КРЫЛЬЧАТКА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLER

Уровень техники изобретения
Настоящее изобретение относится к области центробежных компрессоров.
Конкретнее изобретение относится к крыльчатке центробежного компрессора, имеющей диск и лопатки, прикрепленные к диску на передней поверхности диска, причем каждая из которых имеет передний край и задний край, и изобретение также относится к центробежному компрессору, включающему такую крыльчатку, и к турбинному двигателю, включающему такой центробежный компрессор. В этом контексте выражение "турбинный двигатель" обозначает машины, такие как, например: прямоточные или двухконтурные турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели, турбовальные двигатели и/или турбокомпрессоры.
В описании ниже выражения "расположенный перед" и "расположенный после" определены относительно нормального направления потока текучей среды через компрессор. Выражения "передний", "задний", "аксиальный" и "радиальный" определены относительно оси вращения крыльчатки.
Центробежный компрессор обычно имеет неподвижный участок и вращательный участок, называемый "крыльчаткой" и удерживающий вращательные лопатки компрессора. При работе крыльчатка обычно вращается с высокой скоростью. В связи с этим она подвергается воздействию центробежных напряжений.
Форма крыльчатки центробежного компрессора определяется потоком текучей среды через компрессор. Обычно в таком центробежном компрессоре текучая среда входит в компрессор в направлении, которое является по существу аксиальным, т.е. параллельным оси вращения крыльчатки. Канал потока и вращательные лопатки направляют текучую среду радиально наружу таким образом, что текучая среда покидает крыльчатку в направлении, которое является по существу ортогональным оси вращения крыльчатки. В связи с этим лопатки имеют передние края, которые являются по существу радиальными, и задние края, которые являются по существу аксиальными, расположенные еще дальше от оси вращения крыльчатки в радиальном направлении и расположенные аксиально за передними краями.
Диск скрепляет вращательные лопатки вместе и прикрепляет их к валу компрессора. С этой целью каждая лопатка прикреплена к диску и расположена на передней поверхности диска. Диск также служит для определения поверхности притупления канала потока текучей среды через крыльчатку. Таким образом, диск обычно является осесимметричным и постепенно изгибается наружу в аксиальном направлении. Посредством диска и лопаток, имеющих эту форму, центробежное ускорение создает изгибающий момент на крыльчатке, стремящийся изгибать вперед периферию крыльчатки. Этот изгибающий момент непрерывно увеличивается при переходе от периферии крыльчатки по направлению к соединению между диском и валом компрессора, и становится необходимо поддерживать большие величины зазора при работе компрессора на промежуточных скоростях, тем самым ухудшая производительность машины. Для того чтобы противостоять этому моменту, обычно делались предложения по усилению диска и средства крепления крыльчатки к вращательному валу. Однако усиление вращательных участков крыльчатки компрессора таким образом приводит к очень значительному избыточному весу, так как вес, который добавляется близко к каналу потока воздуха, также будет требовать увеличения габаритов крыльчатки.
Для преодоления этого недостатка патент США № 4 060 337 предлагает исключение большого участка диска крыльчатки и соединение лопаток только в основании и на периферии. Однако такой компрессор страдает от значительного падения аэродинамической характеристики крыльчатки из-за потока со стороны нагнетания к стороне всасывания каждой лопатки.
В заявке на патент Великобритании GB 2 472 621 A сделаны предложения по соединению крыльчатки с вращательным валом с помощью двух венцов с аксиальным смещением для того, чтобы ограничивать наличие материала на крыльчатке только его функциональными зонами. Заявка на патент США US 2010/0098546 A1 предлагает создавать диск крыльчатки полой на ее периферии так, что периферийный вес крыльчатки ограничивается и размещается оптимально, тем самым позволяя оптимизировать компрессор. Тем не менее уменьшения веса, которые могут получаться этими двумя путями, затрудняются из-за трудностей изготовления конечной цельной части.
Патент Германии DE 906 975 предлагает крыльчатку, в которой диск располагается еще дальше вперед в аксиальном направлении на ее периферии, чем на промежуточном диаметре крыльчатки. Тем не менее такой диск также требует прикреплять к кромкам лопатки усиливающий диск для того, чтобы ограничивать деформацию периферии крыльчатки в аксиальном направлении, что может быть затруднительным для адаптации к существующему компрессору или к авиационному двигателю, где ограничение веса является основным приоритетом. Заявка на патент США US 2007/0077147 и патент Великобритании GB 553 747 показывают другие крыльчатки с дисками, которые выдвинуты на периферии, но которые, тем не менее, не предлагаются для решения проблемы аксиальной деформации крыльчатки при высоких скоростях.
Задача и сущность изобретения
Настоящее изобретение стремится исправить эти недостатки. В первом аспекте точка пересечения между задним краем и хвостом лопатки расположена еще дальше вперед, чем хвост лопатки на промежуточном диаметре крыльчатки. В частности, она может располагаться еще дальше вперед на по меньшей мере половине толщины диска. В дополнение, точка пересечения между задним краем и кромкой лопатки также расположена еще дальше вперед, чем кромка лопатки на промежуточном диаметре крыльчатки. Таким образом, изгибающий момент на периферии крыльчатки инвертируется, а его максимальное абсолютное значение уменьшается, тем самым ограничивая деформации крыльчатки в аксиальном направлении при поддержании хорошей аэродинамической эффективности.
Во втором аспекте на периферии крыльчатки передняя поверхность ориентирована в направлении, которое является по существу радиальным. Это служит для выпрямления потока текучей среды на выходе из крыльчатки и, таким образом, делает возможным использование традиционного радиального диффузора, расположенного после крыльчатки.
В третьем аспекте крыльчатка также включает венец, соединенный с задней поверхностью диска и пригодный для крепления к вращательному валу. В частности, венец может включать радиальный крепежный диск. Это делает возможным крепление крыльчатки к вращательному валу компрессора таким образом, который является эффективным и сравнительно легковесным.
В четвертом аспекте центробежный компрессор также имеет крышку, покрывающую лопатки так, чтобы взаимодействовать с диском для определения канала потока текучей среды между передними краями и задними краями лопаток. Таким образом, аэродинамические потери центробежного компрессора могут значительно уменьшаться путем ограничения текучей среды, перетекающей со стороны нагнетания к стороне всасывания каждой лопатки. В частности, далее крышка может включать по меньшей мере одну крепежную точку ближе к задним краям лопаток крыльчатки, чем к передним краям лопаток крыльчатки. Так как аксиальное перемещение радиальной периферии крыльчатки на высокой скорости может ограничиваться отсутствием биекции в аксиальном направлении изгиба, образованного передней поверхностью диска, аксиальное крепление крышки может располагаться ближе к периферии крыльчатки, таким образом, делая возможным ограничение зазора между крышкой и лопатками крыльчатки на периферии крыльчатки при промежуточных скоростях, тем самым увеличивая аэродинамическую эффективность. Альтернативно, крышка может быть прикреплена к лопаткам так, чтобы образовывать закрытую крыльчатку.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть хорошо понято, и его преимущества представлены лучше при изучении следующего далее подробного описания вариантов выполнения, представленных в качестве неограничивающих примеров. Описание относится к сопровождающим чертежам, на которых:
Фигура 1 представляет собой схематический вид в продольном сечении турбинного двигателя, включающего центробежный компрессор;
Фигура 2 представляет собой вид в продольном сечении крыльчатки для центробежного компрессора известного уровня техники;
Фигура 3 представляет собой вид в продольном сечении центробежного компрессора в первом варианте выполнения изобретения; и
Фигура 4 представляет собой вид в продольном сечении крыльчатки для центробежного компрессора во втором варианте выполнения изобретения.
Подробное описание изобретения
Турбинный двигатель и конкретнее турбовальный двигатель 1 показан схематически с целью объяснения на Фигуре 1. В направлении потока рабочей текучей среды турбовальный двигатель 1 содержит: аксиальный компрессор 2; центробежный компрессор 3; камеру 4 сгорания; первую аксиальную турбину 5; и вторую аксиальную турбину 6. В дополнение, турбовальный двигатель 1 имеет первый вращательный вал 7 и второй вращательный вал 8, коаксиальный с первым вращательным валом 7.
Второй вращательный вал 8 соединяет аксиальный компрессор 2 и центробежный компрессор 3 с первой аксиальной турбиной 5 так, что расширение рабочей текучей среды посредством первой аксиальной турбины 5, расположенной после камеры 4 сгорания, служит для приведения в движение компрессоров 2 и 3, расположенных перед камерой 4 сгорания. Первый вращательный вал 7 соединяет вторую аксиальную турбину 6 с выходом 9 мощности, размещенным после и/или перед двигателем таким образом, что последовательное расширение рабочей текучей среды во второй аксиальной турбине 6, которая расположена после первой аксиальной турбины 5, служит для приведения в движение выхода 9 мощности.
Таким образом, последовательные сжатия рабочей текучей среды в аксиальном и центробежном компрессорах 2 и 3, сопровождаемые нагреванием рабочей текучей среды в камере 4 сгорания и ее расширением во второй аксиальной турбине 6, служат для преобразования части тепловой энергии, получаемой путем сгорания в камере 4 сгорания, в механическую работу, которая извлекается с помощью выхода 9 мощности. В показанном турбинном двигателе движущая текучая среда представляет собой воздух с добавленным к нему топливом и сжигаемым в камере 4 сгорания, причем топливо может представлять собой, например, углеводород.
При работе вращательные валы 7 и 8 вращаются со скоростями от около 5000 оборотов в минуту до 60000 оборотов в минуту. Вращательные участки компрессоров 2 и 3 и турбин 5 и 6 в связи с этим подвергаются воздействию высоких уровней центробежных сил. Со ссылкой на Фигуру 2 можно увидеть, как эти центробежные силы воздействуют на крыльчатку 101 традиционного центробежного компрессора, который известен специалисту в области техники. Крыльчатка 101 имеет по существу осесимметричный диск 102, имеющий переднюю поверхность 103 и заднюю поверхность 104. Лопатки 105 закреплены с помощью хвостов 115 лопаток на передней поверхности 103 диска 102. Каждая лопатка 105 также имеет кромку 116 лопатки, удаленную от хвоста 115 лопатки, передний край 106, который ориентирован по существу радиально, и задний край 107, который ориентирован по существу аксиально и который расположен радиально наружу и аксиально за передним краем 106. Таким образом, при работе рабочая текучая среда всасывается в переднюю часть 108 крыльчатки 101 и направляется лопатками 105 к периферии 109 крыльчатки 101, следуя по каналу потока текучей среды, определенному внутри диском 102 и снаружи невращательной крышкой 110 центробежного компрессора, которая расположена близко к кромке 116 лопатки.
c
2
На ее задней поверхности диск 102 прикреплен к венцу 111, имеющему диск для крепления к вращательному валу. Таким образом, венец 111 и этот диск определяют плоскость А для передачи радиальных сил от крыльчатки 101 к вращательному валу. Из-за высокой скорости вращения крыльчатки 101 центробежные силы, приложенные к крыльчатке 101, представляют большую часть этих радиальных сил. Тем не менее, так как центробежная сила F пропорциональна квадрату угловой скорости вращения ω, умноженной на расстояние от оси вращения X крыльчатки 101, по формуле ωr центробежные силы, приложенные на периферии 109 крыльчатки 101, являются преобладающими.
c
F
F
p
Таким образом, в традиционной крыльчатке 101, которая показана, центробежные силы F, воздействующие на периферию 109 крыльчатки 101, создают изгибающий момент M в крыльчатке 101, стремящийся заставлять периферию 109 крыльчатки 101 наклоняться вперед. Этот изгибающий момент M непрерывно увеличивается от периферии 109 крыльчатки 101 до соединения между диском 102 и венцом 111. Для того чтобы ограничивать изгибание крыльчатки 101, диск 102, венец 111 и диск необходимо усиливать, тем самым приводя к значительному увеличению общего веса крыльчатки 101. В дополнение, для того чтобы вмещать перемещение вперед на периферии 109 крыльчатки 101, обычно необходимо обеспечивать большую величину зазора d на периферии крыльчатки 101 между кромками 105 лопаток и крышкой 110 при работе на менее чем полной скорости, и это приводит к высоким уровням аэродинамических потерь, или даже может быть необходимо обеспечивать весьма сложные крепежные конструкции для крышки 110 с целью заставлять крышку 110 перемещаться вперед с увеличением скорости компрессора.
Фигура 3 показывает центробежный компрессор 3 с крыльчаткой 201 в первом варианте выполнения изобретения. Эта крыльчатка 201 подобным образом имеет по существу осесимметричный диск 202 с передней поверхностью 203 и задней поверхностью 204. Как в крыльчатке, показанной на Фигуре 2, лопатки 205 закреплены с помощью хвостов 215 лопаток на передней поверхности 203 диска 202, причем каждая лопатка также имеет кромку 216 лопатки, удаленную от хвоста 215 лопатки, передний край 206 по существу радиальной ориентации и задний край 207 по существу аксиальной ориентации, расположенный радиально снаружи и аксиально за передним краем 206. По периферии крыльчатки 201 компрессор 3 имеет традиционный радиальный диффузор 212 с направляющими лопастями 213. При работе рабочая текучая среда, таким образом, всасывается через переднюю часть 208 крыльчатки 201 и направляется лопатками 205 к периферии 209 крыльчатки 201, следуя по каналу потока текучей среды, определенному внутри диском 202 и снаружи невращательной крышкой 210 для того, чтобы достигать радиального диффузора 212.
i
i
c
F
F
i
F
F
p
На его задней поверхности диск 202 также прикреплен к венцу 211, имеющему диск для крепления к вращательному валу. Тем не менее в этой крыльчатке 201 диск 202 изогнут так, что периферийный сегмент диска 202 наклоняется вперед от промежуточного диаметра D, тем самым представляя переднюю поверхность 203, которая является вогнутой. В результате на периферии 209 крыльчатки 201 эта передняя поверхность 203 перемещается вперед на расстояние L относительно промежуточного диаметра D. Это расстояние L является существенным и, в частности, оно больше половины толщины d диска 202 на периферии 209 крыльчатки 201. Вследствие этого на обращенном вперед периферийном сегменте 202с центробежные силы F создают изгибающий момент M, который стремится заставлять периферийный сегмент 202c наклоняться не вперед, а в противоположном направлении, т.е. назад. Величина этого изгибающего момента M увеличивается при переходе от периферии 209 до промежуточного диаметра D, где она достигает локального максимума. Далее, она уменьшается по возможности до такой степени, чтобы реверсировать направление изгибающего момента M. Таким образом, так как изгибающий момент M не увеличивается непрерывно от периферии 209 до соединения диска 202 с венцом 211, он достигает уровней, которые значительно меньше, чем в крыльчатке 101 известного уровня техники, тем самым позволяя использовать венец 211 и крепежный диск, которые являются более легковесными. В дополнение, так как аксиальные перемещения периферии 209 крыльчатки 201 уменьшаются, зазор d между кромками лопаток 205 на периферии крыльчатки 201 и крышкой 210 также может уменьшаться, а крышка 210 может крепиться сравнительно жестким образом в крепежной точке 214 ближе к задней части крышки 210 и, таким образом, к задним краям 207, чем к передней части крышки 210 и передним краям 206.
Дополнительное преимущество заключается в меньшем аксиальном размере крыльчатки 201, в частности в меньшем аксиальном расстоянии между впуском для рабочей текучей среды на передней части крыльчатки 201 и ее выпуском на периферии 209 крыльчатки 201. В частности, в турбинном двигателе, таком как турбовальный двигатель 1, показанный на Фигуре 1, это делает возможным перемещение передних элементов компрессора вперед в значительной степени, т.е. в показанном варианте выполнения горячие участки, такие как камера 4 сгорания и первая, и вторая аксиальные турбины 5 и 6, могут перемещаться вперед, тем самым уменьшая общий аксиальный размер турбинного двигателя.
В показанном на Фигуре 3 варианте выполнения внешний край периферийного сегмента 202с диска 202 изогнут так, чтобы перенаправлять переднюю поверхность 203 диска 202 в радиальном направлении, тем самым обеспечивая, что канал потока текучей среды возвращается к радиальному направлению так, чтобы сделать возможным использование показанного традиционного радиального диффузора 212. Тем не менее в альтернативном варианте выполнения, который показан на Фигуре 4, в котором каждый эквивалентный элемент представлен такой же ссылочной позицией, как на Фигуре 3, канал потока текучей среды не приводится обратно к радиальному направлению, тем самым облегчая изготовление крыльчатки, даже если диффузор, расположенный после крыльчатки, необходимо преобразовывать для соответствия этому.
Центробежный компрессор с крыльчаткой 201 вида, показанного на Фигурах 3 и 4, может использоваться, помимо других использований, в турбинных двигателях, таких как турбовальный двигатель 1, показанный на Фигуре 1, однако он также может использоваться в прямоточных или двухконтурных турборективных двигателях, в турбовинтовых двигателях, в турбовальных двигателях и/или в турбокомпрессорах. За счет его меньшего веса он в особенности предпочтителен в авиационном применении, таком как, например, движущееся неподвижное крыло и/или летательный аппарат с вращательным валом, с или без пилота, независимо от того, легче ли они воздуха или тяжелее воздуха. Тем не менее также могут предусматриваться другие неавиационные применения, известные специалисту в области техники, такие как, например, движущиеся наземные и/или водные суда, включая транспортные средства на воздушной подушке, генерирующие электричество, насосные станции и/или другие промышленные применения. Такой центробежный компрессор может образовывать единственную ступень системы компрессии или один или более ступеней многоэтапной системы компрессии, включая ступени, которые могут быть аксиальными, центробежными или смешанными аксиальными и центробежными, т.е. имеющими по меньшей мере одну центробежную ступень и ступень, которая является аксиальной или смешанной.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на специальные варианты выполнения, ясно, что могут выполняться различные преобразования и изменения этих вариантов выполнения без выхода за пределы общего объема охраны изобретения, который определен формулой изобретения. В частности, индивидуальные характеристики различных показанных вариантов выполнения могут быть объединены в дополнительных вариантах выполнения. Вследствие этого описание и чертежи должны рассматриваться в иллюстрирующем, а не в ограничивающем смысле.