ОСЕВАЯ ОБЪЕМНАЯ МАШИНА, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, А ТАКЖЕ АВИАЦИОННЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
AXIAL THREE-DIMESIONAL MACHINE, GAS-TURBINE ENGINE AND AIRCRAFT GAS-TURBINE ENGINE (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится в основном к турбомашинам и турбокомпрессорам, в частности к осевым объемным турбокомпрессорам и винтовым компрессорам и турбинам.
Турбокомпрессоры используются в газотурбинных двигателях, например во внутреннем контуре турбовентиляторного двигателя и в других газотурбинных двигателях, имеющих, если смотреть вниз по потоку, секцию компрессора, секцию сгорания и секцию турбины. Функцией турбокомпрессора является обеспечение потока высокой энергией, который в свою очередь может использоваться для обеспечения энергией различных устройств. Осевые турбокомпрессоры особенно эффективны во многих турбомашинах. Турбокомпрессоры на основе турбомашин используются в широком диапазоне устройств во многом благодаря сочетанию таких желательных свойств, как высокая удельная энергия потока выхлопных газов (энергия на единицу массы), высокий массовый расход для данной фронтальной поверхности, непрерывный почти равномерный поток газа, приемлемая теплоотдача в широком диапазоне рабочих условий. Целью производителей турбокомпрессоров является получение легких и высокоэффективных турбокомпрессоров. Другой целью является получение турбокомпрессора с наименьшим, насколько это возможно, количеством составных частей, чтобы снизить стоимость изготовления, установки, модернизации, ремонта и замены турбокомпрессора. Поэтому желательно иметь турбокомпрессор, который улучшает все эти характеристики турбокомпрессоров.
Осевая объемная машина, такая как объемный осевой турбокомпрессор, содержит вход, расположенный на одной оси с выходом и на расстоянии от него выше по потоку. От входа к выходу проходят внутренняя и внешняя основные части, имеющие смещенные внутреннюю и внешнюю оси соответственно. Одна или обе основные части могут быть выполнены с возможностью вращения. В одном варианте осуществления турбокомпрессора внутренняя часть выполнена с возможностью вращения вокруг внутренней оси внутри внешней основной части. Внешняя основная часть может быть закреплена с возможностью вращения или может быть выполнена с возможностью вращения вокруг внешней оси. Внутренняя и внешняя основные части имеют взаимопересекающиеся внутреннюю и внешнюю винтовые лопатки, осями винтовых поверхностей которых являются внутренняя и внешняя оси соответственно. Внутренняя и внешняя винтовые лопатки проходят по радиусу снаружи и внутри соответственно.
Винтовые лопатки имеют первый, второй и третий шаговые углы в первой, второй и третьей секциях соответственно. Шаговый угол определяется как величина поворота поперечного сечения винтового элемента, приходящаяся на единицу расстояния по оси. Первые шаговые углы меньше вторых шаговых углов, а третьи шаговые углы меньше вторых шаговых углов. Секция сгорания проходит по оси вниз по потоку от конца первой секции через, по меньшей мере, часть второй секции. Горение при постоянном объеме происходит во второй секции.
Винтовые лопатки в первой секции имеют достаточное количество витков, чтобы захватить в первой секции при работе турбокомпрессора заряды воздуха. В одном варианте осуществления турбокомпрессора, количество витков достаточно для того, чтобы механически захватить заряды воздуха. В другом варианте осуществления турбокомпрессора, количество витков достаточно, чтобы динамически захватить заряды воздуха.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в поперечном сечении примера авиационного газотурбинного двигателя с объемным осевым турбокомпрессором;
Фиг.2 - схематический вид в поперечном сечении турбокомпрессора, показанного на фиг.1;
Фиг.3 - схематический вид в перспективе с частичным разрезом винтовых участков внутренней и внешней основных частей турбокомпрессора, показанного на фиг.2;
Фиг.4 - схематический вид в поперечном сечении, иллюстрирующий механизм передачи движения между внутренней и внешней основными частями турбокомпрессора, показанного на фиг.3;
Фиг.5 - схематический вид в перспективе с частичным разрезом винтовых участков внутренней и внешней основных частей турбокомпрессора, показанного на фиг.3;
Фиг.6 - схематический вид в поперечном сечении внутренней и внешней основных частей, взятый по линии 6-6 с фиг.4;
Фиг.7-10 - схематический вид в разрезе другого варианта конструкции внутренней и внешней основных частей при различных относительных угловых положениях внутренней основной части;
Фиг.11 - схематический вид в поперечном сечении объемного турбокомпрессора, имеющего внутреннюю и внешнюю основные части, показанные на фиг.7; и
Фиг.12 - TS-диаграмма (диаграмма температура-энтропия), иллюстрирующая цикл турбокомпрессора, показанного на фиг.2.
На фиг.1 проиллюстрирован пример варианта осуществления осевой объемной винтовой машины 8, показанной здесь как винтовой турбокомпрессор 10 в газотурбинном двигателе 100, в котором турбокомпрессор 10 используется для приведения в действие турбины, приводящей вентилятор 108 в секции вентилятора двигателя 100. Турбокомпрессор 10 может быть использован для непосредственного приведения таких потребляющих энергию устройств, как устройства привода в движение судов, а также генераторы электрической энергии, авиационные форсунки или вентиляторы. Пример варианта осуществления газотурбинного двигателя 100, проиллюстрированный на фиг.1, представляет собой авиационный газотурбинный двигатель, имеющий внутренний контур 118 двигателя, включающий в себя турбокомпрессор 10, расположенный ниже по потоку секции 112 вентилятора. Газообразные продукты сгорания подаются из турбокомпрессора 10 в турбину 120 низкого давления (ТНД), имеющую ряд лопаток 122 ротора турбины низкого давления. Лопатки 122 ротора турбины низкого давления прикреплены с возможностью передачи приводного усилия к ряду расположенных по окружности на расстоянии друг от друга лопаток 130 ротора вентилятора 108 в секции 112 вентилятора посредством вала 132 турбины низкого давления, чтобы сформировать каскад 134 низкого давления, описывающий окружность вокруг осевой линии 136 двигателя. Турбокомпрессор 10 может использоваться в других устройствах, включая, но не ограничиваясь ими, наземные промышленные и судовые газотурбинные двигатели.
Как показано на фиг.2-5, турбокомпрессор 10 включает в себя узел 15 сердцевины, имеющий внутреннюю и внешние основные части 12, 14, проходящие от входа 20 к выходу 22. Внутренняя основная часть 12 расположена внутри полости 19 внешней основной части 14. Внутренняя и внешняя основные части 12, 14 имеют внутреннюю и внешнюю оси 16, 18 соответственно. Узел 15 сердцевины имеет первую, вторую и третью секции 24, 26, 28, проходящие последовательно вниз по потоку. Секция 40 сгорания проходит по оси вниз по потоку через, по меньшей мере, часть второй секции. Как показано, секция 40 сгорания проходит по оси вниз по потоку от конца первой секции 24 через всю вторую секцию 26. Через вход 20 и выход 22 узла 15 сердцевины проходит непрерывный поток.
Одиночные заряды 50 воздуха захватываются первой секцией 24. Сжатие зарядов 50 происходит, когда заряды 50 переходят из первой секции 24 во вторую секцию 26. Таким образом, весь заряд 50 подвергается сжатию в то время, когда он находится как в первой, так и во второй секциях 24 и 26 соответственно. Горение начинается во второй секции 26 после того, как заряд 50 полностью перейдет из первой секции 24 во вторую секцию 26, и горение во второй секции 26 является горением при постоянном объеме. Третья секция 28 является секцией расширения и таким образом высвобождает энергию из сгоревших зарядов 50 воздуха, чтобы привести в действие первую и вторую секции 24, 26 соответственно. Расширение зарядов 50 происходит, когда заряды 50 переходят из второй секции 26 в третью секцию 28. Таким образом, весь заряд 50 подвергается расширению в то время, когда он находится как во второй, так и в третьей секциях 26 и 28.
Одна или обе основные части могут быть выполнены с возможностью вращения, и, если обе основные части выполнены с возможностью вращения, они вращаются в одном круговом направлении, по часовой стрелке или против часовой стрелки, на различных скоростях вращения, определяемых постоянным соотношением между ними. Если только одна основная часть выполнена с возможностью вращения, то другая основная часть является неподвижной. В одном варианте осуществления турбокомпрессора, внутренняя основная часть 12 выполнена с возможностью вращения вокруг внутренней оси 16 внутри внешней основной части 14, и внешняя основная часть 14 может быть закреплена с возможностью вращения или может быть выполнена с возможностью вращения вокруг внешней оси 18.
Внутренняя и внешняя основные части 12, 14 имеют взаимопересекающиеся внутренний и внешний винтовые элементы, осями винтовых поверхностей которых являются внутренняя и внешняя оси 16, 18 соответственно. Эти элементы являются внутренней и внешней винтовыми лопатками 17 и 27, имеющими внутреннюю и внешнюю винтовые поверхности 21 и 23 соответственно. В данном случае используется термин «винтовой», поскольку он обычно используется для описания винта или винтовых компрессоров, а также используется для описания винтовых элементов, осями винтовых поверхностей которых являются внутренняя и внешняя оси 16, 18. Внутренние винтовые лопатки 17 проходят по радиусу наружу от полой внутренней ступицы 51 внутренней основной части 12, а внешние винтовые лопатки 27 проходят по радиусу внутрь от стенки 53 внешней основной части 14. Внутренняя винтовая кромка 47 вдоль внутренней винтовой лопатки 17 герметичным образом взаимодействует с внешней винтовой поверхностью 23 внешней винтовой лопатки 27, когда они поворачиваются относительно друг друга. Внешняя винтовая кромка 48 вдоль внешней винтовой лопатки 27 герметичным образом взаимодействует с внутренней винтовой поверхностью 21 внутренней винтовой лопатки 17, когда они поворачиваются относительно друг друга.
На фиг.4 показано продольное поперечное сечение внутренней и внешней основных частей 12, 14. Поперечное сечение внутренней и внешней основных частей 12, 14 показан на фиг.6. Внутренняя основная часть 12 показана здесь как имеющая два выступа 60 внутренней основной части, соответствующих двум внутренним винтовым лопаткам 17, в результате чего профиль 69 поперечного сечения внутренней основной части имеет форму футбольного мяча (для американского футбола) или заостренного овала. Внешняя основная часть 14 имеет три выступа 64 внешней основной части, соответствующих трем внешним винтовым лопаткам 27 (показанным на фиг.3 и 4). На фиг.6 показаны три точки 62 уплотнения между внешней и внутренней основными частями 12 и 14, но при этом имеется непрерывное уплотнение между внутренними и внешними винтовыми лопатками 17 и 27 вдоль длины внутренней и внешней основных частей 12, 14.
Другой вариант конструкции внутренней и внешней основных частей 12, 14 проиллюстрирован в поперечном сечении на фиг.7-10. Внутренняя основная часть 12 показана здесь как имеющая три выступа 60 внутренней основной части, соответствующих трем внутренним винтовым лопаткам 17, в результате чего профиль 68 поперечного сечения внутренней основной части имеет треугольную форму, как показано на фиг.7. Внешняя основная часть 14 имеет два выступа 64 внешней основной части, которые соответствуют двум внешним винтовым лопаткам 27. В общем случае, если внутренняя основная часть 12 имеет N выступов, то внешняя основная часть 14 будет иметь N+1 или N-1 выступов. На фиг.7 показаны пять точек 62 уплотнения между внутренней и внешней основными частями 12 и 14, но при этом имеется непрерывное уплотнение между внутренними и внешними винтовыми лопатками 17 и 27 вдоль длины внутренней и внешней основных частей 12, 14.
Как показано на фиг.5, винтовые элементы имеют постоянные первый, второй и третий шаговый угол 34, 36, 38 в первой, второй и третьей секциях 24, 26, 28 соответственно. Шаговый угол А определяется как величина поворота профиля 41 поперечного сечения винтового элемента (таких как профили 69 и 68 поперечного сечения внутренней основной части овальной или треугольной формы, показанной на фиг.6 и 7 соответственно), приходящаяся на единицу длины вдоль оси, такой как внутренняя ось 16, как показано на фиг. 5. На фиг. 5 показан поворот профиля 41 поперечного сечения внутренней основной части на 360 градусов. Шаговый угол А составляет 360 градусов или 2π радиан, разделенных на осевое расстояние CD между двумя соседними вершинами 44 вдоль одних и тех же внутренних и внешних винтовых кромок 47 и 48 винтового элемента, такого как внутренние или внешние винтовые лопатки 17 или 27, как показано на фиг.5. Осевое расстояние CD представляет собой расстояние, соответствующее одному витку 43 винтовой линии.
Шаговый угол А внутреннего элемента в каждой из секций отличается от шагового угла А внешнего элемента. Отношение шагового угла А внешней основной части 14 к шаговому углу А внутренней основной части 12 равно отношению числа внутренних винтовых лопаток 17 на внутренней основной части 12 к числу внешних винтовых лопаток 27 на внешней основной части 14. Первые шаговые углы 34 меньше вторых шаговых углов 36, и третьи шаговые углы 38 меньше вторых шаговых углов 36. Можно также описать винтовые элементы в терминах угла наклона образующей винтовой поверхности. Винтовые элементы имеют постоянные первый, второй и третий углы наклона образующей винтовой поверхности, соответствующие постоянным первому, второму и третьему шаговому углу 34, 36, 38 в первой, второй и третьей секциях 24, 26, 28 соответственно. Таким же образом можно было бы описать винт в терминах шага винта и угла подъема винта.
Как показано на фиг.3-5, внутренняя винтовая лопатка 17 в первой секции 24 имеет достаточное количество витков 43, чтобы захватить заряды 50 воздуха в первой секции 24 во время работы генератора. Захваченные заряды 50 воздуха позволяют объемное сжатие, так что более высокие давления, развиваемые ниже по потоку, не могут заставить воздух или заряды переместиться к входу 20. В одном варианте осуществления турбокомпрессора, количество витков 43 в первой секции 24 достаточно для того, чтобы механически захватить заряды 50 воздуха. В другом варианте осуществления турбокомпрессора 10, количество витков 43 в первой секции 24 достаточно для того, чтобы динамически захватить заряды 50 воздуха. Механический захват зарядов означает, что заряды 50 захватываются, при этом, изолируясь от входа 20 на расположенном выше по потоку конце 52 заряда 50 до того, как заряд 50 пройдет во вторую секцию 26 на расположенном ниже по потоку конце 54 заряда 50. Динамический захват заряда означает, что, хотя расположенный ниже по потоку конец 54 захваченного заряда, возможно, прошел во вторую секцию 26, расположенный выше по потоку конец 52 заряда еще не изолирован полностью. Однако на расположенном ниже по потоку конце 54 заряда к этому времени волна давления из второй секции распространяется к входу 20, и относительный поворот между основные частями изолирует захваченный заряд 50 воздуха на его расположенном выше по потоку конце 52.
Для варианта осуществления с неподвижной закрепленной внешней основной частью 14, внутренняя основная часть 12 смещена относительно внешней оси 18 так, что, когда она поворачивается вокруг внутренней оси 16, внутренняя ось перемещается по окружности вокруг внешней оси 18, как показано на фиг.7-10. Внутренняя основная часть 12 показана поворачивающейся вокруг внутренней оси 16 из ее положения на фиг.7 в ее положение на фиг.8, и внутренняя ось 16 показана перемещающейся по окружности вокруг внешней оси 18 на приблизительно 90 градусов. Внутренняя и внешняя основные части 12, 14 приводятся в совместное движение так, что они всегда поворачиваются относительно друг друга с постоянным соотношением, как проиллюстрировано механизмом передачи движения в коробке 82 передач на фиг.1 и 4.
Если бы внешняя основная часть 14 на фиг.7 была не закреплена, тогда она бы вращалась вокруг внешней оси 18 со скоростью вращения в 1,5 раза большей, чем скорость вращения внутренней основной части 12 вокруг внутренней оси 16. Внутренняя основная часть 12 вращается вокруг внутренней оси 16 со скоростью 74 вращения внутренней основной части, равной скорости 76 перемещения внутренней оси 16 по окружности вокруг внешней оси 18, деленной на количество выступов внутренней основной части. Количество выступов внутренней основной части равно количеству лопаток. Если внутренняя основная часть 12 вращается в том же направлении, что и направление перемещения по окружности внутренней оси 16, используется конструкция внешней основной части с двумя выступами. Если внутренняя основная часть 12 вращается в направлении, противоположном направлению перемещения по окружности внутренней оси 16, используется конструкция внешней основной части с четырьмя выступами.
Отношение шагового угла внешней основной части 14 к шаговому углу внутренней основной части 12 равно отношению количества выступов N внутренней основной части, деленному на количество выступов М внешней основной части. Для конструкции, показанной на фиг.7-10, имеющей три внутренних выступа или внутренних винтовых лопаток 17 и два внешних выступа или внешних винтовых лопаток 27, требуется поворот внешней основной части 14 на 900 градусов и поворот внутренней основной части на 600 градусов для того, чтобы механически захватить один из зарядов 50 воздуха. Шаговый угол внутренней основной части существенно увеличивается при переходе первой секции 23 во вторую секцию 26. Данное место перехода называется плоскостью сжатия, как обозначено на фиг.2. Горение инициируется во второй секции 26, когда расположенный выше по потоку конец заряда 50 воздуха пересекает плоскость сжатия. Каждый из зарядов сгорает отдельно, и, так как шаговый угол внутренней и внешней основных частей остаются постоянными на протяжении второй секции 26, во второй секции 26 осуществляется горение в постоянном объеме. Дальнейшее сравнение с вариантом осуществления внутренней и внешней основных частей 12, 14, имеющих два выступа 60 внутренней основной части (две внутренние винтовые лопатки 17), может быть получено, сравнивая фиг.11 с фиг.2, в частности, что касается углов поворота внешней основной части 14 и углов поворота внутренней основной части 12, необходимых, чтобы захватить один из зарядов 50 воздуха, и различий в шаговом угле первой, второй и третьей секций 24, 26 и 28.
Как показано на фиг.2-4, после горения в постоянном объеме во второй секции 26, заряд или рабочая среда подвергаются процессу почти адиабатического расширения в третьей секции 28, и из третьей секции 28 извлекается работа. После того как передний фронт высокой температуры и высокого давления пересекает плоскость расширения, объем заряда 50 воздуха начинает расширяться и расти в осевом направлении. Данное расширение высвобождает энергию из газа, получая работу, необходимую для приведения первой и второй секций 24, 26 и поддержания работы турбокомпрессора. После расширения газ выводится через заднюю плоскость в расположенную ниже по потоку камеру, имея температуру и давление значительно выше, чем в его начальном состоянии.
На фиг.12 показана TS-диаграмма (диаграмма температура-энтропия) цикла винтовой машины 8, названная циклом винтовой сердцевины в сравнении с циклом Брайтона. Цикл винтовой сердцевины вводит работу в стадии сжатия цикла, обозначенную как Wcmp, для осуществления сжатия. Цикл винтовой сердцевины вводит работу, обозначенную как Wcmb, в стадии горения при постоянном объеме во второй секции 26, и вводит тепло, обозначенное как Qcmb, для осуществления горения. Цикл винтовой сердцевины адиабатически извлекает работу, обозначенную как Wtmb, во время стадии расширения цикла. В примере варианта осуществления машины по циклу винтовой сердцевины, проиллюстрированном здесь, третья секция 28 функционирует как турбина машины 8 и вводит работу в первую и вторую секции 24, 26.
Полезная работа машины по циклу винтовой сердцевины, как показано на фиг.12, обозначена WC, а полезная работа цикла Брайтона - WB. Полезная работа винтового цикла, проиллюстрированного здесь, и циклов Брайтона показаны относительно давления на входе машины 8, изображенного как кривая постоянного давления на фиг.12. Винтовой цикл, проиллюстрированный здесь, также включает горение во всей второй секции 26. Данный цикл для объемной машины или турбокомпрессора дает существенные преимущества в рабочих характеристиках по сравнению с машинами, работающими по циклу Брайтона в терминах, как полезной работы, так и теплоотдачи. Увеличение полезной работы по сравнению с циклом Брайтона позволяет получить такую же требуемую энергию, используя машину или турбокомпрессор с меньшими габаритами, что особенно привлекательно для устройств, для которых предъявляются высокие требования к их весу и размеру.
В то время как здесь были описаны рассматриваемые как предпочтительные и примерные варианты осуществления настоящего изобретения, другие модификации изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из идей, представленных здесь, и поэтому желательно защитить в прилагаемой формуле изобретения все такие модификации, как находящиеся в пределах объема и сущности изобретения. Соответственно, изобретение ограничено только лишь формулой изобретения.