседнего низкоэнергетичного пограничного слоя бандажа и реэнергизации для уменьшения потерь и аэродинамического сопротивления конструкции бандажа и кончика. Концевые вихри, образованные матрицей 48 конформного вихрегенератора с концевыми частями, протекают в сторону рабочей поверхности перепада давлений на концах лопаток, и образованный ступенью вихрь находится на пути потоков, образованных концом лопатки, для разрушения концевого вихря лопатки, организованного в форме более когерентной и мощной структуры потока.
[00132] Лопатки ступени турбины, поверхности и проходы также имеют увеличенные площади обтекаемых поверхностей в потоках текучей среды с утолщением потоков граничного слоя на всасывающей и нагнетающей поверхностях текучей среды, так что интегрированная реламинаризация граничного слоя конформного вихрегенератора действует для снижения профильного сопротивления и потерь потока текучей среды, а также для уменьшения дефицитов импульса вихревого следа. Интенсивность, прилипание потока к поверхности и скорости концевых вихрей конформного вихрегенератора позволяют создать новый механизм, который обеспечивают возможность непрерывного и быстрого восстановления присоединенных потоков после периодических происходящих выше по ходу потока возмущений вихревого следа. Это также относится к любым другим проходным сечениям, таким как ступени компрессора, камеры сгорания, воздуховоды и т.п.
[00133] Методы проектирования лопаток для турбин низкого давления, описанные в настоящей заявке, могут быть использованы для оптимизации новых газотурбинных конструкций и конфигураций, проходов в роторах, статорах и воздуховодах с низкими аэродинамическим сопротивлением и потерями потока и энергии текучей среды, повышенной потоковой надежностью, расширенным диапазоном отклонений от рабочих условий, пониженным коэффициентом заполнения и увеличенным углом поворота струи на ступень.
[00134] Согласно другому варианту реализации эти новые лопатки согласно настоящему изобретению могут быть сконфигурированы с пониженными потерями, вызванными аэродинамическим сопротивлением, и могут применяться как "конструктивно-совместимые" элементы обновления, согласующие геометрию сопряжения и углы потока в ступенях существующих турбин во время сервисного обновления для обеспечения усовершенствованных характеристик аэродинамического сопротивления двигателя и пониженных потерь энергии в пределах существующих инвестиций в двигатель с большим ресурсом службы. Таким образом, несмотря на то, что новые конструкции турбин низкого давления с встроенными конформными вихрегенераторами могут использовать преимущества конформного вихрегенератора согласно настоящему изобретению, также могут быть осуществлены "конструктивно-совместимые" лопатки турбины низкого давления, которые точно устанавливаются и функционируют, и которые заменяют известные лопатки в пределах существующей решетки ступени турбины низкого давления, такой, как например, турбовентиляторный двигатель CFM-56, для расширения пределов улучшения отделения потока с низкими числами Рейнольдса и уменьшения аэродинамического сопротивления, улучшения удельного расхода топлива существующих инвестированных двигателей. Роторные и статорные лопатки турбины низкого давления являются одной из самых низкорискованных областей модернизации в турбовентиляторном двигателе.
[00135] Альтернативно, эти варианты реализации матрицы конформного вихрегенератора и чертежи могут быть использованы в других подобных областях, связанных с потоком текучей среды, таких как, например, лопатки ветровых турбин (подобные описанным у Godsk '259), или воздушный винт, у которого угол атаки срыва и рабочие габариты могут быть увеличены без увеличения аэродинамического сопротивления, и фактически лопатка и потери энергии на поверхности могут быть уменьшены. Даже при том что конструкция аэродинамической поверхности, аспектное отношение и коэффициент заполнения и т.п. являются различными в указанных перечисленных вариантах реализации решетки турбины низкого давления, встроенные конформные вихрегенераторы также могут быть выполнены в этих поверхностях, управляющих потоком текучей среды.
[00136] Осевой компрессор. Ступени осевого компрессора обычно сконструированы с намного более тонкими и острыми краями, высокоскоростными околозвуковыми аэродинамическими корпусами (не в стиле створчатого гасителя реакции) для обеспечения максимальных коэффициента сжатия и передачи импульса в потоки текучей среды на каждой ступени. Эти аэродинамические поверхности или секции лопаток могут иметь преимущества, обеспеченные применением встроенного конформного вихрегенератора тем же самым общим способом, как описано выше для аэродинамических поверхностей турбины низкого давления. Способность расширения угла атаки срыва ротора и статора осевого компрессора в расчетных углах поворота расширяет границы помпажной характеристики компрессора (а также уменьшает срыв с поверхности и отделение) и повышает устойчивость к возмущениям потока, вызывающим массивные каскадные разделения потока в последующих ступенях. Турбина низкого давления или другие ступени турбины не проявляют значительную подверженность действию указанного нежелательного каскадного разделения или помпажного механизма осевых компрессоров.
[00137] На фиг. 4 показан стилизованный пример изолированного корпуса 50 лопатки осевого компрессора. Ступени компрессора (компрессор низкого давления, компрессор среднего давления и компрессор высокого давления) могут иметь изменяющиеся длины лопатки, сменный хвостовик и диаметры кончика (или "линии компрессора"), выбранные в зависимости от требований площади диска, локального потока и давления. Для аэродинамических поверхностей ротора и статора используются немного различные геометрические формы, поскольку статоры действуют в качестве диффузоров для восстановления давления ступени, но конформные вихрегенераторы могут быть использованы подобным образом во всех этих управляющих потоком текучей среды поверхностях и обеспечивают преимущества, подобные описанным для ступеней турбины низкого давления.
[00138] Всасывающая матрица 51 конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор, интегрирована или изготовлена за одно целое с передней частью зоны разрежения аэродинамической поверхности, и данная структура сконструирована с возможностью преобразования доли энергии приходящего невозмущенного потока в области входного угла поворота в пару интенсивных концевых вихрей конформного вихрегенератора, вращающихся в противоположных направлениях, которые перемещаются назад от матрицы кончиков 53 всасывающего конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор, и которые могут обеспечить управление разделением на засасывающей поверхности подобно традиционному вихревому генератору, который не может быть использован как имеющий небольшое лобовое сопротивление или уменьшающий аэродинамическое сопротивление в этих условиях вращающейся массы потока текучей среды. Подобным образом, матрица 52 нагнетающего конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор, интегрирована или выполнена за одно целое с передней частью рабочей аэродинамической поверхности, и эта структура сконструирована с возможностью преобразования доли энергии приходящего невозмущенного потока текучей среды в области входного угла поворота в пару интенсивных концевых вихрей конформного вихрегенератора, вращающихся в противоположных направлениях, которые перемещаются назад от матрицы кончиков 54 нагнетающего конформного вихрегенератора, встроенного в осевой компрессор.
[00139] Встроенный конформный вихрегенератор может иметь варианты реализации, показанные на фиг. 4, которые представляют собой в общем повторяющийся шаблон симметричных заостренных треугольных форм и могут быть сконфигурированы и изменены тем же самым способом, как описано выше в отношении обработки поверхности турбины низкого давления и вариантов реализации ступеней и общих геометрических форм конформного вихрегенератора, с расположением поперек размаха лопатки, в торцах и обтекателях межлопаточных проходов. Опциональные пазы 55 расширения образованного ступенью вихря, пазы 56 расширения концевого вихря и ступенчатая срезающая направляющая 57 могут быть интегрированы в обе поверхности для повышения производительности образованного ступенью вихря, как описано выше для ступеней турбины низкого давления.
[00140] Границы помпажа или отделения потока расширены добавлением встроенных конформных вихрегенераторов, существенно расширяющих способность угла атаки срыва аэродинамической поверхности, с усовершенствованиями потока текучей среды, подробно описанными в отношении ступеней турбины низкого давления, наряду с улучшением характеристик ламинарного течения и снижением лобового сопротивления. Возможны дальнейшие усовершенствования компрессора путем использования уникальной способности конформных вихрегенераторов обеспечивать способность введения потока текучей среды с небольшим лобовым сопротивлением в самые нижние уровни пограничного слоя, в частности, в расположенных ниже по ходу потока областях засасывающей поверхности, подверженных нежелательному уменьшению скорости потока под действием градиента давления и пузырей отделения потока.
[00141] Для простоты изложения показан только один полный пример дополнительной полости 58 для инжекции текучей среды, оптимально встроенной и сконфигурированной между кончиками конформного вихрегенератора, причем указанная полость питается соответствующими потоками энергизированной текучей среды из объемного наклонного канала 59 для струйной инжекции текучей среды с заданным давлением и массовым расходом для добавления увеличенного количества энергии в пограничный слой ниже по ходу потока. Такая конструкция использует преимущество исходного нисходящего вектора выходного высокоэнергетичного потока, протекающего поверх ступеней конформного вихрегенератора, для предотвращения струйного отслаивания и для минимизации любых подковообразных или почковидных вихрей у передней кромки при высоких отношениях выдувания и импульса потока, а также способствует распространению струйного потока текучей среды в боковом направлении и в направлении потока. Поперек всасывающей аэродинамической поверхности могут быть распределены множество полостей 58 для инжекции текучей среды и каналов 59 для струйной инжекции текучей среды, которые могут сообщаться с источником инжекционной текучей среды под давлением, например, инжекционной камерой 60 повышенного давления. Канал 61 для передачи текучей среды и имеющее небольшое лобовое сопротивление устройство 64 для сбора текучей среды может сообщаться по текучей среде с инжекционной камерой 60 повышенного давления и/или каналом 63 для сбора, расположенным в области кончика, для обеспечения локального струйного источника текучей среды. Средства для увеличения струй и потока текучей среды в камере повышенного давления сконфигурированы тем же самым способом, что и ступени турбины низкого давления. Вхождение текучей среды из другого возможна, например, с использованием инжекционной камеры 60 повышенного давления, соединенной в хвостовике или кончиках лопатки с дополнительным струйным источником текучей среды, такой как, например, воздух, отбираемый от расположенного ниже по ходу потока ступенчатого компрессора, который также может быть дополнительно предварительно охлажден для увеличения плотности текучей среды.
[00142] Матрица 62 конформного вихрегенератора, снабженного концевыми элементами, эквивалентная матрице 48 встроенного конформного вихрегенератора с концевыми элементами для турбины низкого давления, может быть использована в кончиках, обращенных к элементам концевого уплотнения бандажа компрессора, не смотря на то, что сечения лопаток являются очень тонкими.
[00143] Эти усовершенствования осевых компрессоров в общем отражают способы и конфигурации, описанные для ступеней турбины низкого давления, и обеспечивают комбинации: расширенных границ сопротивления помпажа, увеличенных степеней сжатия на ступень, увеличенных углов поворота, менее дорогих ступеней компрессора со значительно уменьшенным весом. Поскольку компрессор потребляет приблизительно 60% энергии, расходуемой двигателем, повышение эффективности этих ступеней оказывает большое влияние на общий КПД двигателя и удельный расход топлива двигателя.
[00144] Ступень вентилятора: решетки вентилятора обычно работают в условиях значительно пониженных температур, в отличие, например, от решеток турбин высокого давления/турбин низкого давления (ТВД/ТНД), и имеют увеличенные размеры, могут потребовать использования конформных вихрегенераторов с увеличенной высотой ступеней и не обязательно должны иметь такие же тонкие сечения передней кромки, как у лопаток компрессоров низкого давления (КНД) или компрессоров высокого давления (КВД). На фиг. 5 показаны подробности обводов типичной засасывающей поверхности 70 лопасти известного вентилятора, защищенный в областях передней кромки от эрозии посредством присоединенной полосы 71 из титана или другого металла, которая представляет собой систему для защиты от эрозии передней кромки и которую обычно устанавливают и выравнивают в области передней кромки лопатки. Для минимизации возмущений потока металлический переход 72 системы для защиты от эрозии по существу выполнен вровень с краем соединения перехода, но при использовании открываются неизбежные микрощели, вызывающие образование нежелательного пограничного слоя, ухудшающего потенциальные возможности, и эрозионный мусор, проникающий в эти микрощели перехода, имеет тенденцию к разрушению защитной краски и материала на поверхности лопатки позади передней кромки, что может дополнительно ухудшать критические характеристики ламинарного потока в течение длительного времени и уменьшать энергетическую отдачу решетки вентилятора.
[00145] На чертеже обработанная лопатка 73 конформного вихрегенератора показана со стороны напорной поверхности с накладкой 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора, которая может быть прикреплена поверх существующей немодифицированной детали 70 и 71 без других модификаций лопатки, обычно требующихся для известной решетки лопастей вентилятора. Эта накладка 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора используется на обеих всасывающей и нагнетающей поверхностях для: снижения лобового сопротивления лопасти вентилятора и входного вращающего момента, а также мощности двигателя, требующейся для данной тяги; обеспечения более высокого угла атаки срыва для улучшенной динамической реакции и повышенного сопротивления дестабилизации потока в условиях, выходящих за пределы расчетных режимов; снижения сверхзвуковых ударных нагрузок потока текучей среды и потерь в законцовках лопасти вентилятора (путем использования концевых вихрей конформного вихрегенератора для дестабилизации взаимодействий скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) в областях разделений скачка уплотнения, имеющего раздвоенное основание (lambda-foot)), и уменьшения эрозии лопатки с использованием расходуемого и альтернативно выполненного с возможностью замены в полевых условиях сменного элемента. Использование концевых вихрей конформного вихрегенератора для дестабилизации механизмов и явлений взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) в областях разделений скачка уплотнения, имеющего раздвоенное основание, является осуществимым на всех других аэродинамических поверхностях, поверхностях лопаток и корпуса, омываемого потоком текучей среды, при любых осуществимых скоростях потока текучей среды и числах Рейнольдса, которые индуцируют достаточную завихренность, с одновременным обеспечением расширенного угла атаки и снижением лобового сопротивления за счет реламинаризации.
[00146] Накладка 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора работает при проектных высотах ступени, и это означает, что выходной высокоэнергетичный направленный назад поток поверх ступеней конформного вихрегенератора протекает над последующей расположенной после ступени поверхностью 75, и даже при исходной направленности вниз вектора потоков в области после ступени, мусор и песок и т.п., имеющие более высокие плотность и импульс, чем, например, поток текучей среды, подобной воздуху, не будут иметь достаточной энергии, чтобы повернуть вниз, но будут продолжать свою траекторию и будут подвержены действию вторичных потоков и центробежных направленных наружу сил и будут беспрепятственно подниматься над более тонким корпусом лопатки. Этот эффект уменьшенной поверхностной эрозии краски и материалов позади ступеней виден на аэродинамических поверхностях и поверхностях корпуса, оснащенных конформными вихрегенераторами.
[00147] Накладка 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора добавочного типа может быть изготовлена из эластомера, пластика, металла, материала с керамическим покрытием, углеродного волокна, углерод-углеродного, матрицы карбидо-кремниевого или металлического волокна или керамического матричного композита (CMC) или другого материала с необходимой механической и термической прочностью, который может быть обработан любым способом обработки для аэродинамического соответствия существующей передней кромке лопатки с последующим прикреплением к лопатке или поверхности аэродинамического корпуса. Накладка 74 может быть выполнена в форме одиночного элемента конформного вихрегенератора, но в случае длиннопролетных и криволинейных передних кромок лопатки конформных вихрегенераторов дополнительно могут быть изготовлены из секций, имеющих различные геометрические формы, которые должны плавно переходить в соседние секции. Любым неоднородностям потока текучей среды лопатки необходимо придать обтекаемую форму перед добавлением конформного вихрегенератора получения улучшенных результатов.
[00148] Использование асимметричных или имеющих различны тангаж и геометрические формы структур конформного вихрегенератора обеспечивает возможность изменения модифицирующего поток действия конформного вихрегенератора поперек пролета лопатки, так что, например, в областях последующей локализованной генерации скачка уплотнения тангаж конформного вихрегенератора может быть более тонким вокруг этого места для генерирования концевого вихря, имеющего повышенную плотность элементов струи концевого вихря для различения эффектов взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем, и без исключительного сосредоточения только на оптимизации снижения лобового сопротивления. Сокращение ударных нагрузок потока текучей среды, действующих на корпус, обеспечивает возможность уменьшения потерь энергии и/или увеличения диапазона рабочих режимов и проектных рабочих состояний наружной поверхности.
[00149] Вновь спроектированная аэродинамическая поверхность лопастей вентилятора или поверхности корпуса теперь могут быть сконфигурированы по-другому, без линейных защитных углублений в передней кромке для компонентов известной системы для защиты от эрозии и с получением всех преимуществ усовершенствований конформного вихрегенератора. Известные металлические секции системы для защиты от эрозии передней кромки могут быть более плотными, чем материал корпуса лопатки, в результате чего может быть обеспечена некоторая экономия веса перед применением накладки 74 системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора для получения преимуществ конформных вихрегенераторов. Другой выбор новый конструкции должен иметь матрицу конформного вихрегенератора, встроенного на частичную высоту ступени в объем передней кромки, который затем перекрывается при монтаже согласованной сменной накладкой 74, которая в данном случае может быть более тонкой и легкой.
[00150] Вентиляторные лопасти новой конструкции также могут обеспечить преимущество из опциональных добавленных комбинаций: пазы 76 для расширения образованного ступенью вихря, пазы 77 для расширения концевого вихря, ступенчатая срезающая направляющая 78 и полость 83 для инжекции потока текучей среды с источником потока текучей среды под давлением, камерой повышенного давления и соплами и т.п., как, например, для лопатки турбины низкого давления. Все эти элементы показаны в качестве одиночных примеров на фиг. 5b, расположенные на напорной поверхности, и/или также они могут быть применены на засасывающих поверхностях. Эти пазы и структуры обеспечивают возможность использования маркировки для монтажа и выравнивания конформного вихрегенератора и, в качестве варианта, обеспечивают более значительные усовершенствования на более широких хордах лопасти без необходимости чрезмерного увеличения высот ступеней, а также толщины и веса конформного вихрегенератора, и, кроме того, обеспечивают возможность дополнительного управления разделением впридачу к перечисленным выше преимуществам, в частности, путем использования накладки 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора и/или любых дополнительных ступенчатых структур встроенного конформного вихрегенератора. Эти пазы и структуры также минимизируют влияние высоты ступени на аэродинамическую поверхность ниже по ходу потока или аэродинамическую конструкцию поверхности корпуса.
[00151] Комбинация встроенного конформного вихрегенератора и полосы для защиты от эрозии, которая снижает лобовое сопротивление лопасти вентилятора и входной вращающий момент лопатки, например, приблизительно на -10%, обеспечивает значительное улучшение удельного расхода топлива и повышение эффективности, поскольку диск современного вентилятора обычно имеет более холодную в 5-10 раз перепускную выходную тяговую форсунку, чем тяговая форсунка секции.
[00152] Сменный и абляционный компонент системы для защиты от эрозии конформного вихрегенератора комбинации конструкции передней кромки также лучше защищает последующую поверхность лопатки и является предпочтительным, поскольку в результате накапливающегося износа передней кромки дестабилизируются потоки текучей среды и пограничный слой в одной из самых чувствительных частей лопатки, так что замена по результатам осмотра является обязательной.
L
[00153] Обработанная лопатка 73 новой конструкции, снабженная конформным вихрегенератором, может содержать симметричную или асимметричную матрицу 79 конформного вихрегенератора задней кромки, встроенную в заднюю часть хорды перед задней кромкой (с кончиками, обращенными назад), причем заглубление ступени встроенного конформного вихрегенератора в поверхность не ставит под нежелательную угрозу прочность корпуса, распределение массы, границы флаттера и аэроупругость в этой тонкой области задней кромки, подверженной действию высоких напряжений. На рабочей поверхности корпуса потоки текучей среды могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы не разделяться до сближения или касания с задней кромкой, так что конформные вихрегенераторы, размещенные в этой области, обеспечивают импульс потока текучей среды, который утолщает пограничный слой, но который является достаточно умеренным для взаимодействия с пограничным слоем при расчетных высотах ступени, ограниченных толщиной поверхности области задней кромки. Расположенная выше по течению потока накладка 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора формирует концевые вихри, которые в общем расширяются при достижении области задней кромки и немного выталкиваются наружу матрицей 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, из-за высокоуровневых центростремительных вторичных потоков и влияния конформного вихрегенератора. В этом случае, близком к условию Кутта-Жуковского на задней кромке, которое задает и управляет слиянием структуры потока текучей среды следа корпуса, оторвавшиеся расположенные выше по течению потока струи концевого вихря конформного вихрегенератора не получают возможности нежелательного вращения вдоль размаха лопатки до их включения в векторные интегралы завихренности вихревого следа задней кромки, что приводит к эффективному подъему корпуса, заданному циркуляцией. Матрица 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, добавляет энергизированные струи концевого вихря почти непосредственно в вихревой след задней кромки, так что дополнительное использование формы асимметричного конформного вихрегенератора обеспечивает возможность прямого суммирования вектора завихренности, который согласует подразумеваемое направление следа вихря, образованного кончиком вихрегенератора, комбинированной создаваемой корпусом подъемной силы, или напротив, которое обеспечивает возможность модификации геометрически управляемого коэффициента C создаваемой корпусом подъемной силы, в частности, при низких углах атаки, аддитивно от любой из нагнетающей поверхности и всасывающей поверхности. Таким образом, конформные вихрегенераторы могут быть использованы для влияния на вихревые следы потока текучей среды корпуса. Эти усовершенствованные способы защиты от эрозии конформного вихрегенератора и комбинации усовершенствований характеристик также имеют большое значение, интегрированное в концепции турбовентиляторов с открытым ротором, несущие винты вертолетов и традиционные лопасти воздушных винтов, которые совместно используют диапазон концепций потока текучей среды и методологи конструирования.
[00154] Расположение этой новой матрицы 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, отличается от того, что описано у Gliebe '240, Fritz '488, Vijgen '665, Shibata '436, Young '319, Balzer '106, и т.п., поскольку это компактная неотъемлемая поверхностная структура, и обработка происходит полностью внутри протяженности корпуса и перед исходной задней кромкой корпуса и действует для: уменьшения потерь потока текучей среды пограничного слоя между обращенными назад кончиками конформного вихрегенератора (в отличие от известных неоптимизированных неповерхностных вихрей, которые индуцируют только потери энергии вихря), увеличения смешивания потока вихревого следа для уменьшения шума потока с одновременным использованием существенно уменьшающей аэродинамическое сопротивление структуры, изменения циркуляции подъемной силы, создаваемой корпусом, и может быть сконфигурирована независимо на нагнетающей поверхности и на засасывающей поверхности. Обращенные назад кончики матрицы 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, могут быть расположены и смещены таким образом, что они вырабатывают струи концевых вихрей из кончиков всасывающей и нагнетающей поверхностей, которые затем эффективно образуют встречно-гребенчатую структуру только за пределами задней кромки и вызывают минимальное взаимное влияние перед суммированием в завихренность вихревого следа задней кромки.
[00155] В засасывающих поверхностях может использоваться матрица 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, но эффективность уменьшается при увеличенных углах атаки, что индуцирует утолщенные направленные назад области пограничного слоя, которые имеют низкую энергию, или пузыри отрыва потока или отделение потока текучей среды. Эти усовершенствования конформного вихрегенератора в общем могут быть использованы при любом вращении и с повышенной эффективностью на невращающихся аэродинамических поверхностях и поверхностях корпусов в потоках ньютоновской текучей среды тем же самым способом для получения преимуществ, описанных выше в настоящей заявке.
[00156] Сечения хорды законцовки лопасти вентилятора являются достаточно толстыми для использования матрицы 82 конформного вихрегенератора с концевыми элементами, эквивалентными концевым элементам интегрированной матрицы 48 конформного вихрегенератора для турбины низкого давления, в области кончиков, обращенных к бандажу концевого уплотнения вентилятора. Кроме того, температурные изменения зазора между кончиком вентилятора и бандажом меньше чем у турбинных секций, и конформные вихрегенераторы с концевыми элементами облегчают управление потоком пограничного слоя контура обтекателя на поверхностях, близких к кончикам вентилятора.
L
L
d
d
[00157] В отношении различных конструкций аэродинамической поверхности или корпуса предпринимаются множественные попытки использования известных триммеров Герни для изменения коэффициента C и отношения C к C, а также уменьшения отношения C, но теоретическая работа имеет тенденцию к неправильному предсказанию воздействия триммеров, приложенных к аэродинамическим поверхностям и аэродинамическим корпусам в потоке ньютоновской текучей среды при допустимых значениях числа Рейнольдса. Эластомерный увеличивающий подъемную силу триммер eLET 80, выполненный в форме объемного блока, на чертеже показан встроенным приблизительно в середине пролета рабочей поверхности снабженной конформным вихрегенератором лопатки 73 рядом с задней кромкой. Следует отметить, что триммер eLET 80 обычно лучше всего встраивать в области ширины пролета от 15% до 30% полного пролета, но это не является ограничением, и применять триммер во внутреннем от конца участке вращающегося корпуса, где скорость потока текучей среды и подъемная сила являются существенными. Триммер eLET 80 обычно выполнен в форме блока, лопасти или конструкции из двух лопастей на высоте между 0,5% и 3% ширины местной хорды, но это значение не является ограничением. Отступ триммера eLET 80 от задней кромки составляет приблизительно от 0% до 500% высоты устройства, и наилучшие результаты в общем для отступа обычно составляют - 100% высоты устройства.
[00158] Триммер eLET 80 при использовании генерирует вдоль размаха крыла набор интенсивных вихрей вращающегося в противоположных направлениях, пакетированных и захваченных между триммером eLET 80 и частью края задней кромки. Эти поперечные вихревые струи действуют на потоки, образованные задней кромкой засасывающей поверхности и имеют тенденцию к отклонению этих потоков вниз после задней кромки и изменению локальных условий Кутта-Жуковского в секции размаха крыла. Дополнительное нисходящее ускорение потока текучей среды за задней кромкой предпочтительно изменяет градиент нежелательного восстановления давления засасывающей поверхности (путем уменьшения толщины турбулентной области пограничного слоя и аэродинамического сопротивления) и также эффективно увеличивает угол атаки местной хорды и подъемную силу.
[00159] Триммер eLET 80 осуществлен в форме гибкого и прочного, имеющего небольшую массу эластомерного материала, который почти не добавляет лишнюю массу в заднюю часть и секции задней кромки аэродинамической поверхности или корпуса и уменьшает устойчивость и границы флаттера, а также эффективно является механически "прозрачным" в отношении основного корпуса в области задней кромки. Кроме того, из-за аэроупругих явлений и колебательных динамических режимов лежащей под триммером безусловно гибкой аэродинамической поверхности, такой как воздушные винты, роторы или лопатки, несоответствующая масса, добавленная в область задней кромки, не может надежно удерживаться без распределенных и несосредоточенных локальных адгезионно связывающих вызванных сдвигом сил, которые позволяют адгезивам полностью распределять нагрузку, вызванную силами интенсивного ускорения, распределенными по всей площади поверхности крепления, и не сосредотачивать их в точках возрастающего скольжения. По этим причинам несовместимые материалы (т.е. неэластомерные) являются нежелательными для добавления в данную неблагоприятную среду, и если эти несовместимые материалы все-таки добавлены, они создают центр колебательных напряжений и вызывают проблемы сгибания для нижележащего корпуса, в результате чего интенсивно накапливается усталость материала корпуса. Изготовление расширяющейся задней кромки (DTE), имеющей подобную конструкцию, сталкивается с теми же самыми практическими общераспространенными трудностями.
[00160] Секции уменьшенной длины одного или большего количества триммеров eLET 80 обеспечивают, чтобы обычно нежелательные захваченные по размаху лопасти вихревые струи имели выпускное отверстие расширения, когда они накапливаются и должны терять массу потока текучей среды, что обычно происходит при скорости приблизительно 1600 Гц, которая обычно считается диагностической акустической сигнатурой потоков текучей среды при использовании триммера eLET 80 и которая подчеркивает новаторское значение дополнительных путей для вихревых струй при использовании сегментированной или секционированной прикладной стратегии. Дополнительное усовершенствование каждого триммера eLET 80 состоит в выполнении частичных секционных разрезов, в основном направленных вдоль хорды сквозь блок таким образом, чтобы механическое повреждение было ограничено подсекцией, для эффективного обеспечения функциональных средств для ограничения разрыва.
[00161] Небольшой угол во внутреннем конце или наружном конце конструкции триммера eLET 80 позволяет направлять выходные потоки вихревой струи в предпочтительном направлении сбрасывания с любого конца корпуса при объединении с вихревым следом задней кромки с добавлением к интегрированным векторам вихря или вычитанием из интегрированных векторов вихря, генерирующим чистую циркуляцию корпуса и подъемную силу. Небольшой изгиб назад с обеих сторон, например, от центра корпуса триммера eLET 80 обеспечивает возможность управления обтекаемым сбрасыванием вихревой струи и ее уравновешиванием в вихревом следе задней кромки как геометрической относительной частью масс потока текучей среды, обработанных триммером eLET 80, в то время как центральный поперечный вихрь увеличивает скос потока вниз для повышения подъемной силы.
[00162] Следует отметить, что триммер eLET 80 может использоваться с накладкой 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора или матрицы 79 конформного вихрегенератора, встроенного в заднюю кромку, или без накладки 74, но по причинам динамической устойчивости предпочтительно использовать триммер в комбинации по меньшей мере со способом использования конформного вихрегенератора и накладки 74 для защиты от эрозии конформного вихрегенератора. Матрица 79 конформного вихрегенератора для задней кромки может быть применена перед триммером eLET 80 или может быть использована в секциях между элементами триммера eLET 80. На фиг. 5b показана конфигурация двух примеров матрицы 79 конформного вихрегенератора для задней кромки между одним примером триммера eLET 80, который не является ограничением, но указывает, что конформные вихрегенераторы могут быть сконфигурированы в части пролета или поверхности в комбинации с другими особенностями.
[00163] Триммер 81, снабженный разгружающим кончиком, показан как уменьшенный триммер, установленный в снабженной кончиком задней кромке засасывающей поверхности 70 лопатки, который может быть добавлен для уменьшения подъемной силы угла атаки секции хорды на этом участке аэродинамической поверхности и действует для значительного изменения концевого вихря аэродинамической поверхности, в частности, на открытой лопатке, которая не представляет большого препятствия для концевого вихря, который протекает от нагнетающей поверхности к засасывающей поверхности. В случае вертолетных роторных лопастей этот вариант триммера действует для увеличения нагрузки по всему размаху лопасти внутри высоко нагруженных кончиков, причем уменьшенный и задержанный локальный концевой вихрь меньше подвержен сбрасыванию в дисковые потоки и созданию нагрузок, вызванных силами переходного процесса, возмущений и акустических сигнатур в результате взаимодействия вихря лопасти (BVI). Загрузка на внутреннюю часть диска также уменьшает некоторую часть подъемного изгибающего момента и деформационных нагрузок, действующих вдоль размаха лопасти на структуру аэродинамической поверхности.
[00164] Вихри, индуцированные по размаху крыла в поверхности области входа передней ступени передней кромки триммера eLET 80, тесно согласованы посредством вихрей поверхности задней ступени, так что существует неожиданно оказавшееся минимальным результирующее направленное вдоль хорды давление или нагрузка, созданная направленной назад силой, на триммер eLET 80 для проверки прочности адгезивной связи при значительных скоростях ударного потока текучей среды и значениях числа Рейнольдса. Входные и выходные вихревые струи вдоль размаха лопасти приблизительно уравновешивают и эффективно защищают упругие массы задней кромки от ожидаемых динамических ударных давлений, созданных приходящими скоростными потоками текучей среды. Следствием является то, что первичная проверка адгезива происходит при интенсивных радиальных ускорениях. Испытание на винтах воздушного судна в общем подтверждает подобные свойства материала и возможные улучшения характеристик, например, уменьшение удельного расхода топлива на крейсерской скорости составляет от 12 галлонов в час до 10 галлонов в час (45,4-37,9 л), что эквивалентно примерно 18% экономии энергии, например, с использованием комбинации двигателя Lycoming IO-540 и воздушного винта Hartzell (VP) с изменяемым шагом.
[00165] Эластомерный материал, примененный для триммера eLET 80 при таких высоких ускорениях и скоростях потока текучей среды, является новым и парадоксальным по сравнению с уровнем техники, однако имеются очевидные усовершенствования и новые свойства, которые указывают, что практическое использование этого материала является допустимым. В случае обледенения поверхности во время полета материал триммера eLET 80 является податливым и обеспечивает возможность переходного наращивания и постоянного сбрасывания льда, поскольку нагрузки в данном случае превышают связывающую силу почти тонких слоев замерзшей влаги, так что максимальная опасность для конструкции проистекает от сбрасывания льда с передней кромки посредством внутренних противообледенительных систем, которые непрерывно сбрасывают небольшие скопления, прежде чем они смогут оказывать значительное влияние на характеристики воздушного винта. Совместимость, обоснованная деформация и упругие характеристики восстановления формы, а также терпимые приемлемые прикладные методологии секционных разрезов, ограничивающих повреждение, для триммера eLET 80 обеспечивают возможность применения новых конструкционных структур на аэродинамической поверхности и поверхностях корпуса, таких как лопатки, роторы, диски вентиляторов и воздушные винты и т.п.
[00166] Входной направляющий аппарат позади ступени вентилятора и перед входным компрессором также может использовать добавочные или встроенные конформные вихрегенераторы для снижения аэродинамическое сопротивления и расширения угла атаки, обеспечивающего механические перемещения входного направляющего аппарата для предотвращения динамического срыва потоков текучей среды. В статорных лопатках, ведущих в холодную секцию и транспортирующих эти де-турбулизирующие выходные холодные потоки в канале вентилятора, также могут быть использованы конформные вихрегенераторы для уменьшения лобового сопротивления и расширения угла атаки. В дополнительных входных направляющих аппарата, например, в выпускных отверстиях компрессора и камеры сгорания и другой аэродинамической оснастке, а также в поддерживающих нагрузку стойках могут быть использованы конформные вихрегенераторы с теми же самыми преимуществами, уже описанными для любой поверхности, омываемой потоком текучей среды.
[00167] Увеличение поверхностного потока из заборных каналов нагнетающей поверхности или другого источника текучей среды, такого как, например, охлажденный отбираемый из компрессора воздух, также может использоваться на вентиляторной лопатке новой конструкции со структурами, эквивалентными инжекционному каналу 37 для струйной текучей среды турбины низкого давления, полости 36 для инжекции потока текучей среды и инжекционной камере 38 повышенного давления, масштабированными для увеличенной лопатки вентилятора для усовершенствования лопатки вентилятора, рабочего угла атаки и характеристики аэродинамического сопротивления, как для каскада турбины низкого давления, описанного выше. Этот способ матрицы встроенного конформного вихрегенератора с увеличивающимися инжекционными каналами для струйной текучей среды также может быть распространен на вертолетные роторные лопасти новой конструкции, воздушные винты и даже неподвижную аэродинамическую поверхность или поверхности крыла с соответствующим масштабированием геометрической формы.
[00168] Энергогенератор реактивного двигателя (компрессор, камера сгорания и турбина), в котором используются конформные вихрегенераторы для усовершенствований, может использовать выходную трансмиссионную передачу турбины низкого давления (или подобную ступень для извлечения мощности) для приведения в действие каскада диска вентилятора для тяги струйного холодного воздуховода (как в уровне техники) или для конфигурирования в конфигурации турбовального газотурбинного двигателя для приведения в действие внешних нагрузочных или редукторных устройств, таких как воздушный винт, роторная система, генератор электроэнергии, насос или компрессор, используемых, например, для охлаждения, перекачивания природного газа или химических технологических систем промышленного масштаба, подобных нефтеперерабатывающему заводу.
[00169] Лопатки турбины высокого давления: На фиг. 6а и 6b показана лопатка 90 турбины высокого давления с глубокой секцией реактивной аэродинамической поверхности ковшеобразного типа, которая имеет прикрепленные компоненты или встроенную, интегрированную в верхнюю поверхность матрицу 91 конформного вихрегенератора и интегрированную в нижнюю поверхность матрицу 109 конформного вихрегенератора, которые работают тем же самым способом, как и в лопатке турбины низкого давления, описанной выше, для извлечения энергии из потоков текучей среды, приходящих из камеры сгорания и расположенных выше по течению потока мощных компрессорных или нагрузочных ступеней. Интегрированные конформные вихрегенераторы турбины высокого давления выполнены с возможностью уменьшения аэродинамического сопротивления и расширения угла атаки для уменьшения разделений/турбулентности потока текучей среды и также для снижения тепловых потерь. Интегрированные конформные вихрегенераторы, в основном изготовленные на металлической основе, обеспечивают максимальную прочность лопатки турбины высокого давления, но поскольку могут быть изготовлены многослойные лопатки для турбин высокого давления для обеспечения всех несопоставимых требуемых характеристик, также может быть использована высокотемпературная матрица конформного вихрегенератора для передней кромки с соответствующими объемными конструкциями на основе карбидо-кремниевых или металлических волоконных структур или керамических композитных структур (CMC), взаимно замкнутых в новой конструкции передней кромки турбины высокого давления в решетке.
[00170] Для входных направляющих аппаратов или первого статора турбины высокого давления и первого диска ротора турбины высокого давления температуры на выходе камеры сгорания выше типичных температур плавления сверхпрочного никелевого сплава, так что эти поверхности охлаждаются текучей средой. Охлаждающая сопловая фонтанная головка 93 расположена в передней кромке статорных и роторных лопаток и подает охлажденную текучую среду (обычно отбираемый из компрессора высокого давления (НРС) воздух в охладителе, например, ~650°C) из фонтанной охлаждающей камеры 94 повышенного давления. Фонтанная головка имеет сопла с достаточным наклоном и обеспечивает достаточную массу потока для охлаждения и защиты передней кромки аэродинамической поверхности, и эта текучая охлаждающая среда затем разделяется и протекает вокруг нагнетающей и засасывающей поверхностей для обеспечения дополнительного охлаждения поверхности и отклонения теплового потока и термических нагрузок в вихревой след аэродинамической поверхности. Аэродинамическая поверхность имеет самую низкую локальную температуру, и при перемещении выше в пограничном слое в невозмущенные потоки текучей среды температуры поднимаются ближе к максимальным температурам камеры сгорания. Любая лишняя турбулентность на аэродинамической поверхности или поверхности корпуса, такая как пузыри отделения потока текучей среды и турбулентность отделения, обычно смешивает с охлаждением жаростойкую текучую среду и понижает температуру слоев, а также увеличивает тепловой поток, который должен быть удален для благополучного охлаждения поверхностей.
[00171] Известные аэродинамические поверхности дополнительно охлаждаются посредством обшивки внутренней поверхности, охлаждающейся змеевидными каналами и камерами повышенного давления, которые подают в дополнительные наклонные матрицы охлаждающие струи ниже по ходу потока, а также решетками 107 внутренних штифтов и охлаждающими выходными прорезями 92 в задней кромке. Проблема решается обеспечением достаточной поверхности, обдуваемой охлаждающими потоками текучей среды без струйного отслаивания, которые генерируют достаточную турбулентность и отводят тепло, а также обеспечением эффективного распространения охлаждения и изоляции поверхности от высокотемпературной текучей среды.
[00172] Конформные вихрегенераторы обеспечивают имеющий небольшое лобовое сопротивление способ обеспечения эффективной и хорошо распространенной охлаждающей инжекции текучей среды в самые низкие уровни пограничных слоев, который дополнительно используется для корпусов турбин низкого давления для улучшения управления разделением. Выполненный с наклоном назад инжекционный канал 95 для струйной текучей среды или отверстие для измерений могут передавать охлаждающие потоки текучей среды, например, от инжекционной камеры 104 повышенного давления, охлаждающей верхний конформный вихрегенератор, в полость 96 для инжекции потока текучей среды, выполненную в поверхности позади обращенной назад ступени 97 и расположенную между кончиками 98 конформного вихрегенератора. Добавление таким направленным назад наклонным способом охлаждающей струи текучей среды, выходящей в профилированную полость, обеспечивает преимущество исходного нисходящего вектора скорости выходного высокоэнергетичного потока из ступени конформного вихрегенератора для подавления струйного отслаивания при высоких отношениях количеств движения обдувающего и охлаждающего потока и способствует распространению потока охлаждающей текучей среды в боковом направлении и в самые охлажденные уровни пограничного слоя ниже по ходу потока. Охлаждающая инжекционная камера 106 повышенного давления второго нижнего конформного вихрегенератора также подает охлаждающую текучую среду под повышенным давлением к соседним поверхностям лопатки и элементам инжекционного канала 95 для струйной текучей среды, а также связанным с ними структурам под давлением или матрице 109 конформного вихрегенератора, встроенного в нижнюю поверхность, в местах, расположенных тем же самым способом, как и в засасывающей поверхности турбины высокого давления.
[00173] Для охлаждения массовых потоков образованного ступенью вихря дополнительный охлаждающий инжекционный канал 99 для образованного ступенью вихря может быть расположен у основания точки минимума конформного вихрегенератора. Для добавления дополнительного охлаждения струям концевого вихря конформного вихрегенератора для разгрузки тепловых потоков на поверхностях, расположенных ниже по ходу потока, охлаждающий инжекционный канал 105 концевого вихря может быть включен в основание кончиков 98 конформного вихрегенератора. Другие известные охлаждающие средства, подобные внутренним змеевидным охлаждающим каналам, турбулизаторам, охлаждающему выбросу с задней кромки и кончика "индикатора", а также штифтовым решеткам 107, могут быть использованы в соединении с встроенными конформными вихрегенераторами и потоками во внутреннем проходе и внутренней обшивке для охлаждения поверхностей турбин высокого давления. Эффективное использование оптимизированных охлаждающих потоков текучей среды массы нижнего потока, которые отводят тепловые потоки, улучшает КПД двигателя, поскольку оно оценивает потребляемую компрессором энергию, необходимую для извлечения охлаждающих потоков текучей среды. Для поверхностей в этой ступени турбины высокого давления могут быть использованы любое известные уменьшающие окисление покрытия и другие металлургические способы и сплавы для низкочастотной и высокочастотной ползучести и т.п. Пазы 100 для расширения образованного ступенью вихря, пазы 101 для расширения концевого вихря и ступенчатая срезающая направляющая 102 также могут быть дополнительно встроены (как и в секцию турбины низкого давления) во всасывающие и/или нагнетающие конформные вихрегенераторы в турбине высокого давления для обеспечения возможности регулирования производительности потока массы образованного ступенью вихря, удовлетворяющей требованиям к механической прочности поверхности и размеру конструкции ступени.
[00174] Дополнительное освобождение от высокотемпературных потоков может быть обеспечено посредством теплоизолирующего покрытия (ТВС), например, в секциях передней кромки, и эти типичные керамические покрывающие поверхностные слои уменьшают коэффициент теплопроводности поверхности для ослабления тепловых потоков за счет увеличенной массы и риска чешуйчатого отслаивания покрытия, потери защиты и прогорания поверхности. С использованием встроенных конформных вихрегенераторов и струйных/инжекционных полостей, обеспечивающих эффективное средство для охлаждения поверхности и рассеивания тепла, секции аэродинамической поверхности, расположенные ниже по ходу потока ступеней конформного вихрегенератора, с меньшей вероятностью потребуют добавочной массы и сложности увеличенной площади теплоизолирующего покрытия.
[00175] В сочетаниях торцов ротора, статора и обтекателей в поверхностях каскадных проходов и систем трубопроводов также могут быть использованы конформные вихрегенераторы для обеспечения дополнительного имеющего небольшое лобовое сопротивление инжекционного канала для струйной текучей среды, которая охлаждает структуры, относящиеся к аэродинамическим поверхностям, и улучшает охлаждение ниже пограничного слоя в областях нежелательных вторичных потоков, которые являются стойкими к дестабилизации, например, вихрями межлопаточного прохода и т.п. В поверхностях обтекателей могут быть использованы конформные вихрегенераторы с инжекционными каналами для струйной текучей среды, выполненными в этих высокопрофилированных поверхностях. Концевые вихри встроенного конформного вихрегенератора также обеспечивают критерии эффективности управления взаимодействием скачка уплотнения с пограничным слоем (SBLI) и быть выполнены с возможностью изменения вихрей в проходах, ударных нагрузок и вторичных потоков.
[00176] Матрица 103 вторичного интегрированного конформного вихрегенератора, расположенного рядом с охлаждающими выходными прорезями 92 задней кромки на рабочей поверхности, может быть использована для минимизации вихревых следов лопатки и улучшения подъемной силы/завихренности, поскольку она находится непосредственно перед задней кромкой лопатки, так что оказывает уменьшенное нежелательное влияние, чем встроенный конформный вихрегенератор, используемый в качестве второго ряда вблизи, например, матрицы 91 верхнего конформного вихрегенератора. Улучшающая подъемную силу и охлаждение задней кромки матрица 108 триммера может быть добавлена перед охлаждающими выходными прорезями 92 в задней кромке, и этот вариант обеспечивает возможность модификации эффективного угла атаки лопатки, а также способствует распространению охлаждающего потока прорези 92 вдоль задней кромки, содержащей или не содержащей матрицу 103. В этой матрице 108 могут быть использованы "изогнутые" или наклонные триммеры, как показано на чертеже. Матрица 103 вторичного интегрированного конформного вихрегенератора также может быть добавлена к засасывающей поверхности лопатки турбины высокого давления.
[00177] Турбины промежуточного давления (IPT) также могут нуждаться в охлаждении, причем они могут быть сконструированы также как и лопатки турбины высокого давления, для уменьшения потерь, аэродинамического сопротивления и улучшения охлаждения. Конформный вихрегенератор и связанные с ним особенности проектирования, описанные в настоящей заявке, могут быть интегрированы в любых комбинациях, примерах и местах наряду с известными способами использования конструкций лопаток и поверхностей для обеспечения оптимальных характеристик. Следует отметить, что снабженная конформным вихрегенератором лопатка турбины высокого давления также может быть использована в качестве варианта реализации, например, в паровой турбине с полезными усовершенствованными потоками текучей среды и улучшенной эффективностью, и материал поверхностного покрытия передней кромки может быть использован для защиты от эрозии, причем указанная защита от эрозии также может включать структуры конформного вихрегенератора. Подъем и удаление эрозионных частиц и материала ниже по ходу потока из ступеней конформного вихрегенератора также способствуют защите поверхности потока ниже по ходу потока. Для паровых турбин, в которых поток текучей среды приходит из камеры сгорания/источника пара, компрессор не является необходимым, так что количество извлеченной газотурбинной мощности может быть использована для питания других потребителей.
[00178] Центробежный компрессор: Множество небольших компрессоров и насосных устройств, например, реактивных двигателей, в конечной ступени компрессора высокого давления используют крыльчатку центробежного типа, поскольку она: компактна, обеспечивает высокую степень сжатия, отличается весовой эффективностью, повышенной прочностью и низкой сложностью. Есть много общих свойств в отношении потока текучей среды между осевыми, комбинированными центробежно-осевыми и центробежными компрессорами и насосами, в которых центробежная лопатка или лопастные решетки на крыльчатке имеют хвостовик и наружные диаметры, увеличивающиеся вдоль оси крыльчатки к выходу, причем выходные потоки могут быть полностью радиальными или смешанными (частично осевыми) и протекать в систему трубопроводов ниже по ходу потока и/или диффузорную конструкцию.
[00179] Центробежные компрессоры (и насосы, при использовании потока ньютоновской текучей среды в жидком состоянии) могут страдать от срывов потока с засасывающей поверхности, если: кончики крыльчатки, направляющие лопатки диффузора, лопасти (или лопатки) и любые другие обтекаемые поверхности вызывают проблемы, связанные с характеристиками потока текучей среды и потерей энергии. Множество лопастей крыльчатки скошены назад под углами выходного потока таким образом, чтобы менее агрессивно действовать на передачу импульса кончика и потоки для уменьшения нагрузок отделения потока текучей среды под выходным углом лопатки. Отделение потока или пузыри отрыва в областях низкого давления ньютоновской рабочей текучей среды, подобной жидкой воде или аммиаку проявляет себя как изменение состояния текучей среды из жидкого состояния в паровую/газовую фазу в захваченных физических пузырьковых структурах, добавляя дополнительную сложность возможного быстрого или сверхзвукового коллапса пузырьковой структуры, кавитационного и потенциального механизма повреждения в результате большой сверхзвуковой ударной нагрузки и акустических волн.
[00180] Добавление встроенного конформного вихрегенератора последовательно с потоками текучей среды и струями на засасывающих поверхностях центробежного устройства и других омываемых поверхностях обеспечивает возможность управления пузырями отделения потока текучей среды в фазе газа и уменьшает лобовое сопротивление и потери потока турбулентного пограничного слоя, как описано выше в отношении решеток. Для потока текучей среды в жидкой фазе во всасывающих областях тонкие вихревые струи конформного вихрегенератора пересекают и дестабилизируют пузырьки пара, формирующиеся и растущие в объемах текучей среды, опуская их давление ниже давления перехода жидкости в пар, прежде чем они смогут вырасти до размеров, которые могут вызвать кавитационное повреждение. Эта дестабилизация пузырьков также уменьшает результирующую энергию ударной нагрузки и акустические сигнатуры, причем вихревые струи также способствуют распространению, отражению и уменьшению давления ударной нагрузки и акустических волн в рабочей текучей среде.
[00181] На фиг. 7 показаны поверхность типичной имеющей открытую форму центробежной крыльчатки и внутренняя стенка 120 втулки со стилизованными особенностями, которые можно видеть на варианте реализации крыльчатки, имеющем самую открытую форму. Крыльчатка согласно данному варианту реализации содержит центральную направляющую 121 входного потока, ведущую к передней кромке матрицы аэродинамических поверхностей крыльчатки или лопастей 122 направляющего аппарата, причем компрессор вращается против часовой стрелки при наблюдении со стороны направляющей 121 входного потока. На приходящие осевые потоки текучей среды действует осевое вращение лопастей 122 направляющего аппарата, в результате чего потоки текучей среды ускоряются и протекают вдоль внутренней стенки 120 втулки и затем выходят радиально с повышенным импульсом и скоростью между выходных кончиков 128 лопастей и в поперечном направлении к матрице дополнительных направляющих лопастей 129 неподвижного диффузора (для ясности изображена только одна лопасть), которая затем подает поток текучей среды в конечное собирающее выходную текучую среду средство или спиральную камеру, воздуховод и т.п., которые для ясности не показаны. В данном примере, показанном на фиг. 7, также используются дополнительные частичные лопасти 132 для предотвращения преждевременного дросселирования входных потоков на лопастях 122 направляющего аппарата.
[00182] матрица 124 интегрированного входного всасывающего конформного вихрегенератора может быть встроена во всасывающую поверхность части лопастей 122 направляющего аппарата рядом с входной передней кромкой лопасти для надежного препятствования отделению потоков текучей среды (или кавитации в случае жидкостей) на засасывающей поверхности лопастей. Матрица 125 интегрированного всасывающего конформного вихрегенератора, расположенного ниже по ходу потока, также может быть встроенной, если геометрическая форма крыльчатки и линии потока обеспечивают положительный эффект. На противоположной стороне каждой лопасти в области матрицы 123 встроенного в нагнетающую поверхность конформного вихрегенератора также может быть встроена дополняющая встроенная в нагнетающую поверхность версия конформных вихрегенераторов, которые работают подобным образом и расположены в местах, отличающихся от передней кромки, таких как, например, на лопатке турбины низкого давления, для снижения потерь потока на нагнетающих поверхностях лопасти. Местоположение этих матриц встроенного конформного вихрегенератора выбирают исходя из структуры, логики и технологии, например, лопаток турбины низкого давления с последующей оптимизацией геометрической формы, углов потоков и мест расположения для приспособления и согласования уникальной геометрической формы крыльчатки, причем наилучшие комбинации подтверждаются итоговыми испытаниями на реальной крыльчатке и центробежном компрессоре, насосе или газотурбинной конструкции. Показанные на чертеже размеры конформного вихрегенератора и углы представлены только в качестве иллюстрации для обсуждения и не являются ограничением для фактических выбранных и оптимизированных конструкций.
[00183] Хвостовик насоса или внутренняя стенка 120 втулки имеют увеличенную поверхностную площадь первичного пограничного слоя потока выпуклой и вогнутой поверхности и некоторых вторичных потоков между всасывающей и нагнетающей поверхностями в проходах той же самой лопатки или лопасти. Эта поверхность может быть подвержена нежелательному действию потока или кавитации во всасывающих областях, и реламинаризация пограничного слоя конформного вихрегенератора также уменьшает лобовое сопротивление или кавитацию, так что матрица 127 конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность внутренней стенки, и матрица 126 конформного вихрегенератора, встроенного в нагнетающую поверхность расположенной ниже по ходу потока внутренней стенки, могут быть использованы для усовершенствования конструкции в данном случае и вообще в случае любого конформного вихрегенератора, который может иметь небольшой наклон для наилучшего согласования с локальными условиями линий потока текучей среды. Если хвостовики втулки лопасти "зализаны", встроенный конформный вихрегенератор также может быть встроен в эти обтекатели и даже может сливаться с другими конформными вихрегенераторами, встроенными в соседние поверхности, несмотря на то, что такие конформные вихрегенератор, сливающиеся на лопасти и обтекателе втулки, на чертеже явно не показаны.
[00184] В аэродинамическом профиле или поверхности направляющей лопатки 129 неподвижного диффузора, если таковая имеется, также может быть использована матрица 130 встроенного в диффузор всасывающего конформного вихрегенератора для управления потерями и пузырями отрыва, вызванными интенсивными импульсами потока текучей среды и вихревыми следами, исходящих от перемещающихся с высокой линейной скоростью выходных кончиков 128 лопастей при выходных углах динамического потока и эффективных углах атаки диффузора. Поскольку направляющая лопатка 129 диффузора может быть сконфигурирована с возможностью де-турбулизации входящих в крыльчатку потоков текучей среды и работает в режиме статора с невращающимися потоками, в ней также может быть использована матрица 131 встроенного в диффузор вторичного всасывающего конформного вихрегенератора для снижения аэродинамического сопротивления или обеспечения возможности использовать поверхности, имеющие повышенную кривизну, для создания более компактного диффузора. Нагнетающая поверхность направляющей лопатки 129 диффузора также может содержать подобные матрицы встроенного в диффузор нагнетающего конформного вихрегенератора для уменьшения срывов потока и также снижения аэродинамического сопротивления. В проходных сечениях статической системы воздухопроводов и трубопроводов вокруг матриц в направляющих лопатках 129 и смешивающих обтекателях диффузора также могут быть использованы встроенные конформные вихрегенераторы для дополнительного управления потерями аэродинамического сопротивления и срывами потока.
[00185] Также на фиг. 7 не показана согласующая объемная неподвижная или связывающая управляющая поверхность канала, образованного между бандажом и кончиками лопасти, которая на крыльчатке с открытой формой тесно согласована с движущейся конструкцией и очищает указанную движущуюся конструкцию краев 133 концов имеющей открытую форму крыльчатки для максимального снижения обратных потоков текучей среды из полостей ниже по ходу потока. Эти края лопастей эквивалентны имеющим открытую форму кончикам осевых лопаток, и имеющая закрытую форму крыльчатка центробежного компрессора эквивалентна форме осевой решетки с непрерывно связанными посредством бандажа кончиками, так что внутренние межлопастные проходы являются полностью замкнутыми.
[00186] Матрица 134 конформного вихрегенератора с концевыми элементами, которая представляет собой функциональный эквивалент матрицы 48 встроенного конформного вихрегенератора с концевыми элементами для турбины низкого давления, может быть использована в концах лопасти, обращенных к бандажам концевого уплотнения центробежного компрессора, несмотря на то, что секции лопатки являются очень тонкими, небольшие конформные вихрегенераторы могут работать эффективно на высоких скоростях и уменьшенных зазорах с высокими сдвиговыми силами. Тепловые нагрузки в центробежных компрессорах меньше чем в ступенях турбины, так что зазоры для теплового расширения кончиков могут быть уменьшены, и потери снижены.
[00187] Матрица 134 конформного вихрегенератора с концевыми элементами является наклонной для индуцирования вихревых струй на плотно согласованной поверхности бандажа для управления развитием ее пограничного слоя и потоков при скоростном прохождении лопасти, когда она охватывает поверхность бандажа. Ступенчатое углубление матрицы 134 конформного вихрегенератора с концевыми элементами может пересекать или не пересекать и прорезать переднюю кромку конца лопасти, и при конфигурации ступени, которая не врезана в переднюю кромку, присущий уплотняющий зазор между концом и бандажом поддерживается в передней кромке кончика заглублением конформного вихрегенератора ниже по ходу потока передней кромки в потоках локального зазора. Согласно чертежу крыльчатки компрессора, показанной на фиг. 7, нагнетающая поверхность лопасти находится справа от матрицы 134 конформного вихрегенератора, снабженного концевыми элементами, и всасывающая сторона находится слева от матрицы 134, так что эти струи концевого вихря конформного вихрегенератора протекают в распределенных местах вдоль концевой хорды влево и ниже по ходу потока в направлении от нагнетающей поверхности к засасывающей поверхности, причем в том же самом направлении нормальный концевой вихрь аэродинамической поверхности или поверхности корпуса возникает в задней кромке кончика корпуса, такого как концевое угловое соединение элементов 128 и 133. Применение увеличенного угла накапливающей массу ступени к некоторым из элементов матрицы 134 снабженного концевыми элементами конформного вихрегенератора (такого как, например, 60°) дополнительно обеспечивает возможность формирования большеобъемного образованного ступенью вихря, который указанными ступеням ограничен действовать в качестве препятствия для потоков потери энергии сквозь зазоры между концевым бандажом и элементами уплотнения, вызванных текучей средой нагнетающей поверхности.
[00188] Ограничивающая поверхность управления каналом концевого бандажа также может содержать матрицы конформных вихрегенераторов, встроенных в нее, например, в соответствии с радиальным или спиральным шаблоном, для управления потоками локального пограничного слоя под влиянием обхода лопасти, причем они могут быть использованы с матрицей 134 конформного вихрегенератора, снабженного концевыми элементами, или без нее, и могут быть сконфигурированы таким образом, что шаг этого конформного вихрегенератора не является синхронным с шагом лопасти для предотвращения возбуждения когерентных волн высокого давления или акустической сигнатуры. Для дополнительной способности прилипания потока наклонное дополнительное управляющее потоком инжекционное сопло 135 может быть добавлено после ступени конформного вихрегенератора для увеличения импульса в нижнем пограничном слое, и источник напорной текучей среды для этого собирается (и, возможно, охлаждается) и передается от выходного потока компрессора и системы воздухопроводов внутри оси крыльчатки в камеру повышенного давления в сердечнике крыльчатки, которая распределяет эти потоки текучей среды встроенным поверхность конформным вихрегенераторам, как требуется для сопла 135, поскольку потоки расположенной выше по течению поверхности крыльчатки находятся под пониженными давлениями. В корпусах компрессора и турбины это инжекционное сопло может распределять охлаждающую текучую среду, которая извлекается от охлаждаемого источника текучей среды под повышенным давлением. Примеры дополнительных пазов расширения ступени и/или направляющей среза ступени могут быть добавлены к крыльчатке, но не показаны в целях ясности чертежа.
[00189] Центробежный компрессор, в первом приближении, может быть реверсирован для работы, например, в качестве радиальной приточной центробежной турбины. В этом случае входной вращающий момент крыльчатки становится выходным, а всасывающая и нагнетающая поверхности меняются местами, и любые матрицы конформного вихрегенератора также могут быть заменены для обеспечения необходимых модификаций пограничного слоя и потока. В случае центробежной или радиально-осевой турбины примеры дополнительного управляющего потоком инжекционного сопла 135 могут быть использованы, например, для статорных и роторных лопаток турбины высокого давления для пленочного охлаждения поверхности, а также для улучшения прилипания потока.
[00190] Для имеющей закрытую форму крыльчатки концевой бандаж соединяет кончики всех лопастей для формирования закрытых проходов между лопастями, так что конформные вихрегенераторы могут быть использованы на всех этих внутренних обтекаемых поверхностях и лабиринтах концевого уплотнения и т.п. для управления пограничным слоем и отделением теми же самыми способами, уже описанными выше.
[00191] Установка встроенного конформного вихрегенератора на центробежных лопастях, крыльчатке и других обтекаемых поверхностях обеспечивает возможность увеличения углов поворота входного и выходного потоков для обеспечения возможности создания конструкций новых, более компактных и легких компрессора, турбины, насоса, турбокомпрессора и подобных машин для потока текучей среды, или могут быть использованы только для уменьшения потерь энергии засасывающей поверхности или потока текучей среды, потерь, связанных с вихрем Тейлора-Гёртлер и утолщением пограничного слоя на вогнутых поверхностях, в существующих конструкциях с механически совместимой, имеющей улучшенные характеристики размещаемой по месту сменной крыльчаткой.
[00192] Встроенный конформный вихрегенератор также пригоден для использования в насосах других центробежных или осецентробежных типов для перекачивания текучей среды, турбинах, воздушных винтах и компрессорах, таких как промышленные технологические газовые компрессоры (например, аммиачные холодильные установки или компрессоры для трубопроводов для природного газа), гидрореактивных двигателях и насосах или турбинах для воды или других жидкостей.
[00193] В турбокомпрессорах используют соединенный центробежный поточный компрессор и газотурбинные крыльчатки, а также, например, центробежную турбину, извлекающую энергию потока текучей среды и добавляющую эту энергию в поток текучей среды в центробежном компрессоре, и в центробежных устройствах обоих типов может быть использован встроенный конформный вихрегенератор регулируемый во всех отношениях для локальных условий потока как новый проект для повышения эффективности и улучшения работы.
[00194] Каркасы гондолы: гондола двигателя представляет собой пример, в общем, цилиндрического обтекаемого тела, прикрепленного к фюзеляжу или крылу посредством пилона, монтажного устройства или крепежной тяги с взаимными взаимодействиями потока текучей среды. Любые нежелательные тангаж и рыскание относительно приходящих потоков текучей среды на данном присоединенном обтекаемом теле могут генерировать значительные силы лобового сопротивления и турбулентные течения из-за срывов потока, например, на всасывающих поверхностях ниже по ходу потока. Гондолы двигателя встраивают во входной и выходной потоки текучей среды двигателя для обеспечения точных условий входа и выхода для замкнутого двигателя.
[00195] На фиг. 8 показан в общем цилиндрический корпус 140 гондолы, прикрепленный к корпусу 141 крыла крепежным пилоном 142. В качестве примера турбовентиляторного двигателя на чертеже показана решетка 143 лопастей вентилятора на входе гондолы после рассеивания воздуха в области передней кромки гондолы и входных секциях холодного воздуховода. Как показано на чертеже, в переднюю кромку гондолы встроена матрица 144 интегрированного конформного вихрегенератора для улучшения прилипания потока и уменьшения лобового сопротивления во внутреннем воздуховоде гондолы и на наружных поверхностях. Данная матрица 144 конформного вихрегенератора, встроенного в переднюю кромку, также может быть дополнена накладкой из согласующих и сменных элементов конформного вихрегенератора системы для защиты от эрозии, если в данном случае поверхностная эрозия и/или долговечность составляют проблему.
[00196] На чертеже показана дополнительная матрица 145 встроенного во входную часть вентилятора конформного вихрегенератора для улучшения подачи воздуха в кончики лопастей решетки вентилятора и уменьшения потребности в управлении активным всасыванием пограничного слоя на входном участке кончиков вентилятора. Подобные матрицы встроенного конформного вихрегенератора могут быть сконструированы в обеих поверхностях внутренней системы холодных воздухопроводов для устранения срывов потока на выпуклых и вогнутых поверхностях воздуховода и минимизации потерь аэродинамического сопротивления турбулентного пограничного слоя. Эти встроенные в воздухопровод конформные вихрегенераторы обеспечивают повышенную объемную кривизну поверхности воздуховода или укороченные воздуховоды и уменьшенный размер двигателя для новых конструкций. В таких увеличенных поверхностях может быть использована последовательность конформных вихрегенераторов с соответствующим разнесением, при котором струи концевых вихрей расширяются, прежде чем они разорвутся, или прежде чем потоки пограничного слоя начнут проявлять склонность к пузырям отрыва или чрезмерным потерям утолщения. Такой подход задает самое близкое целесообразное разнесение конформных вихрегенераторов, и разделения, определенные динамикой текучей среды. Поскольку новые конструкции самой современной гондолы являются формованными композитными структурами, матрицы встроенного конформного вихрегенератора могут быть включены непосредственно на этапе конструирования и изготовления для улучшения энергетической эффективности и функциональных возможностей.
[00197] В выходном сопле холодного воздуховода также может быть размещена матрица 146 выходного конформного вихрегенератора холодного воздуховода, в частности, на наружных и/или внутренних поверхностях перед локальной задней кромкой холодного воздуховода для улучшения смешивания потоков, шумовых сигнатур холодного выхлопа и выхода вентилятора, а также для снижения лобового сопротивления. В выходной горячей секции сопла подобная матрица 147 выходного конформного вихрегенератора, встроенного в горячий воздуховод, может быть встроена в наружные и/или внутренние поверхности воздуховода перед локальной задней кромкой и/или в защитный конус 148 для улучшения смешивания потока и разрушения завихрений, а также для улучшения выхлопной шумовой сигнатуры со снижением лобового сопротивления. Для прекращения интенсивного треска горячего выхлопа дополнительное имеющее небольшое лобовое сопротивление тонкое цилиндрическое кольцо (кольца) матрицы 149 разрушающего завихрения конформного вихрегенератора может быть добавлено в расширяющийся выходной поток, например, между защитным конусом 148 и задней кромкой горячей секции воздуховода для индуцирования вихревых струй в сгустки расширяющихся горячих выпускных завихрений для дестабилизации и разрушения завихрений, прежде чем они смогут передать большое количество акустического шума и ударных воздействий в переходные вихревые следы. Опорные стойки для этой матрицы 149 разрушающего завихрения конформного вихрегенератора и опорные стойки задней части турбины в потоках выходящих газов также могут содержать матрицы встроенного конформного вихрегенератора для добавления дополнительных вихревых струй для управления шумом выхлопа.
[00198] В крепежной стойке или пилоне 142 гондолы используются смешивающие поток обтекатели, переходящие в поддерживающие крыло и гондолу корпуса, причем они также могут содержать матрицу 150 конформного вихрегенератора, встроенного в переднюю кромку пилона, для улучшения потока и уменьшения лобового сопротивления потока, обтекающего поверхность (в основном, вертикальную) пилона. Крыло может содержать матрицу 151 конформного вихрегенератора, встроенного в переднюю кромку крыла, и вторичную матрицу 152 конформного вихрегенератора, встроенного в крыло (в частности, в нагнетающую поверхность).
[00199] В других конструкциях, прикрепленных посредством стоек или пилонов, также могут быть использованы конформные вихрегенераторы для управления срывами потока в полете и обтеканием закрытого для входящих потоков тела, такого, например, как топливный бак или контейнер для метеорадиолокатора, и т.п., а также передняя часть корпуса, которая представляет собой носовой кончик, подобный коку 153 крыльчатки вентилятора. Поскольку кок 153 вращается с результирующими наклонными входными воздушными потоками, в нем также может быть использована матрица наклонного конформного вихрегенератора. Носовые кончики могут иметь соответствующие носовые колпачки с соответственно наклонными конформными вихрегенераторами, или они могут быть сконструированы с матрицей встроенного носового конформного вихрегенератора для снижения аэродинамического сопротивления.
[00200] Эти присоединенные конструкции обтекаемого тела также являются эффективной формой закрытых (и/или с открытыми концам и) "вывернутых наизнанку" воздуховодов, с их первичными потоками текучей среды и потерями на "наружных" обтекаемых поверхностях. Согласно некоторым вариантам реализации для обтекаемого тела, имеющего заданную кинетическую и/или полную энергию, может потребоваться отделение или отстреливание для продолжения свободного полета как, например, суборбитальный космический корабль "Spaceship One", построенный компанией Virgin Galactic, отделяющийся от пусковой платформы, или обтекаемое тело, подобное снаряду. В этих случаях применение конформных вихрегенераторов также может улучшить энергетическую эффективность обтекаемого тела (т.е. диапазон) и динамические свойства потока текучей среды, например, прилипания и/или отделения потока, и перемещение, что также обеспечивают возможность достижения усовершенствованной траектории и/или стабильности пути.
[00201] Пути потока в воздуховоде: Большая часть поверхностей большинства устройств для обработки потока текучей среды, таких как реактивный двигатель, состоит из канализирующих поверхностей, направляющих потоки текучей среды в оптимальные местоположения конструкции в различных секциях и между ними для обработки потока текучей среды, причем указанные поверхности ограничены по углу поворота потока или направлению потока, которое они могут ввести, прежде чем будут индуцированы отделения потока текучей среды или утолщение пограничного слоя, вызывающие потери энергии. Эти воздуховоды или трубопроводы и даже наружные объемные поверхности представляют собой другие устройства для обработки потока, которые могут быть усовершенствованы с использованием встроенного конформного вихрегенератора. На фиг. 9а показан типичный воздуховод или трубопровод 160 для потока текучей среды, который является аналогом множества состояний в поверхностях, омываемых потоком текучей среды, примерах воздухопровода и трубопровода. Локальный вырез показывает шов 161 воздуховода на участке изменения направления потока, причем имеющий уменьшенный диаметр расположенный выше по течению потока воздуховод 165 содержит матрицу 162 внутреннего конформного вихрегенератора, встроенного в конструкцию воздуховода в конце задней кромки, который затем переходит в воздуховод 166 ниже по ходу потока в оптимальном месте, причем указанные воздуховоды соединены, например, обжимкой и пайкой или сваркой для уплотнения и завершения соединения усовершенствованных трубопровода или воздуховода. Описанная конструкция представляет собой один вариант реализации, обеспечивающий возможность построения перехода воздуховода или трубопровода, снабженного внутренней матрицей встроенного конформного вихрегенератора, причем указанный переход уменьшает срывы потока и аэродинамическое сопротивление выпуклых поверхностей расположенного ниже по ходу потока воздуховода или трубы, а также снижает лобовое сопротивление на вогнутых поверхностях, когда поверхности или воздуховоды меняют направление или диаметр, таким же образом, как и аэродинамическая поверхность или другие поверхности тела в невозмущенном потоке текучей среды, как описано выше. В зависимости от способа изготовления воздуховода или трубы, материала, диаметров, толщины стенок и геометрической формы сечения любое количество этапов, например, штамповки, ковки, формования и механической обработки могут быть использованы для встраивания матрицы конформного вихрегенератора в оптимальном месте на внутренних поверхностях или наружных поверхностях, если поток текучей среды протекает за пределами поверхности тела.
[00202] На фиг. 9b показана матрица 182 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку для воздуховода, которая может быть вмонтирована в прямую секцию воздуховода с постоянным поперечным сечением или трубопровода с незначительно увеличенным диаметром и затем обжата или иным способом закреплена в наилучшем положении с кончиками 183 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку для воздуховода, обращенными по ходу потока текучей среды. В этом случае вход вставки 184 имеет очень тонкий и острый край для минимизации возмущения входного потока, и входная поверхность 185 вставки имеет очень небольшой угол входа, обращенный назад к точке 186 толщины ступени. Эта длинная имеющая низкий угол сходимость воздуховода обеспечивает минимальные изменение и возмущение потока прежде, чем он достигнет конформной секции воздуховода с правильной высотой ступени в точке 186 толщины ступени перед входом в ступени конформного вихрегенератора. Дополнительная прорезь 187 вставки для воздуховода может быть использована для облегчения введения немного сжатой матрицы 182 конформного вихрегенератора в воздуховод с ее последующим расширением и фиксированием на месте, или с использованием способа крепления для фиксации данного устройства на месте. Направленный по потоку зазор в матрице является допустимым и имеет минимальные характеристики воздействия. Следует отметить, что между точкой 186 толщины ступени и кончиком 183 поток стабилизируется как параллельный средней поверхности воздуховода и таким образом, что когда пересечение ступеней конформного вихрегенератора имеет оптимальный поверхностный вектор для получения наилучших действий срезания потока и реэнергизации пограничного слоя ниже по ходу потока. Ключевой признак этих матриц встроенного в воздуховод конформного вихрегенератора состоит в том, что они работают непрерывно поперек целых потоков пограничного слоя у поверхности воздуховода, которые они пересекают, а также в том, что отсутствует немодифицированный пограничный слой между максимальными протяженностями поперечного обтекания имеющей V-образную форму матрицы конформного вихрегенератора, между поперечными сечениями входной и выходной плоскостей потока текучей среды, включая случай, когда матрица ограничивает весь периметр воздуховода. В менее оптимальном случае, в котором матрица конформного вихрегенератора не имеет обтекаемой полости для секции ступени постоянной высоты (нейтрализующей изначальное преимущество), эта неразрывность функции модифицирования пограничного слоя поперечного потока отличает матрицы модифицированного конформного вихрегенератора этих типов от группы известных дискретных вихревых генераторов. Использование прорези 187 вставки для воздуховода также обеспечивает возможность альтернативного изготовления матрицы 182 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку для воздуховода, по существу, в форме спирали с углами пересечения конформного вихрегенератора, модифицированными для спирального угла таким образом, чтобы пересекать потоки пограничного слоя вдоль стенок воздуховода под оптимальными углами. Если спираль содержит больше одного витка, происходит понижение эффективности в зависимости от скорости затухания расположенных выше по течению потока вихревых струй прежде, чем они столкнутся со следующими имеющими V-образную форму ступенями конформного вихрегенератора, расположенного ниже по ходу потока. Это означает, что применение последовательности матриц 182 конформного вихрегенератора, встроенного во вставку воздуховода, в направлении потока требует, чтобы эти матрицы были оптимально разнесены друг от друга для получения наилучших результатов.
[00203] Применение конформных вихрегенераторов во внутренних поверхностях трубопроводов и воздуховодов также может быть осуществлено напылением или формованием покрывающих материалов, которые могут быть применены или нанесены в форме пленки на пластично изогнутые, механически обработанные или отшлифованные до достижения правильных геометрических форм поверхности. Эти покрытия могут быть нанесены несколькими слоями и также могут быть снабжены механической и коррозионно/химической защитой нижележащих поверхностей воздуховода или трубопровода.
[00204] Другой вариант управления потоком состоит в известном использовании внутренней поворачивающей поток лопасти 163 в переходах потока воздуховода, которая обеспечивает возможность введения посредством воздухопровода увеличенного поворота потока, но эти конструкции вносят аэродинамическое сопротивление, поскольку они действуют подобно решетке аэродинамических поверхностей для изменения направления потоков текучей среды. Поворачивающая поток матрица 164 встроенного в лопасть конформного вихрегенератора может быть встроена во всасывающую и/или нагнетающую поверхности поворачивающей поток лопасти 163 для снижения аэродинамического сопротивления и обеспечения возможности увеличения углов поворота воздуховода или трубопровода до срыва потока, а также для обеспечения возможности создания новых конструкций, например, трубопровода, воздуховода или S-образного канала с более компактными геометрическими формами и/или сниженными потерями энергии.
[00205] На поверхностях увеличенных воздуховодов и переходов, от которых также может потребоваться жаропрочность, может быть нанесен чеканкой плиточный рисунок, например, из треугольников, прямоугольников, шестиугольников или других многоугольников, которые укрепляют и повышают прочность и механическую эффективность охлажденного компонента канализирующей панели и обеспечивают возможность интеграции конформных вихрегенераторов и варианта добавления прочно удерживаемого и нерастрескивающегося теплоизолирующего покрытия. На фиг. 10а показано поперечное сечение стенного воздуховода, который имеет выполненный штамповкой или теснением рельеф из взаимосвязанных шестиугольных ячеек, которые дополнительно могут иметь функциональность ступеней встроенного конформного вихрегенератора. Ниже по ходу потока гладкая поверхность воздуховода 170 (на противоположной поверхности, как показано на фиг. 10а), которая контактирует с потоками текучей среды, расположена влево и внизу (ниже по ходу потока) матрицы ступени 172 рельефного конформного вихрегенератора. Тиснение первоначально поднимает вертикальные стенки 173 с существенным радиусом 171 поддерживающего стенку корневого соединения (с радиусом, который обеспечивает больше чем прямой угол и равен высоте стенки), который создает взаимосвязанную матрицу стрингерных секций, отличающихся увеличенными моментами инерции и самым низким центром напряжения (что наглядно отличается от острых радиусов прямоугольных соединений стенок с основанием, описанных у Lutjen '342) и улучшенной прочностью и жароустойчивостью для удаления тепловых потоков из расположенного выше по течению потока внутреннего настила 174 и внутреннего настила 175, расположенного ниже по ходу потока. Вершины вертикальных стенок 173 также могут быть дополнительно деформированы для закатывания острых краев стенок в губу и увеличения прочности края и сопротивления повреждению при обработке. Охлаждающий воздух может протекать сквозь края вертикальных стенок 173 для удаления тепла с хорошей теплопроводностью и рассеивания вниз к поверхностям стенок и внутреннего настила ниже. В зависимости от используемого сплава, для минимизации разрушения материала из-за формирования напряжений лучше применять это тиснение или эффективный способ штамповки при температурах пластичности металла (предпочтительно в вакууме), что также обеспечивает возможность точного регулирования распределения температуры в материале, окисления поверхности и минимальной силы пресса при сжатии/тиснении. Указанные матрицы и ступени поверхности также могут быть созданы с использованием других способов, например, литья по выплавляемым моделям, взрывной/гидравлической штамповки, и т.п.
[00206] Изготовление этой усовершенствованной секции панели воздуховода, показанной на фиг. 10а, также обеспечивает возможность интеграции теплоизолирующего покрытия в негладкие лицевые стороны. На фиг. 10b показана рельефная расположенная выше по течению потока область 176 панели воздуховода с закрывающим расположенным выше по течению потока слоем 177 теплоизолирующего покрытия, обращенным к потоку горячей текучей среды, который входит в матрицу 178 конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, и затем вниз к слою 179 теплоизолирующего покрытия ниже по ходу потока закрывающей панели 180 воздуховода, расположенного ниже по ходу потока. Следует отметить, что поток горячей текучей среды протекает вдоль стороны теплоизолирующего покрытия в этом расположении, и является противоположным стороне и направлению потока сформированной подобным образом части, показанной на фиг. 10а. В данном варианте реализации используется преимущество, например, гексагональной матрицы и формованных вершин вертикальных стенок 173 для надежного удерживания подсекций теплоизолирующего покрытия, таких как замкнутый элемент 181 теплоизолирующего покрытия. Слой теплоизолирующего покрытия может быть выполнен любым из известных способов применения теплоизолирующего покрытия, материалов и взаимных перекрытий. Растрескиванием более тонких секций теплоизолирующего покрытия между удерживаемыми замкнутыми элементами 181 теплоизолирующего покрытия можно управлять температурой применения теплоизолирующего покрытия на металлической подложке. Такая конструкция предварительно устанавливает механические напряжения из-за отличающихся коэффициентов теплового расширения между подложкой и интегрированными вертикальными стенками 173 и субсекциями теплоизолирующего покрытия или ламеллами. Они могут быть установлены между рабочей температурой или холодными состояниями для блокирования растрескивания теплоизолирующего покрытия или обеспечения возможности однородного разделения покрытия на замкнутые элементы 181 теплоизолирующего покрытия. После этого теплоизолирующее покрытие, покрывающее область ступени, может быть механически обработано или отшлифовано для создания улучшенных краев ступеней материала теплоизолирующего покрытия для матрицы 178 конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, причем остальная часть поверхности теплоизолирующего покрытия также может быть обработана для достижения однородности поверхности.
[00207] Наклонное дополнительное сопло 189 потока воздуховода может быть расположено ниже по ходу потока ступенчатой матрицы 178 конформного вихрегенератора, встроенного в теплоизолирующее покрытие, или ступенчатой матрицы 172 тисненного конформного вихрегенератора, и это сопло (или матрица сопел) может провести в поток текучей среды средство для образования пленочного охлаждения поверхности, и/или провести поток, дополнительно повышающий энергию пограничного слоя из нагнетающего источника потока текучей среды под областью ступени, как описано, например, для аэродинамической поверхности статора турбины низкого давления, поскольку эта поверхность является неподвижной. К поверхностям воздуховода в ступенях конформного вихрегенератора могут быть добавлены дополнительные пазы расширения после ступени и/или ступенчатой срезающей направляющей, но они не показаны в целях ясности чертежа.
[00208] На фиг. 10а и 10b показана по существу плоская панель, но этот способ также может быть применен к матрицам поверхности и ступеням с объемными искривлениями для применения в секциях канализирующей поверхности любой конфигурации. В данных гексагональных особенностях могут быть использованы наилучшие углы потока конформного вихрегенератора, например, приблизительно 22° на краях ниже по ходу потока, и для уменьшенных секций теплоизолирующего покрытия может использоваться треугольная или ромбическая формы, но это приводит к повышенному отношению массы металла в стенках к массе металла в секциях настила. Толщина типичных секций воздуховода может составлять от примерно 0,5 мм до 3 мм, но это не является ограничивающим условием, в зависимости от рабочих давлений и т.п., причем стенка, настил, тип и размеры полигональности, а также толщины теплоизолирующего покрытия могут быть выбраны в соответствии с требованиями к конструкции.
[00209] В охлажденных лопатках турбины могут быть использованы данные полигональные удерживающие особенности для прикрепления теплоизолирующего покрытия к поверхности передней кромки, выдерживающие высокую инерциальную нагрузку, и в данном примере, если для охлаждения передней кромки требуется размещение фонтанной головки, в нее можно проникнуть после нанесения теплоизолирующего покрытия и механической обработки ступени, и т.п. Охлаждение расположенных после ступени поверхностей, не имеющих теплоизолирующего покрытия, может быть осуществлено посредством охлаждающих потоков, введенных, например, элементами инжекционного канала 95 для текучей среды из заднего наклонного сопла, а также посредством внутреннего охлаждением обшивки лопатки и охлаждающих прорезей задней кромки.
[00210] Трубы трубопроводов, тюбинг общего использования, сопла и т.п., могут включать соответственно разнесенные конформные вихрегенераторы или могут быть оснащены такими вихрегенераторами для уменьшения аэродинамического сопротивления поверхности и повышения энергоотдачи. Для спирально-сварной или цельнокатаной трубы рельефные или механически обработанные внутренние конформные вихрегенераторы могут быть легко встроены с использованием любого подходящего способа изготовления перед формированием спирали и сваркой. Следует отметить, что важным является то, что разнесение между конформными вихрегенераторами должно быть достаточно большим, так чтобы могла происходить реламинаризация, и концевые вихри могли расширяться, в противном случае результатом станет нежелательное увеличение аэродинамического сопротивления, подобно известному турбулизатору или традиционной матрице вихревого генератора.
[00211] Конформная вихревая камера сгорания: На фиг. 11а показано в наклонном частичном разрезе общее расположение подсегмента кольцевой компактной и эффективной конформной вихревой камеры сгорания или конструкции газогенератора, в которой использован встроенный конформный вихрегенератор для обеспечения усовершенствованной конструкции. Камеры сгорания могут иметь производительность компрессора, используемого в качестве окислителя для сжигания топлива, введенного в управляемую экзотермическую реакцию, для генерирования тепла и/или создания ускоренного потока текучей среды, из которого может быть извлечена работа.
[00212] Наружная несущая стенка 200 корпуса камеры сгорания соединена с корпусом компрессора высокого давления посредством входного сопрягающего устройства 201 (соединяющего с компрессором высокого давления наружную и внутреннюю стенки), и также соединена с корпусом турбины высокого давления выходным сопрягающим устройством 202 для поддерживания надежности высокого давления, поскольку камера сгорания обычно является областью самого высокого давления в устройстве. Входная направляющая лопасть 203 камеры сгорания и выходная направляющая лопасть 204 камеры сгорания создают периферийную непрерывность этого подсегмента камеры сгорания в полной матрице и объеме камеры сгорания. Эти направляющие лопасти 203 и 204 камеры сгорания могут быть дополнительно наклонены по отношению к осевым потокам и скручены и могут использоваться в качестве части статорных конструкций для рассеивания и де-турбулизации выходного потока компрессора высокого давления (с использованием лопасти 203) и/или также для определения выходных углов потока камеры сгорания в радиальном размере, и, таким образом, эффективно действовать в качестве компактной встроенной входной статорной лопатки для турбины высокого давления (с использованием лопасти 204) с достаточными охлажденными лопастями для обеспечения возможности проектирования оптимальных углов выходного потока непосредственно в турбину высокого давления первая роторной решетки.
[00213] Входная масса потока текучей среды подается в камеру сгорания со скоростью и температурой, заданными компрессором высокого давления (и возможно его выходными изменяющими направление лопатками) сквозь отверстие Е и затем рассеивается и замедляется отклоняющими поверхностями входного устройства камеры сгорания, и затем разделяется на три потока, протекающие в верхнее обходное отверстие F, нижнее обходное отверстие Н и работающее на обогащенной смеси отверстие G камеры сгорания. Матрица 205 конформного вихрегенератора, встроенного во входное устройство камеры сгорания, добавлена вдоль внутреннего периметра входного отверстия Е в этой точке расширяющего рассеивающего входа для гашения срывов потока воздуховода, снижения аэродинамического сопротивления и обеспечения возможности создания более эффективной в отношении потока и/или более компактной конструкции для входного потока, причем указанная матрица также может быть применима к воздуховодным поверхностям известной камеры сгорания.
[00214] Расчетная доля массового потока в отверстии G протекает между нижней снабженной конформным вихрегенератором направляющей 213 камеры сгорания и верхней снабженной конформным вихрегенератором направляющей 225 камеры сгорания, где топливо вводится в ступень, и вихревые струи вытекают из матрицы 207 конформного вихрегенератора, встроенного в нижний (и верхний) смеситель камеры сгорания, и эта обогащенная топливная смесь дополнительно замедляется до скорости фронта горения в рассеивающей области ниже по ходу потока отверстия I, где начинается исходное сгорание обогащенной смеси. Затем фронт горения обогащенной смеси после истечения заданного времени переходит в отверстие J для сгорания обедненной смеси, где добавляется дополнительный воздух обходного контура, и сгорание плавно заканчивается непосредственно во второй ступени сгорания обедненной смеси, которая затем завершает окисление топлива с генерацией имеющих пониженное содержание азота окисей. Окончательное сгорание/окисление топлива заканчивается в момент перехода к выходному отверстию K рядом с выходным сопрягающим устройством 202.
[00215] На выходе из отверстия I, в частности, на задних кромках снабженных конформными вихрегенераторами направляющих 213 и 225 камеры сгорания, матрицы верхних и нижних стабилизирующих горение триммеров 216 захватывают и удерживают распространенные вдоль ширины направляющей вихри горящего топлива на передней и задней поверхностях этих триммеров. Распределенный вдоль ширины направляющей выходные вихри, созданные стабилизирующими горение триммерами 216, также действуют подобно изменяющим эффективную подъемную силу и аэродинамическое сопротивление триммерам Герни для дополнительного увеличения скоса потока в нижнем направлении от задней кромки и облегчения смешивания воздуха из отверстий обходных воздуховодов F и Н в полости отверстия J для сжигания обедненной смеси. Также между триммерами добавлены зазоры 215 для группирования доли направленных вдоль хорды вихревых струй после сгорания обогащенной смеси, выходящих в отверстие J, для смешивания с воздухом второго контура и завершения цикла непрерывного горения обедненной смеси. Как и в случае увеличивающего подъемную силу триммера (LET) турбины низкого давления и лопасти вентилятора, эти стабилизирующие горение триммеры 216 могут быть наклонными и расположенными иным способом кроме перпендикулярного относительно потока текучей среды.
[00216] Если скорость потока текучей среды увеличится на входе камеры сгорания (и, следовательно, в области отверстия I), исходный фронт горения обогащенной смеси отступит назад в область отверстия I, пока рассеивание воздуховода не сбалансирует локальную скорость текучей среды для согласования скорости распространения пламени в данных физических условиях. Это задает минимальное рассеивание (искривление поверхности) требующееся для секции задней части отверстия I для обеспечения устойчивости горения, и при максимальных скоростях потока фронт горения должен находиться перед стабилизирующими горение триммерами 216 и выход задней кромки. Отношение размеров отверстий Е, G и I эффективно управляет скоростью топливной смеси в объеме горения обогащенной смеси, как описано выше в отношении выходной скорости компрессора высокого давления. Отношение отверстий F и Н к G управляет объемом потока для сжигания обогащенной смеси, направления обходным путем, охлаждения и сжигания обедненной воздушной смеси в камере сгорания. Поперечные вихревые струи на передней и задней поверхностях механически прочных стабилизирующих горение триммеров 216 также действуют как очень устойчивый и защищенный от возмущений потока резервный источник воспламенения, когда отключены элементы матрицы 227 воспламенителя. Поскольку объем горения обогащенной смеси генерирует большое количество тепла на локальных обтекаемых поверхностях и стабилизирующих горение триммерах 216 и задней кромке, верхний снабженный конформным вихрегенератором охлаждающий проточный тракт 226 и нижний снабженный конформным вихрегенератором охлаждающий проточный тракт 212 добавлены в соседствующие друг с другом верхний снабженный конформным вихрегенератором корпус 224 воздуховода и нижний снабженный конформным вихрегенератором корпус 214 воздуховода соответственно. Поток охлаждающей текучей среды в указанных верхнем и нижнем снабженных конформным вихрегенератором охлаждающих каналах сконфигурирован, например, нижним охлаждающим входным отверстием 221, ограниченным нижней направляющей 213 камеры сгорания и нижним снабженным конформным вихрегенератором корпусом 214 воздуховода. Выходной охлаждающий воздух из указанных снабженных конформным вихрегенератором охлаждающих проточных трактов 226 и 212 направлен в массовые потоки в отверстии J. Эти охлаждающие каналы встроены в корпуса направляющих снабженных конформным вихрегенератором камер сгорания, поскольку они являются более толстыми управляющими потоком аэродинамическими поверхностями в системе воздухопроводов камеры сгорания, но если эти направляющие аэродинамические поверхности являются достаточно тонкими, и охлаждение является достаточным, наружная обтекаемая потоком поверхность направляющей сможет охлаждать эти аэродинамические поверхности без необходимости использования внутренних охлаждающих каналов. Следует отметить, что вариант реализации камеры сгорания, в качестве примера показанный на фиг. 11а, в общем является симметричным относительно своей средней плоскости, так что позиционные номера, обозначающие спаренные элементы, в некоторых случаях опущены для ясности чертежа, но фактически присутствуют неявно в соответствии с симметричной конструкцией данного конкретного варианта реализации.
[00217] Большая часть энерговыделения в камере сгорания происходит в потоках текучей среды в объеме, ограниченном отверстием J, при завершении обедненного сгорания топлива, так что охлаждающая поверхность 217 нижней стенки и охлаждающая поверхность 220 верхней стенки добавлены для экранирования наружных работающих под давлением поверхностей камеры сгорания от этого интенсивного тепла, причем указанные конструкции пересекают часть текучей среды в воздуховодах F и Н в качестве носителей пленочного охлаждения. Для защиты поверхностей выходных направляющих лопаток 204 с обеих сторон камеры сгорания добавлены экраны, подобные боковой охлаждающей поверхности 219, которые также пересекают приходящую текучую среду в воздуховодах F и Н (из области перед корпусом снабженной конформными вихрегенераторами камеры сгорания) в качестве носителя пленочного охлаждения. На охлаждающих поверхностях 217, 220 и поверхностях элементов 219 может быть использовано известное теплоизолирующее покрытие, обращенное к объему, ограниченному отверстием J, или указанное покрытие может быть изготовлено в форме панели из керамикоматричного композита (CMC) для уменьшения тепловых потоков и повреждения, вызванного окислением, в которой дополнительно могут быть использованы уменьшающие аэродинамическое сопротивление матрицы конформного вихрегенератора, подобные матрице 218 нижней охлаждающей поверхности, снабженной конформным вихрегенератором, на обеих поверхностях для снижения аэродинамического сопротивления. Известное теплоизолирующее покрытие также может быть нанесено, например, поверх части поверхностей направляющих 213 и 225 камеры сгорания для снижения местных тепловых потоков, направленных к поверхностям камеры сгорания, и затем эта энергия может быть доступна на выходе камеры сгорания для передачи в секцию турбины высокого давления для совершения полезной работы. Концепции потока в канале, проиллюстрированные на фиг. 9а, 9b, 10а и 10b, также дополнительно могут быть использованы для усовершенствования любой из поверхностей в данной камере сгорания для улучшения потоков и уменьшения лобового сопротивления.
[00218] Запальная топливная камера 208 повышенного давления и первичная топливная камера 211 повышенного давления питаются упорядоченными потоками отфильтрованного топлива и имеют отдельное наклонное запальное топливное сопло 209 и первичное топливное сопло 210, которые проводят потоки топлива в ступенчатые области матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя. Поток запального топливного сопла 209 является уменьшенным и может быть введен ближе к точке минимума конформного вихрегенератора для надежной дестабилизации и распыления частиц жидкого топлива посредством интенсивных струй образованного ступенькой вихря, преодолевающих вязкость топлива и силы сцепления, и затем часть этой обогащенной топливной смеси подается в вихри, образованные кончиками конформного вихрегенератора, и назад в область, в которой уменьшение скорости вниз по ходу потока до скорости распространения пламени обеспечивает возможность воспламенения. Таким образом, возможна высокая скорость потока текучей среды в ступенчатых областях матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя, которые обеспечивают высокую интенсивность смешивания вихря и задерживают первоначальное сгорание в отверстии I. Если требуется более высокая выходная энергия, давление в первичной топливной камере 211 повышенного давления подобным образом выталкивает топливо сквозь первичное топливное сопло 210 в ступенчатые области матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя. В этом примере показано, что наклонное первичное топливное сопло 210 расположено наиболее близко к областям кончика конформного вихрегенератора и вводит или распыляет порцию топлива в самые высокие вихревые струи для его воспламенения. Использование двух и большего количества топливных инжекционных матриц, а также упорядочение и изменение расхода топлива при необходимости обеспечивают возможность улучшенного регулирования потоков топлива в соответствии с изменяющимися рабочими нагрузками или требующимся количеством экзотермически выработанного тепла. Фактические сопла могут иметь другие конфигурации: размеры, геометрическую форму и варианты реализации, и могут быть размещены в различных местах, которые позволяют извлекать преимущество усовершенствованной, имеющей небольшое лобовое сопротивление топливной инжекции и смешивания путем использования вихрей, возбужденных матрицами встроенного конформного вихрегенератора. Матрицы конформного вихрегенератора обеспечивают путь с небольшим лобовым сопротивлением для добавления множества комбинированных имеющих уменьшенный размер сопел для потока топлива с интенсивным смешиванием и измельчением жидких частиц. В данной камере сгорания также могут использоваться топливные газы, такие как природный газ (метан) или водород и т.п., в которых завихрение не разбивает связанные капели жидкости, но обеспечивает наилучшее входное смешивание текучей среды/топлива. Энергия испарения потока жидкого топлива может быть использована для уравновешивания рабочего охлаждения, например, ступеней матрицы 207 снабженного конформным вихрегенератором смесителя, топливных камер повышенного давления, сопел и соседних с ними области, и может быть повышена путем усовершенствования способов изготовления, материалов и конструкции для управления или разделения проводимости теплового потока вниз по ходу потока и т.п.
[00219] На фиг. 11b показан в разрезе пример сборочного узла расположенных по ходу потока корпусов 213, 225, 216 и т.п., в форме, например, керамической вставки, керамической хвостовой части 228 с дополнительной матрицей 229 снабженного конформным вихрегенератором сопрягающего устройства, встроенной в переходную часть корпуса после топливных сопел, для уменьшения передачи тепла в топливные камеры повышенного давления, или эта расположенная ниже по ходу потока часть, обращенная к отверстию I, может иметь металлическое покрытие с теплоизолирующим слоем и т.п., для снижения передачи тепла через согласующую поверхность матрицы 229 встроенного в сопрягающее устройство конформного вихрегенератора. Присоединенная керамическая хвостовая часть 228, расположенная позади модифицированных аэродинамических поверхностей 213 и 225, поддерживающая потоки в каналах отверстий F и Н и отверстия I горения обогащенной смеси, обеспечивает возможность упрощения конструкции за счет устранения потребности в охлаждающих проточных трактах 226 и 212, снабженных конформным вихрегенератором, и т.п. Токопроводящие элементы для матрицы 227 воспламенителя могут быть встроены или проложены в керамической изоляции или корпусе из керамикоматричного композита, или в отверстиях, ведущих от основной полости, например, из жаропрочного металла, подобного вольфраму, с искровым разрядником к второму проводнику или секции охлажденной стенки, в результате чего может быть создана конструкция, которая может выдерживать очень высокие температуры сгорания. Дополнительное наклонное инжекционное сопло 230 камеры сгорания показано расположенным в ступени конформного вихрегенератора матрицы 229 снабженного конформным вихрегенератором сопрягающего устройства верхней или наружной поверхности керамической хвостовой части 228. Поскольку давление в отверстии F/H и отверстии I может быть изменено и сбалансировано относительно входного давления в отверстии Е, может быть осуществлено введение входного отобранного воздуха и охлаждение текучей среды из расположенного выше по течению потока для небольшого нагнетания в области сердечника керамической хвостовой части 228 и последующее отклонение этого охлаждающего потока через инжекционное сопло 230 камеры сгорания также для повышения импульса пограничного слоя потоков текучей среды на боковой стороне отверстия Н и/или отверстия I керамической хвостовой части 228. Примеры инжекционного сопла 230 камеры сгорания также могут быть применены к входной матрице 222 снабженной конформным вихрегенератором наружной поверхности воздуховода и матрице 223 снабженной конформным вихрегенератором внутренней поверхности воздуховода. Дополнительные пазы расширения после ступени и/или ступенчатая срезающая направляющая могут быть добавлены к керамической хвостовой части 228, но не показаны на чертеже для ясности.
[00220] Показанные на фиг. 11b версии модифицированных аэродинамических поверхностей 213 и 225 выполнены в форме тонкостенных отливок и топливных камер повышенного давления, причем эти компоненты могут быть сплошными или могут быть выполнены с использованием любой комбинации способов изготовления для обеспечения правильной геометрии потоков. Дополнительная матрица 229 встроенного в сопрягающее устройств конформного вихрегенератора может иметь свое смещение точек минимума и кончиков или различный шаг в направлении от матрицы 207 конформного вихрегенератора, встроенного в смеситель, для улучшения смешивания топлива. Давлением инжекции топлива управляют для обеспечения соответствующих режимов струйных потоков при необходимой рабочей нагрузке, чтобы давление входящего жидкого топлива любых типов не падало ниже его давления пара до выпуска топлива из сопел таким образом, чтобы паровая пробка не блокировала потоки топлива.
[00221] Для других поверхностей камеры сгорания могут быть использованы другие предпочтительные варианты реализации матриц конформного вихрегенератора, обеспечивающие уменьшение аэродинамического сопротивления камеры сгорания, и матрица 207 конформного вихрегенератора, встроенного в смеситель, показана как явно более высокая ступенчатая конструкция, поскольку она прежде всего используется для надежного достаточного смешивания топлива и образования соответствующей вихревой турбулентности, и выполняет вспомогательную функцию уменьшения аэродинамического сопротивления. Матрица 206 конформного вихрегенератора, встроенного в среднюю часть поверхности, и матрица 222 входного конформного вихрегенератора, встроенного в наружную поверхность воздуховода, и матрица 223 конформного вихрегенератора, встроенного во внутреннюю поверхность воздуховода, расположенные на верхней и нижней поверхностях соответственно, также дополнительно добавлены для уменьшения общего аэродинамического сопротивления поверхности от обтекаемых поверхностей и обеспечения более широкого диапазона значений числа Рейнольдса без индуцирования потери от срыва потока в камере сгорания и на канализирующих поверхностях.
[00222] Могут быть использованы больше чем одна пара направляющих 213 и 225 камеры сгорания, или может быть использована одиночная направляющая 213 камеры сгорания (возможно с керамической хвостовой частью 228), выполненная с возможностью улучшения потоков внутри одиночной камеры сгорания, ограниченной несущей стенкой 200 камеры сгорания, определяющей геометрическую форму конструкции и т.п. Основная конструкция может быть модифицирована по существу от конструкции плоского подсегмента с постоянным радиусом (от осей вала двигателя), как показано на фиг. 11а, до конструкции с направляющими 213 и 225/228 камеры сгорания, сливающимися в круглую симметричную структуру (подобную трубка Вентури), если этот вариант реализации более эффективен для доступных объемов конструкции. Направляющие 213 и 225 камеры сгорания также могут быть сконфигурированы радиально для эффективного использования матрицы 207 конформного вихрегенератора, встроенного в смеситель, выровненной в радиальном направлении, и могут действовать подобно комбинациям входных лопастей статора турбины высокого давления с встроенными топливными инжекционными отверстиями и камерами сгорания. Примеры конструкции камеры сгорания, снабженной конформным вихрегенератором, могут быть легко модифицированы для других типов потока, таких как складчатые и реверсирующие проточные тракты и пути камеры сгорания, как, например, в описанной в Allison '250 турбине PW300 и в других имеющих уменьшенные размеры турбинах.
[00223] Также можно использовать данную стратегию смешивания вихревого потока конформного вихрегенератора для улучшения потока и смешивающих сопрягающих устройств и воздухопроводов/трубопроводов в камерах сгорания других типов, таких, например, как жидкотопливная и окисляющая камеры сгорания, и для питания центробежных турбонасосов (с дополнительными встроенными в крыльчатку конформными вихрегенераторами) для случаев применения, таких как водородная/жидко-кислородная ракета или двигатель малой тяги, в которых некоторые из рабочих текучих сред возможно находятся в криогенном состоянии перед точкой воспламенения фронта горения и требуют тщательного смешивания при высоких скоростях перед воспламенением и расширением через выпускное сопло для генерировании тяги. Камеры сгорания этого типа могут представлять собой смеситель пластинчатой конструкции с отверстиями для инжекции потока и могут содержать конформные вихрегенераторы, встроенные в их периметры, для создания вихревых выходных струй для повышения стабильности сгорания и смешивания при дросселировании или изменении потоков топлива.
2
[00224] Другой вариант реализации представляет собой твердотопливную камеру сгорания, в которой топливо прикреплено внутри защитной оболочки, работающей под давлением, или (фактически) полузакрытую конструкцию воздуховода/трубопровода. Сгорание развивается с использованием окислителя, целиком смешанного с твердым топливом, или с использованием введенного потока окислителя (подобно двигателю Rutan/Virgin Galactic с использованием N0), и энергетические продукты сгорания (фактически, входной поток текучей среды, который должен быть обработан), проходят сквозь выходное сопло для создания тяги. Стенки защитной оболочки/воздуховода и/или сопла могут быть обработаны как в предыдущих вариантах реализации встроенного в воздуховод конформного вихрегенератора, показанных на фиг. 10, для использования конформных вихрегенераторов для создания поверхностного сопрягающего устройства для выходного потока с небольшим лобовым сопротивлением, проявляющимся при потреблении топлива, и может быть встроено теплоизолирующее покрытие наряду с дополнительными охлаждающими соплами, как, например, в лопатке турбины высокого давления. Потери, связанные с поверхностным аэродинамическим сопротивлением и ударными нагрузками на обтекаемых поверхностях традиционного конического / колоколообразного выхлопного сопла или коммерчески доступного выхлопного сопла типа Aerospike, могут быть уменьшены за счет улучшения и/или модифицирования указанных поверхностей с использованием конформных вихрегенераторов, приспособленных для этой цели. Конформные вихрегенераторы также могут быть использованы в смешивающей камере для самовоспламеняющегося топлива, которая действует подобно камере сгорания, или они могут быть использованы в присоединенных соплах.
[00225] Линии подачи топлива, насосы, воспламенители и другие вспомогательные системы и т.п., не показаны на чертежах, поскольку они в основном являются стандартными и соответствуют общей форме и функциям уровня техники. На фиг. 11а и 11b в разрезе показаны без соблюдения масштаба разделение и соотношения потока текучей среды в отверстиях, время транспортировки текучей среды, размеры компонентов и изделий и их расположение, которые в случае необходимости могут быть модифицированы в широких пределах для соответствия требованиям к конструкции в отношении рабочей среды и видов топлива и т.п., на основе фундаментального понятия об использовании снижающего аэродинамическое сопротивление встроенного конформного вихрегенератора для общего уменьшения аэродинамического сопротивления, улучшения распыления топлива и смешивания в компактной камере сгорания, имеющей высокие характеристики, низкую эмиссию и низкое энергопотребление. Показанные на фиг. 11а и 11b общие размеры, например, камеры сгорания CFM-56 или сегмента, могут быть масштабированы с увеличением или уменьшением размеров и длины, и т.п., в соответствии с требованиями конкретного случая применения газогенератора. Если полная внутренняя площадь поверхности новой конформной вихревой камеры сгорания сконфигурирована подобно известной камере сгорания, эта новая конструкция обеспечивает возможность существенного абсолютного уменьшения аэродинамического сопротивления и потерь по сравнению с известной конструкцией и возможность конструирования пути воздуховода и секций аэродинамической поверхности для точных расхождения/рассеивания и скоростей потока для обеспечения надежного сгорания.
[00226] Эти неожиданно оказавшиеся разнообразными диапазоны типов высокотемпературных и/или высокопрочных вариантов реализации, описанных в настоящей заявке, для улучшения потоков текучей среды в устройствах и повышения энергетической эффективности являются неожиданным результатом и фактической возможностью применения встроенного конформного вихрегенератора, что просто не целесообразно или невозможно с использованием традиционного известного вихревого генератора. Во всех описанных выше вариантах реализации и модификациях в их самом фундаментальном общем смысле используется новый конформный вихрегенератор для обработки или управления потоками ньютоновской текучей среды для получения уровня преимуществ, таких как усовершенствованная энергетическая эффективность и/или расширенные диапазоны регулирования, невозможные в уровне техники.
[00227] Таким образом, не смотря на то, что раскрытая в настоящей заявке информация детализирует предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, они не предназначены служить материальными ограничениями объема защиты заявленного изобретения, и любые особенности и альтернативные конструкции, которые могут быть очевидными для специалиста, должны считаться включенными в настоящую заявку. Следовательно, вместо ограничения конкретными особенностями, описанными в отношении предпочтительного варианта реализации, объем защиты настоящего изобретения формулируется и конкретно описывается в следующих пунктах приложенной формулы.