ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ КОМПРЕССОРА С РЕГУЛИРУЕМЫМ СУЖЕНИЕМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
CONTROLLED CONVERGENCE COMPRESSOR FLOWPATH FOR GAS TURBINE ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение направлено в целом на газотурбинные двигатели и, более конкретно, на проточную часть компрессора, расположенную внутри компрессора газотурбинного двигателя.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Газотурбинные двигатели, как правило, включают в себя компрессор, предназначенный для сжатия воздуха, камеру сгорания, предназначенную для смешивания сжатого воздуха с топливом и воспламенения смеси, и пакет лопаток турбины, предназначенный для выработки энергии. Прочные части компрессоров обычно создавали из конических сегментов, например, кусочно-линейных, которые обеспечивают непрерывное уменьшение площади поперечного сечения кольцевого пространства проточной части от входа к выходу. Данные проточные части сравнительно легко проектировать и изготавливать, однако в данных проточных частях не используется сужение проточной части, то есть уменьшение площади настолько эффективно, насколько это возможно, а также сужение, имеющее важное значение для потерь в безлопастных или безлопаточных зазорах, или оба сужения между рядами перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток компрессора.
Такой газотурбинный двигатель известен, например, из US 2004013520 A1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыта проточная часть компрессора с регулируемым сужением, выполненная с конфигурацией, обеспечивающей возможность лучшего распределения сужения ограниченной проточной части в компрессорах в газотурбинных двигателях. Компрессор может иметь проточную часть, ограниченную проходящими в направлении вдоль окружности, внутренней и наружной границами, которые имеют участки, на которых степень сужения изменяется для лучшего распределения потока текучей среды, проходящей через нее. Степень сужения может увеличиваться на поверхностях, смежных с основаниями перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток, и степень сужения может уменьшаться рядом с вершинами перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток и в осевых зазорах между рядами перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления проточная часть компрессора между передней и задней кромками первой рабочей лопатки компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку к задней кромке первой рабочей лопатки компрессора вследствие увеличенного сужения внутренней поверхности компрессора. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления сужение проточной части компрессора может увеличиваться рядом с основанием/хвостом рабочей лопатки при перемещении дальше по потоку к задней кромке первой рабочей лопатки компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места основания первой рабочей лопатки компрессора. Проточная часть компрессора между передней и задней кромками первой направляющей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой компрессора, может обеспечивать увеличение сужения при перемещении дальше по потоку вследствие увеличенного сужения наружной поверхности компрессора. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления сужение проточной части компрессора может увеличиваться рядом с основанием направляющей лопатки при перемещении дальше по потоку к задней кромке первой направляющей лопатки компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места основания первой направляющей лопатки компрессора.
В, по меньшей мере, одном варианте осуществления газотурбинный двигатель может включать в себя компрессор, образованный из роторного узла и статорного узла. Роторный узел может быть образован из множества проходящих в радиальном направлении наружу рабочих лопаток компрессора, выровненных в виде множества рядов, проходящих в направлении вдоль окружности, и при этом роторный узел выполнен с возможностью вращения. Статорный узел может быть образован из множества проходящих в радиальном направлении внутрь, направляющих лопаток компрессора, выровненных в виде множества рядов, проходящих в направлении вдоль окружности. Статорный узел может быть зафиксирован относительно вращающегося роторного узла. Ряды направляющих лопаток компрессора могут чередоваться с рядами рабочих лопаток компрессора при перемещении в направлении дальше по потоку.
Внутренняя поверхность компрессора может образовывать окружную внутреннюю граничную поверхность компрессора, и наружная поверхность компрессора может образовывать окружную наружную граничную поверхность компрессора, при этом внутренняя и наружная поверхности компрессора образуют проточную часть компрессора. Проточная часть компрессора может сужаться при перемещении дальше по потоку. Проточная часть компрессора между передней кромкой и задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку к задней кромке первой рабочей лопатки компрессора. Проточная часть компрессора между передней кромкой и задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку к задней кромке первой рабочей лопатки компрессора вследствие увеличенного сужения внутренней поверхности компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места основания первой рабочей лопатки компрессора, уменьшенное сужение наружной поверхности компрессора вблизи вершины первой рабочей лопатки компрессора и уменьшенное сужение в безлопастном зазоре, расположенном по потоку за первой рабочей лопаткой компрессора. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления внутренняя поверхность компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой и задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора и расположенная между передней кромкой и задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора, может быть нелинейной. Внутренняя поверхность компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой и задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора и расположенная между передней кромкой и задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора, может искривляться в радиальном направлении наружу при перемещении дальше по потоку.
Проточная часть компрессора между задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора и передней кромкой первой направляющей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой компрессора, может обеспечить уменьшение сужения по отношению к степени сужения между передней и задней кромками первой рабочей лопатки компрессора. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления внутренняя поверхность компрессора между задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора и передней кромкой первой направляющей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой компрессора, может быть линейной. Наружная поверхность компрессора между задней кромкой первой рабочей лопатки компрессора и передней кромкой первой направляющей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой компрессора, может быть линейной.
Проточная часть компрессора между передней кромкой и задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой компрессора, может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку относительно степени сужения в зоне, расположенной непосредственно впереди по потоку. Проточная часть компрессора между передней кромкой и задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку вследствие увеличенного сужения наружной поверхности компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места основания первой направляющей лопатки компрессора. Наружная поверхность компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой и задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора и расположенная между передней кромкой и задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора, может быть нелинейной. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления наружная поверхность компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой и задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора и расположенная между передней кромкой и задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора, может искривляться в радиальном направлении внутрь при перемещении дальше по потоку. Проточная часть компрессора между задней кромкой первой направляющей лопатки компрессора и передней кромкой рабочей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой направляющей лопаткой компрессора, может обеспечить уменьшение сужения по отношению к степени сужения между передней и задней кромками первой направляющей лопатки компрессора.
Типовые основания перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток являются значительно более толстыми, чем вершины перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток, поскольку перья рабочих лопаток/направляющих лопаток механически опираются у оснований. Разность толщины основания и вершины увеличивается для аэродинамических профилей с бóльшим относительным удлинением, подобных тем, для которых характерна тенденция их размещения ближе к передним ступеням компрессоров. Увеличенная толщина увеличивает риск отрыва потока за местом с максимальной толщиной в направлении потока. Увеличенное сужение проточной части в данной зоне уменьшает риск отрыва потока.
Преимущество проточной части компрессора с регулируемым сужением заключается в том, что проточная часть обеспечивает увеличение сужения рядом с основаниями перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток и, более конкретно, непосредственно за имеющим максимальную толщину местом пера рабочей лопатки/направляющей лопатки для того, чтобы способствовать предотвращению отрыва потока в данной зоне. Для поддержания постоянного сужения всей проточной части компрессора (от входа к выходу) увеличенное сужение рядом с основаниями перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток компенсируется уменьшенным сужением в зонах, в которых оно является менее эффективным, например, рядом с вершинами перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток и в безлопастных осевых зазорах между рядами перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток. Это приводит к лучшему распределению сужения площади поперечного сечения ограниченной проточной части компрессоров. Типовая механическая конструкция компрессоров требует того, чтобы максимальная толщина направляющих лопаток имела место в зоне наружной периферии (OD) и максимальная толщина рабочих лопаток имела место в зоне внутренней периферии (ID). При этом применение проточной части с регулируемым сужением приводит к «осцилляционному» профилю. Вдоль внутренней периферии (ID) проточной части сужение увеличивается у оснований рабочих лопаток и уменьшается у вершин направляющих лопаток. Вдоль наружной периферии (OD) проточной части сужение уменьшается у вершин рабочих лопаток и увеличивается у оснований направляющих лопаток.
Другое преимущество проточной части компрессора с регулируемым сужением заключается в том, что сужение проточной части распределяется нелинейно таким образом, что оно имеет место главным образом за имеющим максимальную толщину местом основания пера рабочей лопатки/направляющей лопатки. Подобная конфигурация обеспечивает уменьшение максимального числа Маха и нагрузки при диффузии на перья рабочих лопаток/направляющих лопаток рядом с основанием, что обеспечивает уменьшение потерь и повышение эффективности.
Еще одно преимущество проточной части компрессора с регулируемым сужением заключается в том, что проточная часть «переходит» от линейного сужения в зоне вершин перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток к нелинейному сужению в зоне оснований перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток.
Еще одно преимущество проточной части компрессора с регулируемым сужением заключается в том, что уменьшенное сужение, обусловленное уменьшенным наклоном над вершинами лопаток, может обеспечить улучшение зазоров за счет улучшения допусков, что создает меньшую неопределенность, чем при более крутых наклонах, и уменьшает эффект от осевых смещений ротора.
Еще одно преимущество проточной части компрессора с регулируемым сужением заключается в том, что форма проточной части обеспечивает уменьшение сужения проточной части, то есть наклон, в безлопастном осевом зазоре между рядами перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток для уменьшения сужения площади, поскольку никакая диффузия не происходит в данном месте внутри компрессора, что позволяет применить большее сужение в пределах огибающих для перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток, где имеет место вся диффузия потока.
Эти и другие варианты осуществления описаны ниже более подробно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопровождающие чертежи, которые включены в описание и образуют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения, раскрытого в данном документе, и вместе с описанием раскрывают принципы изобретения.
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе газотурбинного двигателя с компрессором, выполненный с частичным разрезом.
Фиг.2 представляет собой боковое сечение части компрессора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1-2, раскрыта проточная часть 10 компрессора с регулируемым сужением, выполненная с конфигурацией, обеспечивающей возможность лучшего распределения сужения ограниченной проточной части в компрессорах 12 в газотурбинных двигателях 14. Компрессор 12 может иметь проточную часть 10, ограниченную проходящими в направлении вдоль окружности, внутренней и наружной границами 16, 18, которые имеют участки, на которых степень сужения изменяется для лучшего распределения потока текучей среды, проходящего через нее. Степень сужения может увеличиваться на поверхностях 20, 22, смежных с основаниями 24 перьев 26 рабочих лопаток/направляющих лопаток, и уменьшаться рядом с вершинами 68 перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток и в осевых зазорах 28 между рядами 30 перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления степень сужения может увеличиваться на поверхностях 20, 22, смежных с основаниями 24 перьев 26 рабочих лопаток/направляющих лопаток, и сзади от имеющего максимальную толщину места оснований 24 и может обеспечить уменьшение сужения рядом с вершинами 68 перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток и в осевых зазорах 28 между рядами 30 перьев рабочих лопаток/направляющих лопаток. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления проточная часть 10 компрессора между передней и задней кромками 44, 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку к задней кромке 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора вследствие увеличенного сужения внутренней поверхности 22 компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места 60 основания 24 первой рабочей лопатки 42 компрессора. Проточная часть 10 компрессора в пределах безлопастного осевого зазора 28 между рядами 30 рабочих лопаток 42 компрессора и рядами 30 направляющих лопаток 36 компрессора может иметь уменьшенное сужение по сравнению с рядом 30 рабочих лопаток 42 компрессора, расположенным непосредственно спереди по потоку. Проточная часть компрессора между передней и задней кромками 32, 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой 42 компрессора, может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку относительно осевого зазора 28, расположенного по потоку перед первой направляющей лопаткой 36 компрессора, вследствие увеличенного сужения наружной поверхности 20 компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места 62 основания 24 первой направляющей лопатки 36 компрессора.
В, по меньшей мере, одном варианте осуществления газотурбинный двигатель 14 может включать в себя один или более компрессоров 12, образованных из роторного узла 48 и статорного узла 50. Роторный узел 48 может быть образован из множества проходящих в радиальном направлении наружу рабочих лопаток 42 компрессора, выровненных в виде множества рядов 30, проходящих в направлении вдоль окружности. Роторный узел 49 может быть выполнен с возможностью вращения вокруг оси газотурбинного двигателя 14. Статорный узел 50 может быть образован из множества проходящих в радиальном направлении внутрь, направляющих лопаток 36 компрессора, выровненных в виде множества рядов 30, проходящих в направлении вдоль окружности. Статорный узел 50 может быть зафиксирован относительно вращающегося роторный узел 48. Ряды 30 направляющих лопаток 36 компрессора могут чередоваться с рядами 30 рабочих лопаток 42 компрессора при перемещении в направлении дальше по потоку.
Внутренняя поверхность 22 компрессора может образовывать окружную внутреннюю граничную поверхность 54 компрессора 12, и наружная поверхность 20 компрессора может образовывать окружную наружную граничную поверхность 56 компрессора 12, при этом внутренняя и наружная поверхности 20, 22 компрессора образуют проточную часть 10 компрессора. Проточная часть 10 компрессора может сужаться при перемещении дальше по потоку от входа 58 компрессора 12 к выходу 59.
В, по меньшей мере, одном варианте осуществления проточная часть 10 компрессора в радиальном направлении снаружи от передней кромки 44 и задней кромки 46 одной или более из первых рабочих лопаток 42 компрессора, например, на наружной периферии и между передней кромкой 44 и задней кромкой 46 одной или более из первых рабочих лопаток 42 компрессора, образующих ряд 30 рабочих лопаток 42 компрессора, также известный как ступень при его размещении рядом с рядом рабочих лопаток турбины, может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку к задней кромке 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора по отношению к степени сужения в зоне, расположенной по потоку непосредственно перед первой рабочей лопаткой 42 компрессора. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления проточная часть 10 компрессора в радиальном направлении снаружи от передней кромки 44 и задней кромки 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и между передней кромкой 44 и задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку к задней кромке 44 первой рабочей лопатки 42 компрессора вследствие увеличенного сужения внутренней поверхности 22 компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места 60 основания 24 первой рабочей лопатки 42 компрессора. Угол сужения проточной части 10 компрессора с регулируемым сужением вблизи вершины 68 рабочей лопатки в зоне наружной периферии 64 может быть уменьшен, и угол сужения может быть увеличен вблизи основания пера рабочей лопатки в зоне внутренней периферии 66 так, что в имеющем наибольшую толщину месте рабочей лопатки 42 рядом с основанием сужение проточной части увеличивается для предотвращения возникновения отрыва потока позади имеющего максимальную толщину места рабочей лопатки. Вершины 68 рабочих лопаток, как правило, являются более тонкими, чем основания рабочих лопаток, в результате чего сужение зоны в пределах ряда 30 рабочих лопаток является менее эффективным вблизи вершины 68 рабочей лопатки. Внутренняя поверхность 22 компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой 44 и задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и расположенная между передней кромкой 44 и задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора, может быть нелинейной. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления внутренняя поверхность 22 компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой 44 и задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и расположенная между передней кромкой 44 и задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора, искривляется в радиальном направлении внутрь при перемещении дальше по потоку.
Проточная часть 10 компрессора в осевом зазоре 28 в радиальном направлении снаружи от задней кромки 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и передней кромки 32 первой направляющей лопатки 36 компрессора и между задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и передней кромкой 32 первой направляющей лопатки 36 компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой 42 компрессора, обеспечивает уменьшение сужения по отношению к степени сужения между передней и задней кромками 44, 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления степень сужения в безлопастных осевых зазорах 28 между рабочими лопатками 42 компрессора и направляющими лопатками 36 компрессора на внутренней поверхности 22 компрессора и на наружной поверхности 20 компрессора может быть одинаковой. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления внутренняя поверхность 22 компрессора между задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и передней кромкой 32 первой направляющей лопатки 36 компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой 42 компрессора, может быть линейной. Наружная поверхность 20 компрессора между задней кромкой 46 первой рабочей лопатки 42 компрессора и передней кромкой 32 первой направляющей лопатки 36 компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой 42 компрессора, может быть линейной.
Проточная часть 10 компрессора между передней кромкой 32 и задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой рабочей лопаткой 42 компрессора, может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления проточная часть 10 компрессора между передней кромкой 32 и задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора может обеспечить увеличение сужения при перемещении дальше по потоку вследствие увеличенного сужения наружной поверхности 20 компрессора сзади от имеющего максимальную толщину места 62 основания 24 первой направляющей лопатки 36 компрессора. Наружная поверхность 20 компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой 32 и задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора и расположенная между передней кромкой 32 и задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора, может быть нелинейной. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления наружная поверхность 20 компрессора, совпадающая в радиальном направлении с передней кромкой 32 и задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора и расположенная между передней кромкой 32 и задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора, может искривляться в радиальном направлении внутрь при перемещении дальше по потоку, в результате чего увеличивается сужение. Проточная часть 10 компрессора между задней кромкой 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора и передней кромкой 44 рабочей лопатки компрессора, расположенной по потоку непосредственно за первой направляющей лопаткой 36 компрессора, обеспечивает уменьшение сужения по отношению к степени сужения между передней и задней кромками 32, 34 первой направляющей лопатки 36 компрессора.
Вышеизложенное приведено в целях иллюстрации, разъяснения и описания вариантов осуществления данного изобретения. Модификации и адаптации данных вариантов осуществления будут очевидными для специалистов в данной области техники и могут быть выполнены без отхода от объема или сущности данного изобретения.