ДИФФУЗОР, ИМЕЮЩИЙ ЛОПАТКИ С ОТВЕРСТИЯМИ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ДИФФУЗОР
GAS TURBINE ENGINE DIFFUSER AND GAS TURBINE ENGINE WITH SUCH DIFFUSER

Настоящее изобретение относится к ступеням сжатия газовых турбин и, в частности, к диффузорам, которые обычно находятся в ступенях сжатия, например, в компрессорах диагонального типа или центробежного типа.
Назначением диффузора является выпрямление потока, выходящего из рабочего колеса компрессора, для получения динамического давления текучей среды в виде статического давления.
Для осуществления этого диффузор обычно содержит множество лопаток, расположенных по периферии и удерживаемых между двумя кольцами держателя.
Отклонение, задаваемое лопатками диффузора, может стать причиной того, что текучая среда на стороне нагнетания или на стороне всасывания лопаток отделяется; причем отделение, когда оно является значительным, может привести к отделению текучей среды и затем к помпажу.
Известно, что эффект помпажа является очень вредным для элементов, составляющих компрессор, так что когда это возможно, его стремятся предотвратить.
Следовательно, настоящее изобретение, которое стремится устранить этот недостаток, относится более конкретно к диффузору для диагонального компрессора или центробежного компрессора газотурбинного двигателя, причем диффузор содержит, по меньшей мере, одну лопатку, имеющую сторону нагнетания, сторону всасывания и первую боковую поверхность, причем лопатка содержит множество отверстий, открывающихся на сторону всасывания и/или на сторону нагнетания и соединяющихся с, по меньшей мере, одной полостью, образованной в лопатке, причем полость проходит в поперечном направлении относительно лопатки и открывается на первую боковую поверхность. В данном примере поперечным направлением является направление, проходящее между первой боковой поверхностью и второй боковой поверхностью лопатки, расположенной напротив первой боковой поверхности.
Идея в данном примере заключается в равномерном всасывании текучей среды, проходящей через сторону всасывания и/или по стороне нагнетания, для предотвращения отделения ее от лопатки.
Устройство такого диффузора уже известно из патента США №6210104, которое содержит его иллюстрацию, даже если заданная цель является другой.
Данный документ предлагает всасывание части текучей среды через отверстия, выполненные на стороне всасывания лопаток для последовательного ее использования в качестве охлаждающей текучей среды для охлаждения горячих частей газотурбинного двигателя.
Недостатком данного устройства является то, что всасывание текучей среды, перемещающейся через отверстия, является неравномерным на стороне всасывания, и, следовательно, текучая среда все еще может отделяться.
Задачей настоящего изобретения является создание диффузора для диагонального компрессора или центробежного компрессора, обеспечивающего равномерное всасывание текучей среды.
Настоящее изобретение решает эту задачу за счет того, что поперечное сечение полости изменяется в поперечном направлении лопатки, причем поперечное сечение увеличивается по направлению к первой боковой поверхности.
Другими словами, поперечное сечение полости на стороне первой боковой поверхности, на которую она открывается, больше поперечного сечения в нижней части полости, причем понятно, что нижняя часть полости в поперечном направлении расположена напротив первой боковой поверхности.
Данное увеличение поперечного сечения полости, рассматриваемое от нижней части полости, выбирается таким образом, чтобы отверстия, сообщающиеся с полостью, имели одинаковую скорость всасывания, и кроме того, так, чтобы одно отверстие имело скорость всасывания, которая является равномерной по всему его сечению.
Предпочтительно, для осуществления этого поперечное сечение полости, рассматриваемой вдоль поперечного направления лопатки, увеличивается пропорционально с увеличением общего сечения всасывания. Общее сечение всасывания равно сумме сечений отверстий, если отверстия являются каналами и/или выполнены как одно целое, если всасывающее отверстие, такое как поперечная прорезь, имеет площадь всасывания, которая является сплошной.
В настоящем изобретении отверстия могут быть расположены только на стороне всасывания, только на стороне нагнетания или даже как на стороне всасывания, так и на стороне нагнетания.
Предпочтительно, диффузор в соответствии с настоящим изобретением включает в себя первый ряд отверстий, открывающихся на сторону всасывания и соединяющихся с, по меньшей мере, одной полостью, образованной в лопатке и открывающейся на первую боковую поверхность.
В первом варианте диффузор включает в себя одну полость, открывающуюся на первую боковую поверхность. Все отверстия первого ряда, таким образом, соединяются с упомянутой одной полостью, образованной в направлении толщины лопатки.
Во втором варианте диффузор включает в себя множество полостей, образующих выемки, открывающиеся на первую боковую поверхность.
Предпочтительно, выемки являются одинаковыми и также предпочтительно имеют форму усеченного конуса. Следовательно, поперечное сечение выемок является кругом радиуса, который увеличивается по направлению к первой боковой поверхности.
Предпочтительно, диффузор дополнительно включает в себя второй ряд отверстий, открывающихся на сторону нагнетания и соединяющихся с, по меньшей мере, другой полостью, образованной в лопатке и открывающейся на одну из двух боковых поверхностей лопатки.
Предпочтительно, упомянутая, по меньшей мере, другая полость также открывается на первую боковую поверхность.
Преимущественно, упомянутая другая полость имеет поперечное сечение, которое изменяется, увеличиваясь по направлению к первой боковой поверхности.
Посредством этого, всасывание текучей среды является равномерным как на стороне всасывания лопатки, так на ее стороне нагнетания.
В одном варианте диффузор включает в себя одну полость, открывающуюся на первую боковую поверхность.
В другом варианте диффузор содержит множество полостей, образующих выемки, открывающиеся на первую боковую поверхность. В данном варианте каждая полость предпочтительно имеет форму усеченного конуса.
Кроме того, отверстиями предпочтительно являются поперечные перфорационные отверстия и/или прорези.
В соответствии с настоящим изобретением может быть предусмотрено несколько вариантов осуществления: перфорационные отверстия и прорези могут быть связаны, может быть образовано множество перфорационных отверстий, которые находятся в сообщении с единственной выемкой или даже единственной прорезью с выемкой, или даже чтобы все отверстия находились в соединении с единственной полостью, образованной в лопатке.
Предпочтительно, но не исключительно, диффузором является радиальный диффузор.
В конечном счете, согласно настоящему изобретению создан газотурбинный двигатель, включающий в себя диффузор в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение можно лучше понять, и его преимущества окажутся более понятными после изучения нижеследующего описания двух вариантов осуществления, данных в качестве неограничивающих примеров. Данное описание приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в частичном разрезе газотурбинного двигателя вертолета, включающий в себя центробежный компрессор, оснащенный диффузором настоящего изобретения;
фиг.2 - вид лопатки диффузора в соответствии с первым вариантом осуществления, причем лопатка содержит множество прорезей, открывающихся на ее сторону всасывания и ее сторону нагнетания, при этом каждая из прорезей соединяется с выемкой;
фиг.3 - вид первой боковой поверхности лопатки, изображенной на фиг.2, по плоскости сечения III-III;
фиг.4 - вид в продольном разрезе лопатки, изображенной на фиг.2, по плоскости сечения IV-IV;
фиг.5 - вид лопатки диффузора в соответствии со вторым вариантом осуществления, причем лопатка содержит множество прорезей, открывающихся на ее сторону всасывания и соединяющихся с полостью, а также множество прорезей, открывающихся на ее сторону нагнетания и соединяющихся с другой полостью;
фиг.6 - вид в продольном разрезе лопатки, изображенной на фиг.5, по плоскости VI-VI;
фиг.7 - вид в разрезе лопатки, изображенной на фиг.5, по плоскости VII-VII, показывающий изменение поперечного сечения полостей;
фиг.8 - график, показывающий пример зависимости изменения поперечного сечения полости; и
фиг.9 - вид элемента газотурбинного двигателя, изображенного на фиг.1, показывающий, как выпускается текучая среда, всасываемая из лопатки диффузора.
Диффузор согласно настоящему изобретению, в частности, предназначен для использования с компрессором центробежного типа или диагонального типа. «Диагональный компрессор» относится к компрессору, в котором сжатая текучая среда выходит из рабочего колеса компрессора под углом, находящимся в диапазоне 0-70° относительно радиального направления.
Фиг.1 изображает газотурбинный двигатель вертолета (не показан), включающий в себя как центробежный компрессор 12, который включает в себя рабочее колесо 14 компрессора, питаемое от отверстия 16 для впуска холодного воздуха, так и диффузор 18, который является объектом настоящего изобретения, при этом диффузор расположен ниже по потоку от рабочего колеса 14.
Известно, что сжатый воздух выходит из рабочего колеса 14 в радиальном направлении при обеспечении углового момента. Назначением диффузора 18 является выпрямление потока F, выходящего из рабочего колеса 14.
Для осуществления этого диффузор 14 содержит множество лопаток 20, расположенных по периферии диффузора 18. Каждая лопатка 20 имеет, как известно, продольное направление L, поперечное направление Т, сторону Е всасывания и сторону I нагнетания.
Со ссылкой на фиг.2-4 описан первый вариант осуществления диффузора 18 согласно настоящему изобретению.
Как можно видеть на чертежах, изображающих одну из лопаток 20, лопатка имеет первую боковую поверхность 22 и вторую боковую поверхность 24, которая расположена напротив в поперечном направлении первой боковой поверхности 22.
Кроме того, лопатка 20 выполнена с первым рядом отверстий 26, открывающихся на сторону Е всасывания. В этом примере отверстия 26 первого ряда образованы прорезями, проходящими вдоль поперечного направления Т лопатки 20, причем прорези предпочтительно являются одинаковыми.
Каждая прорезь 26 первого ряда находится в сообщении с полостью 30, образующей выемку. Выемки 30, расположенные рядом друг с другом, образованы в направлении толщины лопатки 20 таким образом, чтобы проходить в поперечном направлении относительно лопатки при открытии только на первую боковую поверхность 22 лопатки 20.
Как показано на фиг.2, поперечный размер каждой выемки 30 немного больше длины соответствующей прорези 26.
В соответствии с настоящим изобретением поперечные сечения выемок 30 изменяются, увеличиваясь по направлению к первой боковой поверхности при использовании зависимости, которая изменяется, как показано на фиг.8. В этом случае каждая выемка 30 имеет форму усеченного конуса, открывающуюся по направлению к первой боковой поверхности. Из этого следует, что поперечное сечение каждой выемки, в частности - круг, больше в местоположении первой боковой поверхности 22, чем в основании выемки 30. Другими словами, поперечное сечение выемки увеличивается при перемещении в поперечном направлении от второй боковой поверхности 24 по направлению к первой боковой поверхности 22.
Это показано более подробно на фиг.3 и 4. Фиг.3 изображает первую боковую поверхность 22 лопатки 20, в которую открываются выемки 30, в то время как фиг.4 представляет собой вид в разрезе по плоскости, проходящей в продольном направлении L лопатки 20 на расстоянии от первой боковой поверхности 22. Было обнаружено, что поперечное сечение выемки 30 в основании выемки 30 меньше поперечного сечения в положении первой боковой поверхности 22, в которую открывается выемка.
Следовательно, изменение в данном примере описывается линейной зависимостью. Однако, может быть предусмотрено изменение, которое описывается другими функциями, которые не являются линейными.
В одном варианте прорези 26 могут быть заменены перфорационными отверстиями 32, расположенными рядом и проходящими в поперечном направлении, как показано на фиг.2. В данном варианте все перфорационные отверстия 32 сообщаются с выемкой 30.
В предпочтительном аспекте настоящего изобретения диффузор 18 дополнительно включает в себя второй ряд отверстий 34, подобных прорезям 26, открывающихся на сторону I нагнетания.
Подобно отверстиям 30 первого ряда отверстия 34 второго ряда сообщаются с полостями 36, также образующими выемки, которые отделены от полостей 30, соединяющихся с отверстиями 26 первого ряда.
Как показано, в частности, на фиг.2, выемки 30 и выемки 36 являются одинаковыми и расположены в двух рядах.
При прохождении текучей среды, как показано на чертеже стрелкой F, всасывающая сила прикладывается к выемкам 30 и 36, таким образом, создавая всасывающее действие а на поверхности стороны Е всасывания и стороны I нагнетания через первый и второй ряды прорезей 26, 34.
Упомянутое всасывающее действие а стремится удержать поток текучей среды F на стороне E всасывания и стороне I нагнетания лопатки 20, в результате чего предпочтительно отделение текучей среды F обычно предотвращено. Другими словами, поток текучей среды F принудительно принимает форму стороны Е всасывания и стороны I нагнетания.
Со ссылкой на фиг.5 и 6 описан второй вариант осуществления настоящего изобретения.
Элементы, которые идентичны элементам в первом варианте осуществления, имеют те же ссылочные позиции с добавлением 100.
Лопатка 120, изображенная на фиг.5, является тем же типом, что и тип в первом варианте осуществления.
Она включает в себя первый ряд прорезей 126, открывающихся на сторону Е всасывания, и второй ряду прорезей 134, открывающихся на сторону I нагнетания. В одном варианте прорези 126, 134 могут быть заменены перфорационными отверстиями 132, как показано на фиг.5. Прорези и перфорационные отверстия могут также использоваться поочередно в зависимости от требуемого эффекта.
Второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что прорези 126 первого ряда сообщаются с единственной первой полостью 200, которая образована в лопатке 120, тогда как прорези 134 второго ряда сообщаются с единственной второй полостью 210, образованной в лопатке 120.
Первая полость 200 имеет поперечный размер, который немного больше длины прорезей 126, и продольный размер, который не меньше продольного размера распределения прорезей 126.
Подобным образом, вторая полость 210 имеет поперечный размер, который немного больше длины прорезей 134, и продольный размер, который не меньше продольного размера распределения прорезей 134.
Как можно видеть на фиг.6, первая и вторая полости 200, 210 проходят в продольном направлении, и одновременно они совмещаются друг с другом.
Обе из них открываются на первую боковую поверхность 122 лопатки 120.
Фиг.7 представляет собой вид в разрезе по поперечной плоскости VII-VII, который показывает, что поперечное сечение S1, S2 каждой полости 200, 210 изменяется, увеличиваясь по направлению к первой боковой поверхности 122. Можно видеть, что полости 200, 210 открыты по направлению к первой боковой поверхности 122.
В данном примере изменение описывается линейной функцией.
Как в первом варианте осуществления, всасывающая сила прикладывается через полости 200, 210 таким образом, чтобы притягивать поток текучей среды F к поверхности стороны Е всасывания и стороны I нагнетания через прорези 126, 134, чтобы предотвратить отделения потока F.
Пример зависимости изменения поперечного сечения приведен на фиг.8. График показывает изменение поперечного сечения полости в соединении с четырьмя отверстиями 32 или 132 сечения, которое равно 1. Ось абсцисс представляет собой поперечную ось лопатки, а ось ординат представляет собой нормализованное поперечное сечение.
Наконец, фиг.9 изображает диффузор 18 согласно настоящему изобретению, установленный внутри корпуса газотурбинного двигателя 10. Хотя чертеж изображает лопатку первого варианта осуществления, вышеупомянутое описание полностью соответствует второму варианту осуществления. Выемки 30, связанные с отверстиями 26 первого ряда, соединены с первой камерой 50, а выемки 36, связанные с отверстиями 34 второго ряда, соединены со второй камерой 52, которая отделена от первой камеры 50.
Текучая среда, всасываемая из прорезей 26, проходит в первую камеру 50 через выемки 30 перед выпуском, например, в атмосферу, в то время как текучая среда, всасываемая из прорезей 34, проходит во вторую камеру 52 через выемки 36 перед выпуском в атмосферу AT. Естественно, должна быть обеспечена герметичность между первой и второй камерами 50, 52. Могут быть предусмотрены другие способы выпуска при соблюдении того, чтобы текучая среда, всасываемая через прорези 26, не сталкивалась с текучей средой, всасываемой через прорези 34.
В одном варианте, также предусмотрено, чтобы выемки, связанные с отверстиями второго ряда, открывались на вторую боковую поверхность 24, после чего всасываемый воздух выпускается через первую боковую поверхность 22 для воздуха, всасываемого со стороны Е всасывания, и через вторую боковую поверхность 24 для воздуха, всасываемого со стороны I нагнетания.