ОСЕВОЙ ОБЪЕМНЫЙ КОМПРЕССОР И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
AXIAL DISPLACEMENT COMPRESSOR AND GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится в основном к осевым компрессорам непрерывного действия и, в частности, к осевым объемным компрессорам, червячным и винтовым компрессорам.
Компрессоры широко используются во многих применениях, например в газогенераторах газотурбинных двигателей. Осевые компрессоры непрерывного действия получили широкое применение благодаря комбинации желаемых характеристик, таких как большой удельный массовый расход для заданной лобовой площади, непрерывный практически установившийся поток текучей среды, подходящий адиабатический кпд и способность работать без аэродинамических срывов потока и аэромеханической нестабильности в широком диапазоне условий. Задачей производителей компрессоров и газовых турбин являются легкие, компактные и высокоэффективные осевые компрессоры. Другой задачей является использование как можно меньшего количества деталей компрессора для снижения стоимости производства, установки, обновления, капитального ремонта и замены компрессора. Поэтому желательно создать такой компрессор, который улучшает все из перечисленных характеристик.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является специальная конструкция для сжатия рабочей текучей среды, раскрытая в патенте США №3947163. Указанная конструкция обеспечивает уменьшенную осевую нагрузку на подшипники, включая винтовые кулачковые роторы, вращающиеся внутри вращающихся роторов с ходовой резьбой.
Осевой объемный компрессор непрерывного действия, также называемый червячным компрессором, включает в себя вход, отстоящий по оси от выхода и расположенный выше по потоку от него. Червячный компрессор включает в себя узел компрессора, включающий в себя внутренние и внешние корпуса, проходящие от входа к выходу. Внутренние и внешние корпуса имеют смещенные относительно друг друга внутреннюю и внешнюю оси, соответственно. Узел компрессора имеет первый и второй участки, расположенные последовательно по направлению потока. Любой из корпусов или оба корпуса могут быть выполнены с возможностью вращения. В одном из вариантов воплощения компрессора внутренний корпус выполнен с возможностью вращения вокруг внутренней оси внутри внешнего корпуса. Внешний корпус может быть зафиксирован относительно вращения или может вращаться вокруг внешней оси. Внутренний и внешний корпуса имеют перемежающиеся внутренние и внешние винтовые лопасти, вращающиеся вокруг внутренней и внешней осей, соответственно. Внутренние и внешние винтовые лопасти проходят по радиусу наружу и внутрь, соответственно.
Винтовые лопасти имеют первый и второй углы скручивания на первом и втором участках узла компрессора, соответственно. Углом скручивания определяется количество вращения поперечного сечения винтового элемента за единицу перемещения вдоль оси. Первые углы скручивания меньше вторых углов скручивания. Винтовые лопасти на первом участке имеют достаточное количество витков для захвата газовых зарядов на первый участок при работе компрессора. В одном варианте воплощения компрессора количество витков является достаточным для механического захвата зарядов газа. В другом воплощении компрессора количество витков является достаточным для динамического захвата зарядов газа. Винтовые лопасти на втором участке имеют достаточное количество витков для обеспечения того, что передний фронт заряда не подвержен условиям, преобладающим ниже по потоку от компрессора до тех пор, пока задний фронт заряда не пересечет плоскость сжатия, таким образом завершая процесс сжатия.
Таким образом, согласно первому объекту изобретения создан осевой объемный компрессор, содержащий вход, отстоящий по оси от выхода и расположенный выше по потоку от него, причем компрессор имеет непрерывный осевой поток от входа через выход, узел компрессора, включающий в себя внутренний корпус, расположенный внутри внешнего корпуса, при этом внутренний и внешний корпуса проходят от входа к выходу, внутренний и внешний корпуса имеют смещенные относительно друг друга внутреннюю и внешнюю оси, соответственно, по меньшей мере, один из внутреннего и внешнего корпусов выполнен с возможностью вращения вокруг соответствующей одной из внутренней и внешней осей, внутренний и внешний корпуса имеют перемежающиеся внутренние и внешние винтовые лопасти, вращающиеся вокруг внутренней и внешней осей, соответственно, внутренние и внешние винтовые лопасти проходят по радиусу наружу и внутрь, соответственно, узел компрессора имеет первый и второй участки, расположенные последовательно в направлении вниз по потоку и проходящие между входом и выходом, внутренние и внешние винтовые лопасти имеют первый и второй углы скручивания на первом и втором участках, соответственно, и первый угол скручивания меньше второго угла скручивания.
Предпочтительно винтовые лопасти на первом участке имеют достаточное количество витков для захвата зарядов воздуха на первый участок при работе компрессора.
Предпочтительно количество витков является достаточным для механического захвата зарядов воздуха.
Предпочтительно количество витков является достаточным для динамического захвата зарядов воздуха.
Предпочтительно внешний корпус выполнен с возможностью вращения вокруг внешней оси, а внутренний корпус выполнен с возможностью вращения вокруг внутренней оси.
Предпочтительно внутренний и внешний корпуса зацеплены друг с другом с постоянным передаточным отношением.
Предпочтительно винтовые лопасти на первом участке имеют достаточное количество витков для захвата зарядов воздуха на первый участок при работе компрессора.
Предпочтительно внешний корпус зафиксирован относительно вращения вокруг внешней оси, а внутренний корпус совершает орбитальное движение вокруг внешней оси.
Предпочтительно внутренний и внешний корпуса зацеплены друг с другом таким образом, что внутренний и внешний корпуса всегда вращаются относительно друг друга с постоянной скоростью.
Предпочтительно внутренний корпус имеет N лепестков, а внешний корпус имеет М лепестков, причем угол скручивания внешнего корпуса равен углу скручивания внутреннего корпуса, умноженному на количество N лепестков внутреннего корпуса, поделенное на количество М лепестков внешнего корпуса.
Предпочтительно поперечное сечение внутреннего корпуса имеет овальную или треугольную форму.
Предпочтительно первый и второй углы скручивания являются постоянными на первом и втором участках соответственно.
Предпочтительно компрессор расположен последовательно в направлении потока за камерой сгорания и турбиной высокого давления.
Согласно второму объекту изобретения создан газотурбинный двигатель, содержащий вышеописанный осевой объемный компрессор.
Предпочтительно внутренний и внешний корпуса зацеплены друг с другом таким образом, что внутренний и внешний корпуса всегда вращаются относительно друг друга с постоянной скоростью.
Предпочтительно внутренний корпус имеет N лепестков, а внешний корпус имеет М лепестков, причем угол скручивания внешнего корпуса равен углу скручивания внутреннего корпуса, умноженному на количество N лепестков внутреннего корпуса, поделенное на количество М лепестков внешнего корпуса.
Предпочтительно поперечное сечение внутреннего корпуса имеет овальную или треугольную форму.
Предпочтительно первый и второй углы скручивания являются постоянными на первом и втором участках соответственно.
Предпочтительно осевой объемный компрессор расположен последовательно в направлении потока за камерой сгорания и турбиной высокого давления.
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 компрессором непрерывного действия;
Фиг.2 - схематичное вид в поперечном сечении компрессора с Фиг.1;
Фиг.3 - схематичный вид в перспективе в частичном разрезе участков винтовых лопастей внутреннего и внешнего корпусов компрессора с Фиг.2;
Фиг.4 - схематичный вид в поперечном сечении зацепления между внутренним и внешним корпусами компрессора Фиг.3;
Фиг.5 - схематичный вид в перспективе в частичном разрезе участков винтовых лопастей внутреннего и внешнего корпусов компрессора Фиг.3;
Фиг.6 - схематичный вид в поперечном сечении по линии 6-6 с Фиг.4 внутреннего и внешнего корпусов;
Фиг.7 - схематичный вид в поперечном сечении альтернативной конструкции внутреннего и внешнего корпусов;
Фиг.8 - схематичный вид в поперечном сечении альтернативной конструкции внутреннего и внешнего корпусов с Фиг.7 в другом угловом положении;
Фиг.9 - схематичный вид в поперечном сечении альтернативной конструкции внутреннего и внешнего корпусов с Фиг.8 в другом угловом положении;
Фиг.10 - схематичный вид в поперечном сечении альтернативной конструкции внутреннего и внешнего корпусов с Фиг.9 в другом угловом положении; и
Фиг.11 - схематичный вид в поперечном сечении осевого объемного компрессора непрерывного действия с внутренним и внешним корпусами, показанными на Фиг.7.
На Фиг.1 показан пример варианта воплощения осевого объемного компрессора непрерывного действия, также называемого червячным компрессором 8, в газотурбинном двигателе 100. Червячный компрессор 8 является частью газогенератора 10, используемого для приведения в действие турбины низкого давления, которая совершает работу для привода вентилятора 108 в вентиляторной секции двигателя 100. Газогенератор 10 может быть использован для прямого привода устройств, потребляющих энергию, таких как морские гребные приводы и электрогенераторы, или сопла самолетов, или вентиляторы. Пример варианта воплощения газотурбинного двигателя 100, показанный на Фиг.1, представляет собой авиационный газотурбинный двигатель, имеющий основной двигатель 118, включающий в себя червячный компрессор 8 и газогенератор 10, расположенный ниже по потоку от вентиляторной секции 112.
Основной двигатель 118 включает в себя последовательно в направлении потока червячный компрессор 8, камеру 7 сгорания и турбину 9 высокого давления (НРТ), имеющую лопасти 11 турбины высокого давления, приводимые от червячного компрессора 8 посредством вала 5 высокого давления. Отработавшие газы выходят из основного двигателя 118 в турбину 120 низкого давления (LPT), имеющую рабочие лопасти 122 турбины низкого давления. Рабочие лопасти 122 турбины низкого давления присоединены с возможностью привода к ряду отстоящих по окружности рабочих лопастей 130 вентилятора 108 в вентиляторной секции 112 посредством вала 132 низкого давления для образования каркаса 134 низкого давления, образующего центральную линию 136 двигателя. Червячный компрессор 8 может быть использован в других применениях, включая, но не ограничиваясь, наземные двигатели промышленного назначения и судовые газотурбинные двигатели.
Как показано на Фиг.2-5, червячный компрессор 8 включает в себя узел 15 компрессора, имеющий внутренний и внешний корпуса 12, 14, проходящие от входа 20 к выходу 22. Внутренний корпус 12 расположен внутри полости 19 во внутреннем корпусе 14. Внутренний и внешний корпуса 12, 14 имеют внутреннюю и внешнюю оси 16, 18 соответственно. Узел 15 компрессора имеет первый и второй участки 24, 26, расположенные последовательно в направлении потока. Узел 15 компрессора обеспечивает непрерывный поток через вход 20 и выход 22 при работе червячного компрессора 8. Отдельные заряды газа 50 захватываются в первый участок 24. Сжатие зарядов 50 возникает, когда заряды 50 проходят от первого участка 24 ко второму участку 26. Таким образом, весь заряд 50 подвергается сжатию, в то время как он находится как в первом, так и во втором участках 24 и 26, соответственно.
Любой или оба корпуса могут быть выполнены с возможностью вращения и, если оба корпуса выполнены с возможностью вращения, они вращаются в одном окружном направлении, т.е. либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, но с разными скоростями вращения, установленными в фиксированном соотношении. Если с возможностью вращения выполнен только один корпус, то другой корпус выполнен неподвижным. В одном варианте воплощения генератора внутренний корпус 12 выполнен с возможностью вращения вокруг внутренней оси 16 внутри внешнего корпуса 14, и внешний корпус 14 может быть зафиксирован относительно вращения или может быть выполнен с возможностью вращения вокруг внешней оси 18.
Внутренний и внешний корпуса 12, 14 имеют перемежающиеся внутренние и внешние винтовые элементы, вращающиеся вокруг внутренней и внешней осей 16, 18, соответственно. Эти элементы представляют собой внутренние и внешние винтовые лопасти 17, 27, имеющие внутренние и внешние винтовые поверхности 21, 23, соответственно. Внутренние винтовые лопасти 17 проходят по радиусу наружу от полой внутренней ступицы 51 внутреннего корпуса 12, а внешние винтовые лопасти 27 проходят по радиусу внутрь от внешней оболочки 53 внешнего корпуса 14. Внутренняя винтовая кромка 47 вдоль внутренней винтовой лопасти 17 герметично зацепляется с внешней винтовой поверхностью 23 внешней винтовой лопасти 27 по мере их вращения относительно друг друга. Внешняя винтовая кромка 48 вдоль внешней винтовой лопасти 27 герметично зацепляется с внутренней винтовой поверхностью 21 внутренней винтовой лопасти 17 по мере их вращения относительно друг друга.
На Фиг.4 показан продольный разрез внутреннего и внешнего корпусов 12, 14. Внутренний и внешний корпуса 12, 14 показаны в осевом поперечном сечении на Фиг.6. Здесь показано, что внутренний корпус 12 имеет два лепестка 60 внутреннего корпуса, которые соответствуют двум внутренним винтовым лопастям 17, образующим поперечное сечение 69 внутреннего корпуса в форме футбольного мяча или заостренной овальной формы. Внешний корпус 14 имеет три лепестка 64 внешнего корпуса, которые соответствуют трем внешним винтовым лопастям 27 (показаны на Фиг.3 и 4). Следует отметить, что точки герметичного соприкосновения 62 между внутренним и внешним корпусами 12, 14 показаны на Фиг.6, причем между внутренними и внешними винтовыми лопастями 17, 27 по всей длине внутреннего и внешнего корпусов 12, 14 существуют пять перекрывающихся герметизированных областей.
Альтернативная конфигурация внутреннего и внешнего корпусов 12, 14 показана в поперечном сечении на Фиг.7-10. Показанный здесь внутренний корпус 12 имеет три лепестка 60 внутреннего корпуса, которые соответствуют трем внутренним винтовым лопастям 17, в результате образуется поперечное сечение 68 внутреннего корпуса треугольной формы, как показано на Фиг.7. Внешний корпус 14 имеет два лепестка 64 внешнего корпуса, которые соответствуют двум внешним винтовым лопастям 27. В общем, если внутренний корпус 12 имеет N лепестков, то внешний корпус 14 будет иметь N+1 или N-1 лепестков. Следует отметить, что на Фиг.7 показаны пять точек 62 герметичного соприкосновения между внутренним и внешним корпусами 12, 14, что соответствует пяти периодически перекрываемым герметизированным областям между внутренними и внешними винтовыми лопастями 17, 27 по всей длине внутреннего и внешнего корпусов 12, 14.
Как показано на Фиг.5, внутренние и внешние винтовые лопасти 17, 27 имеют постоянные первый и второй углы 34, 36 скручивания на первом и втором участках 24, 26, соответственно. Угол А скручивания определяется величиной вращения поперечного сечения 41 винтового элемента (такого, как поперечные сечения 69, 68 внутреннего корпуса овальной или треугольной формы, показанные на Фиг.6 и 1, соответственно) на расстояние вдоль оси, такой как внутренняя ось 16, показанная на Фиг.5. На Фиг.5 показан поворот поперечного сечения 41 внутреннего корпуса на 360°. Угол А скручивания также составляет 360° или 2π радиан, поделенные на осевое расстояние CD между двумя последовательными гребнями 44 вдоль одной и той же внутренней или внешней винтовой кромки 47, 48 винтового элемента, таких как внутренние или внешние винтовые кромки 17, 27, показанные на Фиг.5. Осевое расстояние CD представляет собой расстояние, требуемое для одного полного оборота 43 винтовой линии.
Угол А скручивания внутреннего элемента на каждом из участков отличается от угла А скручивания внешнего элемента. Отношение угла А скручивания внешнего корпуса 14 к углу А скручивания внутреннего корпуса 12 равно отношению количества внутренних винтовых лопастей 17 на внутреннем корпусе 12 к количеству внешних винтовых лопастей 27 на внешнем корпусе 14. Первые углы 34 скручивания на первом участке 24 меньше вторых углов 36 скручивания на втором участке 26. Винтовые элементы могут также быть описаны в показателях винтового угла. Винтовые элементы имеют постоянные первый и второй винтовые углы, соответствующие постоянным первому и второму углам 34, 36 скручивания, на первом и втором участках 24, 26, соответственно.
Опять-таки, как показано на Фиг.3-5, внутренняя винтовая лопасть 17 на первом участке 24 имеет достаточное количество витков 43 для захвата зарядов газа 50 в первый участок 24, не позволяя процессу сжатия негативно влиять на поле входящего потока при работе компрессора. Захваченные заряды газа 50 обеспечивают такое объемное сжатие, что более высокие давления, возникающие ниже по потоку, не способны вытолкнуть газ обратно из входа 20. В одном варианте воплощения газогенератора количество витков 43 на первом участке 24 является достаточным для механического захвата зарядов газа 50. В другом варианте воплощения газогенератора 10 количество витков 43 на первом участке 24 является достаточным для динамического захвата зарядов газа 50. Под механическим захватом подразумевается то, что заряд 50 захватывается путем его блокирования от входа 20 на верхнем по потоку от заряда 50 конце 52 до его прохождения во второй участок 26 на нижнем по потоку от заряда 50 конце 54. Под динамическим захватом подразумевается то, что через нижний по потоку конец 54 захваченный заряд может проходить во второй участок 26, причем верхний по потоку от заряда конец 52 все еще является неполностью закрытым. Однако на нижнем по потоку конце 54 за то время, пока волна давления из второго участка доходит до входа 20, относительное вращение между корпусами будет блокировать заряд газа 50 на верхнем по потоку конце 52.
Для варианта воплощения с зафиксированным внешним корпусом 14 внутренний корпус 12 смещен относительно внешней оси 18 таким образом, что когда он вращается вокруг внутренней оси 16, внутренняя ось 16 движется по орбите вокруг внешней оси 18, как показано на Фиг.7-10. Внутренний корпус 12 показан во вращении вокруг внутренней оси 16 из положения согласно Фиг.7 в положение согласно Фиг.8, при этом показано, что внутренняя ось 16 совершает орбитальное вращение вокруг внешней оси 18 на 90°. Внутренний и внешний корпуса 12, 14 зацепляются друг с другом таким образом, что они всегда вращаются относительно друг друга с фиксированным соотношением, как показано передачей в коробке передач 82 на Фиг.1 и 4.
Внутренний корпус 12 вращается вокруг внутренней оси 16 со скоростью 74 вращения внутреннего корпуса, равной его орбитальной скорости 76, поделенной на количество лепестков внутреннего корпуса. Количество внутренних лепестков равно количеству лопастей. Если внутренний корпус 12 вращается в том же направлении, что и его орбитальное направление, используется конфигурация внешнего корпуса с двумя лепестками. Если внутренний корпус 12 вращается в направлении, противоположном орбитальному, используется конфигурация внешнего корпуса с четырьмя лепестками. В первом варианте воплощения внутренний и внешний корпуса 12, 14 оба выполнены с возможностью вращения, причем внешний корпус 14 вращается вокруг внешней оси 18 со скоростью вращения, в 1,5 раза превышающей скорость вращения внутреннего корпуса 12 вокруг внутренней оси 16. Внешний корпус 14 вращается со скоростью, равной скорости вращения внутреннего корпуса 12, умноженной на количество лепестков внутреннего корпуса, поделенное на количество лепестков внешнего корпуса 14.
Углы скручивания внешнего корпуса 14 равны углам скручивания внутреннего корпуса 12, умноженным на количество N лепестков внутреннего корпуса, поделенное на количество М лепестков внешнего корпуса. Для конфигурации, показанной на Фиг.7-10, имеющей три внутренних лепестка или три внутренние винтовые лопасти 17 и два внешних лепестка или две внешние винтовые лопасти 27, требуется 900° поворота внешнего корпуса 14 и 600° поворота внутреннего корпуса 12 для механического захвата одного из зарядов газа 50. Угол скручивания внутреннего корпуса по существу возрастает от первого участка 24 к второму участку 26 в осевом положении, обозначенном плоскостью сжатия, как показано на Фиг.2. Участок обтекания между первым и вторым участками может заменить плоскость сжатия, если присутствуют нежелательные распределения напряжений. Дальнейшее сравнение между конфигурацией, показанной на Фиг.7-10 и имеющей три внутренних лепестка и два внешних лепестка, с конфигурацией, показанной на Фиг.6 и имеющей два лепестка 60 внутреннего корпуса и три лепестка 64 внешнего корпуса, может быть осуществлено путем сравнения Фиг.11 с Фиг.2. Следует отметить количество витков и градусов поворота внешнего корпуса 14 и количество витков и градусов поворота внутреннего корпуса 12, необходимое для захвата одного из зарядов газа 50 между верхним и нижним по потоку от заряда 50 концами 52, 54. Также следует отметить разницу в углах скручивания на первом и втором участках 24, 26.
Осевой объемный компрессор непрерывного действия, называемый здесь червячным компрессором 8, может быть использован в широком диапазоне применений, причем он обеспечивает высокий удельный массовый расход для заданной лобовой площади, непрерывный практически установившийся поток текучей среды и приемлемую производительность в широком диапазоне рабочих условий. Кроме того, он является легким и высокоэффективным и имеет намного меньшее количество частей по сравнению с другими осевыми компрессорами, что в свою очередь снижает стоимости производства, установки, обновления, капитального ремонта и замены компрессора. Первый вариант воплощения изобретения обеспечивает первый режим работы описанного здесь компрессора, при котором как внутренний, так и внешний корпуса 12, 14 вращаются вокруг внутренней и внешней осей 16, 18, соответственно. Первый режим помогает избежать возникновения завихрения, как и в центробежном роторе, влияющего на опору компрессора и основной двигатель. Во втором варианте воплощения изобретения внешний корпус 14 остается неподвижным, и внутренний корпус 12 одновременно совершает орбитальное движение вокруг геометрического центра внешнего корпуса, который представляет собой ось 18, и вращается вокруг мгновенного геометрического центра внутреннего корпуса, который представляет собой внутреннюю ось 16. Второй вариант воплощения изобретения обеспечивает описанный второй режим работы компрессора, при котором используется единый вращающийся ротор, что потенциально упрощает процесс механического конструирования.
Осевой объемный компрессор непрерывного действия, называемый здесь червячным компрессором 8, может быть использован в широком диапазоне применений и обеспечивает достаточно высокий удельный массовый расход для заданной лобовой площади, непрерывный почти установившийся поток жидкости, ожидается, что он обладает достаточной эффективностью в широком диапазоне рабочих условий. Так как червячный компрессор работает в вытесняющем режиме, он будет обеспечивать уровни сжатия, которые практически не зависят от скорости ротора в широком рабочем диапазоне. В тепловых двигателях и других применениях эта особенность обеспечивает особое преимущество по сравнению с обычными осевыми компрессорами, для которых степени сжатия непосредственно связаны со скоростью ротора. Процесс вытеснения также снижает или устраняет возникновение аэродинамических срывов потока, что позволяет компрессору работать на нерасчетных режимах при степенях сжатия, намного превышающих обычную линию срыва, при единственном вредном воздействии, заключающемся в снижении адиабатического кпд. Червячный компрессор должен быть легким, высокоэффективным и иметь намного меньше частей, чем обычные осевые компрессоры, что в свою очередь снижает стоимости производства, установки, обновления, капитального ремонта и замены компрессора.
Несмотря на то, что здесь были описаны варианты воплощения настоящего изобретения, которые считаются предпочтительными и иллюстративными, специалистам в данной области техники из данного описания будут очевидны другие модификации изобретения; при этом следует понимать, что такие модификации входят в объем настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.