СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ ВЫХОДНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ ПОЛОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
SYSTEM OF VENTILATION OF OUTPUT CIRCULAR CAVITY OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR

Настоящее изобретение касается системы вентиляции выходной кольцевой полости центробежного компрессора газотурбинного двигателя, такого как, в частности, турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель самолета или газогенератор.
Кольцевая полость, которая образована на выходе ротора или колеса центробежного компрессора в газотурбинном двигателе, должна вентилироваться для эвакуации тепловой энергии, излучаемой колесом. Вентиляция осуществляется обычно отбором воздуха на выходе из компрессора в месте соединения с выходом кольцевого диффузора, который питает камеру сгорания (см., например, документ DE-A-42 25 625).
Вентилируемый воздух, который уже имеет достаточно высокую температуру, подогревается вязким трением на выходной поверхности колеса ротора турбины, протекая снаружи внутрь в выходную полость колеса, при этом воздух становится все более и более горячим по мере того, как он приближается к оси вращения колеса. Этот воздух путем конвекции может поднять температуру колеса и, в частности, его радиально внутренней части, где механические напряжения более значительны при работе, что может вызвать разрушение колеса из-за текучести материала.
Было предложено устанавливать на выходной части колеса кольцевой щит для термической защиты. Однако крепление этой защиты на кольце сложно и вызывает повышение массы и инерции вращения колеса компрессора, что может ухудшить рабочие характеристики газотурбинного двигателя.
Технической задачей настоящего изобретения является, в частности, простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.
Для решения поставленной задачи согласно изобретению предложена система вентиляции выходной кольцевой полости центробежного компрессора газотурбинного двигателя, ограниченной выходной плоскостью колеса и кольцевым фланцем кольцевого диффузора и вентилируемой путем отбора воздуха на выходе из центробежного компрессора, система характеризуется тем, что содержит средства изменения направления, укрепленные в полости колеса, для изменения направления вентиляционного потока воздуха в выходной части выходной полости, которые заставляют его циркулировать радиально изнутри наружу к наружной части вдоль выходной поверхности колеса.
Система заставляет циркулировать вдоль выходной поверхности колеса вентиляционный воздух радиально изнутри наружу, то есть в центробежном направлении относительно оси вращения колеса, а не центростремительно, как в известном уровне техники. Этот воздух является относительно свежим на уровне внутренней радиальной части колеса и нагревается при движении изнутри наружу вдоль выходной поверхности колеса. Более теплый воздух циркулирует на уровне радиально внешней части колеса, которая является менее механически нагруженной и менее чувствительной к горячему воздуху, что позволяет увеличить срок службы колеса.
В соответствии с другой характеристикой изобретения средства изменения направления содержат кольцевой металлический щиток, жестко закрепленный в выходной полости колеса с помощью средств фиксации в выходной части кольцевого фланца диффузора, этот щиток с помощью указанных средств фиксации проходит к входной части вдоль выходной поверхности колеса и заканчивается вблизи средств отбора воздуха на выходе из компрессора. Кольцевой щиток образует с выходной поверхностью колеса первый кольцевой проход вентиляционного воздуха. В первом варианте реализации изобретения средства изменения направления содержат второй кольцевой щиток, жестко установленный на средствах фиксации на выходной части кольцевого фланца диффузора, второй щиток проходит к входной части с помощью этих средств фиксации практически параллельно кольцевому фланцу диффузора и оканчивается вблизи средств забора воздуха на выходе из компрессора. Второй кольцевой щиток образует с фланцем диффузора второй кольцевой проход вентиляционного воздуха, который сообщается с кольцевым проходом, образованным первым кольцевым щитком.
Выходная часть второго кольцевого щитка размещена радиально снаружи входной части первого кольцевого щитка. Предпочтительно, выходная плоскость колеса содержит кольцевой элемент изменения направления потока, который выступает в выходную полость между краями входных частей двух кольцевых щитков.
Второй кольцевой щиток может быть жестко установлен внутри выходной полости колеса для образования с кольцевым фланцем диффузора кольцевого прохода, в который поступает воздух, отбираемый с выхода компрессора.
В другом варианте воплощения второй кольцевой щиток жестко закреплен снаружи выходной полости колеса для образования с кольцевым фланцем диффузора кольцевого прохода, который питается воздухом, выходящим из диффузора.
В другом варианте воплощения изобретения первый кольцевой щиток образует с выходной плоскостью колеса кольцевой проход, питаемый на выходе воздухом, отбираемым из потока подаваемого вентиляционного воздуха.
Система может содержать средства нагнетания вентиляционного воздуха на выходную поверхность колеса, при этом поток воздуха, выходящий из средств нагнетания, ориентирован в направлении вращения колеса, а средства нагнетания воздуха размещены на втором кольцевом щитке и/или на кольцевом фланце диффузора.
Изобретение касается также газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, характеризующегося тем, что он содержит вышеописанную систему вентиляции.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схематично аксиальный разрез известной системы вентиляции выходной полости колеса компрессора согласно известному уровню техники;
фиг.2 - схематично аксиальный разрез системы вентиляции выходной полости колеса компрессора согласно изобретению;
фиг.3-9 - аксиальные разрезы системы вентиляции выходной полости колеса компрессора, представляющие варианты воплощения системы согласно изобретению.
На фиг.1 изображена часть газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащего входную и выходную части по ходу течения газа внутри газотурбинного двигателя, ступень 10 центробежного компрессора, кольцевой диффузор 12 и камеру 14 сгорания.
Вход 16 ступени центробежного компрессора 10 ориентирован к входу, практически параллельно оси 18 газотурбинного двигателя, а ее выход 20 ориентирован наружу, практически перпендикулярно оси 18, и лежит на одной прямой с радиальным входом 22 диффузора 12. Диффузор кольцевой формы согнут под углом в 90° и содержит кольцевой выход 24, который ориентирован параллельно оси газотурбинного двигателя и открывается в кольцевую полость, в которой установлена камера 14 сгорания.
Диффузор 12 удерживается внешним картером 26 газотурбинного двигателя, который охватывает снаружи компрессор 10, диффузор 12 и камеру 14 сгорания.
Диффузор 12 содержит выходной кольцевой фланец 28 формы усеченного конуса, который направлен к выходу и внутрь от входа 22 диффузора, и оканчивается на выходном конце кольцевым фланцем 30 для крепления на системе 32 нагнетания воздуха, в частности турбины (не показана), размещенной на выходе из камеры 14 сгорания.
Фланец 28 диффузора образует с выходной поверхностью 34 ротора или колеса 36 ступени центробежного компрессора 10 кольцевую полость 38, которая сообщается своей радиально внешней частью с выходом 20 компрессора. Выходная часть 34 колеса содержит радиально кольцевую поверхность, которая ориентирована к выходу и связана своим радиально внутренним концом с цилиндрической поверхностью, направленной к выходу.
Камера 14 сгорания содержит две коаксиальных стенки 39, 40 в виде поверхностей вращения, вытянутых одна внутри другой и соединенных на входе стенкой 42 дна камеры. Радиально внешняя стенка 40 камеры прикреплена на выходном конце к картеру 26, а радиально внутренняя стенка 39 связана своим выходным концом с кольцом 44 в форме усеченного конуса, которое содержит на своем радиально внутреннем конце внутренний кольцевой фланец 46 для крепления на вышеуказанной системе 32.
Система 32 содержит кольцевой канал 48 с сечением практически L-образной формы, который входной частью открывается радиально наружу в выходной части крепежного фланца 30 фланца 28 диффузора и на входной части фланца 46 кольца 44, а выходной частью открывается аксиально на выход. Отверстия 49 выполнены во фланцах 30 и 46 фланца 28 диффузора и кольца 44 соответственно для прохода средств 50 фиксации типа болт-гайка, которые проходят через соответствующие отверстия системы 32.
Большая часть воздуха, выходящего из компрессора 10, проходит в диффузор 12 (стрелка 51) и питает камеру 14 сгорания (стрелка 52) и внутренние 54 и внешние 56 кольцевые каналы, опоясывающие камеру 14 сгорания (стрелка 58). Внешний канал 56 образован между внешним картером 26 и внешней стенкой 40 камеры, внутренний канал 54 образован между фланцем 28 диффузора и внутренней стенкой 39 камеры. Воздух, который проходит во внутренний канал 54, питает, кроме того, систему 32 нагнетания воздуха.
Небольшая часть воздуха, выходящая из центробежного компрессора 10, проходит в выходную полость 38 колеса (стрелка 60) для обеспечения ее вентиляции. Воздух 60 распространяется центростремительно относительно оси вращения колеса, то есть снаружи внутрь вдоль выходной поверхности колеса 34, и нагревается вязким трением по поверхности, при этом воздух становится все более горячим по мере его приближения к оси 18 вращения колеса.
В известном уровне техники внутренняя радиальная часть колеса 36, сильно механически нагруженная, защищена от этого горячего воздуха защитным кольцом 62, которое установлено на выходе колеса и закрывает внутреннюю радиальную часть выходной плоскости 34 колеса. Однако это кольцо имеет вышеуказанные недостатки.
Система вентиляции согласно изобретению позволяет разгрузить кольцо 62 благодаря средствам изменения потока, жестко установленным в полости 38, в частности, для обеспечения циркулирования вентиляционного воздуха вдоль выходной плоскости колеса путем центрифугирования относительно оси колеса, то есть изнутри наружу. Таким образом, относительно свежий воздух циркулирует на уровне радиально внутренней части колеса, а более горячий воздух, нагреваемый вязким трением по выходной поверхности колеса, циркулирует на уровне радиально внешней части колеса.
В варианте воплощения на фиг.2 средства направления содержат два кольцевых щитка 70, 84, жестко закрепленных в выходной полости 38 колеса для направления вентиляционного воздуха, забранного на выходе из компрессора, радиально изнутри наружу вдоль выходной плоскости 34 колеса.
Первый кольцевой щиток 70 для изменения направления потока имеет L-образную форму и U-образное аксиальное сечение и проходит вдоль выходной плоскости 34 колеса для формирования кольцевого прохода 74 потока воздуха, и согнут под прямым углом, при этом радиально внешняя крайняя часть прохода 74 открывается наружу вблизи выхода 20 компрессора, и его выходная часть проходит к выходу до уровня системы 32 нагнетания воздуха.
Щиток 70 содержит радиальную входную часть 72, которая проходит наружу и вдоль радиальной поверхности колеса, и выходную цилиндрическую часть 76, которая проходит наружу от радиально внутренней крайней входной части 72, вокруг и на расстоянии от цилиндрической выходной поверхности 34 колеса. Эта выходная часть 76 колеса переходит на его выходном конце в кольцевой крепежный фланец 78, закрепленный средствами 50 на фланце 30 фланца диффузора и на системе 32.
Второй кольцевой щиток 84 изменения направления установлен в выходной полости 38 колеса, внутри фланца диффузора и снаружи первого щитка 70. Второй щиток 84 выполнен в форме усеченного конуса и проходит выходной частью к фланцу 78 первого щитка 70 к входу и выходу почти до выхода 20 компрессора. Внешняя входная часть щитка 84 выполнена практически цилиндрической и размещена радиально на уровне выхода 20 компрессора, а остальная часть щитка 84 вытянута практически параллельно фланцу 28 диффузора для формирования прохода, в котором циркулирует воздух, забранный с выхода компрессора. Направленная к выходу часть прохода 86, размещенная на уровне фланцев 30, 78 для фиксации фланца первого щитка 70 соответственно, сообщается с выходным концом прохода 74 через отверстия 88, выполненные практически радиально во фланце 78 первого щитка 70 или во фланце 30 фланца 28 диффузора. Отверстия равномерно распределены вокруг оси газотурбинного двигателя между средствами 50 фиксации.
Воздух 90, забираемый с выхода компрессора, не может прямо пройти внутрь щитка 84 из-за небольшого осевого биения между выходной плоскостью 34 колеса и входной частью щитка 84, а также из-за кольцевого элемента 92 изменения направления потока, выполненного выступающим к выходной поверхности 34 колеса и размещенного радиально внутри входной части второго щитка 84 на небольшом радиальном расстоянии от него. В другом варианте выполнения этот элемент является кольцевым.
Воздух 90 поступает от входа в направлении выхода по проходу 86, ограниченному фланцем 28 диффузора и вторым щитком 84, затем проходит в проход 74 через отверстия 88 фланца 78 первого щитка 70 (стрелка 94). Воздух 96 циркулирует в проходе 74 с выхода на вход вдоль цилиндрической части 76 первого щитка 70, затем радиально внутрь вдоль радиальной части 72 щитка 70. Воздух, который нагревается выходной поверхностью 34 колеса, поворачивается к выходу элементом 92 (стрелка 98) в кольцевую камеру между щитками 70 и 84. Внешне радиальная крайняя часть 100 первого щитка 70 загнута к выходу и внутрь для ограничения турбуленции при проходе воздуха 98 между двумя щитками 70, 84. В другом варианте крайняя часть этого щитка является незагнутой.
Горячий воздух проходит (стрелка 102) к выходной части через аксиальные отверстия 104 для прохода воздуха во фланцах 30, 78, 46 и системе 32 между средствами фиксации 50 и упомянутыми радиальными отверстиями 88.
В варианте, представленном на фиг.3, второй отклоняющий щиток 84' отличается от щитка на фиг.2 тем, что его входная часть практически радиальна и направлена в сторону выхода вдоль внешней радиальной части выходной поверхности колеса 36 для формирования радиального кольцевого пространства 106 малого аксиального размера. Радиально внешняя часть щитка 84' размещена радиально на уровне выхода 20 компрессора таким образом, чтобы часть забираемого с выхода компрессора воздуха проходила снаружи внутрь в радиальное пространство 106 (стрелка 108).
Кольцевой элемент 92' изменения направления потока выполнен в виде выступа выходной части 34 колеса между входными частями обоих щитков 84' и 70. Воздух 108, выходящий из радиального пространства 106, направляется элементом 92' к выходу в кольцевую камеру, ограниченную щитками 70, 84'. Воздух 110, выходящий из прохода 74, образованного между колесом и первым щитком 70, также направляется элементом 92' к выходу и смешивается в камере с воздухом, выходящим из радиального зазора 106.
Система вентиляции на фиг.3 позволяет циркулировать относительно свежему воздуху вдоль радиально внутренних и внешних частей колеса и направлять этот воздух к выходу после его нагрева выходной поверхностью 34 колеса.
В варианте на фиг.4 средства изменения направления содержат первый щиток 70, практически идентичный щитку на фиг.2, который образует с колесом кольцевой проход 74, в котором радиально изнутри наружу циркулирует воздух из диффузора 12, при этом воздух, выходящий из кольцевого прохода 74, далее смешивается с воздухом, забранным с выхода компрессора.
Средства изменения направления содержат второй щиток 120 формы усеченного конуса, который размещен вокруг фланца 28 диффузора на небольшом расстоянии для формирования второго прохода 122 для воздуха, который открывается своей входной частью во внутренний кольцевой проход 54, охватывающий камеру 14 сгорания. Второй щиток 120 на выходном конце заканчивается внутренним кольцевым фланцем 124, закрепленным указанными средствами на системе 32, причем фланец 124 аксиально зажат между фланцем 30 фланца диффузора и системой 32. Фланец 124 выполнен либо отдельно, либо интегрирован во фланец 30.
Выходная часть прохода 122, сформированная вторым щитком 120, взаимодействует с выходной крайней частью прохода 74, ограниченного первым щитком с помощью отверстий 126 для прохода воздуха, выполненных во фланце 30 фланца диффузора, эти отверстия равномерно распределены вокруг газотурбинного двигателя между средствами 50 фиксации. Выходная часть первого щитка 70 зафиксирована сваркой на фланце 30 фланца диффузора. Входная часть первого щитка 70 размещена во внутренней части у выхода компрессора. Вариант выполнения может иметь входную крайнюю часть, по меньшей мере, у выхода компрессора (см., например, фиг.6, где крайняя выходная часть щитка 70 выше выхода из компрессора).
Часть воздуха, выходящая из диффузора 12 и переходящая во внутренний поток 54, проходит (стрелка 128) во второй проход 122, образованный вторым щитком 120 и фланцем 28 диффузора, затем поступает в первый проход 74 через отверстия 126. Воздух 130, который поднимается вдоль внешней поверхности колеса, нагревается и смешивается с воздухом, забранным с выхода компрессора (стрелка 132). Эта смесь воздуха поступает в кольцевую камеру, ограниченную первым щитком 70 и фланцем 28 диффузора, затем выходит через отверстия 104 во фланцах 30, 124, 46 и систему 32.
В варианте воплощения на фиг.5 фланец 28 диффузора содержит практически радиальную входную часть, которая проходит от входа диффузора 22 до выхода и вдоль радиальной внешней части колеса для образования кольцевого пространства 134, сообщающегося своей радиально внешней частью с выходом 20 компрессора.
Кольцевой элемент 92' отклонения потока выполнен в виде выступа на выходной поверхности колеса между входными крайними частями фланца 28 и первого щитка 70. Воздух, который выходит из радиального пространства 134, изменяет направление к выходу благодаря этому элементу 92' и смешивается в камере с воздухом 130, который выходит из прохода 74 и направляется элементом 92' к выходу.
Второй щиток 120 идентичен щитку на фиг.4.
Система вентиляции на фиг.5 позволяет также принудительно циркулировать относительно свежий воздух вдоль радиально внутренних и внешних частей колеса.
В варианте, представленном на фиг.6, средства отклонения потока содержат только кольцевой щиток 70', который образует с выходной поверхностью колеса кольцевой проход 74, питаемый воздухом, поступающим с выхода системы 32 нагнетания воздуха, при этом воздух, выходящий из радиального прохода 74, предназначен для смешивания с воздухом, забираемым с выхода компрессора.
Часть воздуха, выходящего из системы 32, отбирается (стрелка 136) предназначенными для этого средствами и циркулирует от выхода к входу в проходе 74 вдоль цилиндрической части щитка 70' и радиально изнутри наружу вдоль радиальной части щитка 70'. В приведенном примере щиток 70' вытянут примерно вдоль всей выходной части колеса, и его радиально внешняя часть 100 размещена радиально на уровне выхода диффузора 12. Воздух 138, который поднимается по проходу 74, нагревается от выходной поверхности колеса, затем смешивается с воздухом 140, забираемым с выхода компрессора. Эта смесь воздуха проходит между радиально внешней концевой частью 100 щитка и фланцем диффузора и затем выходит через отверстия 104 фланца 30 фланца 28 диффузора и системой 32. Выходная часть щитка связана сваркой c фланцем 30 фланца диффузора.
В другом варианте воплощения воздух направлен непосредственно в систему 32 через отверстия, открывающиеся одним из концов в кольцевой канал 48 системы, а другим из концов - в выходную часть кольцевого прохода 74.
В варианте на фиг.7 и как объяснено для фиг.5, фланец 28 диффузора содержит входную радиальную часть, которая проходит от входа 22 диффузора к выходу и вдоль радиально внешней части колеса для образования радиального кольцевого пространства 142, сообщающегося своей радиально внешней частью с выходом компрессора. Работа системы вентиляции аналогична описанию для фиг.5.
Варианты, представленные на фиг.8 и 9, отличаются от вариантов воплощения на фиг.2 и 3 тем, что они содержат средства нагнетания вентиляционного воздуха (схематично показан пунктирной линией 150) на выходную часть колеса, этот воздух нагнетается в направлении вращения колеса для уменьшения общей относительной температуры воздуха, нагреваемого колесом.
На фиг.8 выход средств нагнетания воздуха находится у выходной части 34 колеса в проходе 74, ограниченном первым щитком 70. Нагнетаемый воздух смешивается с воздухом 97, проходящим радиально изнутри наружу вдоль выходной поверхности колеса, эта смесь воздуха затем поворачивается к выходу кольцевым элементом 92, выполненным в виде выступа на радиально внешней части колеса.
На фиг.9 второй кольцевой элемент 92' изменения направления потока выполнен в виде выступа на выходной поверхности колеса выше радиально внешней части 100 первого щитка 70 для изменения направления к выходу воздуха, выходящего из прохода 74. Выход нагнетающих средств 150 расположен радиально выше элемента 92', чтобы нагнетаемый воздух 152 циркулировал изнутри наружу вдоль выходной плоскости колеса и был направлен к наружному краю радиально внешней части колеса элементом 92. Воздух 152 затем перемешивается с воздухом, выходящим из прохода 74 в кольцевой камере, образованной кольцевыми щитками 70, 84.
Нагнетающие средства 150 закреплены с помощью соответствующих средств на втором кольцевом щитке и/или на кольцевом фланце диффузора.
Система позволяет равным образом уменьшить температуру вентиляционного воздуха в выходной полости колеса и исключить циркуляцию сильно нагретого воздуха вдоль выходной поверхности колеса.
Нагнетающие средства 150 могут быть также объединены с системами вентиляции (фиг.4-7).