ОБЛОПАЧЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
BLADED ELEMENT FOR TURBO-MACHINE AND TURBO-MACHINE ITSELF

Настоящее изобретение относится к области турбомашин и, в частности, к элементу турбомашины, содержащему набор лопаток с множеством лопаток, которые смещены друг относительно друга в боковом направлении, и вихрегенераторы, расположенные выше по потоку от указанного набора лопаток в аксиальном направлении, которое перпендикулярно указанному боковому направлению.
Термин «турбомашина» в настоящем описании используется для обозначения любой машины, в которой энергия может переноситься между потоком текучей среды и по меньшей мере одним набором лопаток, такой как, например, компрессор, насос, турбина или комбинация по меньшей мере двух из них. Такая турбомашина может иметь множество ступеней, при этом каждая ступень типично имеет два набора лопаток, а именно набор подвижных лопаток и набор неподвижных направляющих лопаток. Каждый набор лопаток содержит множество лопаток, смещенных друг относительно друга в боковом направлении. Типично лопатки расположены радиально вокруг центральной оси. Таким образом, один такой набор лопаток образует ротор, когда он имеет подвижный набор лопаток, или он образует статор, когда содержит набор направляющих лопаток. В таком статоре каждая лопатка типично соединена с внутренним бандажным ободом проксимальным концом или хвостовиком и с внешним бандажным ободом внешним концом или венцом лопатки. Внутренний и внешний бандажные обода обычно установлены соосно, как показано, например, в патентном документе FR 2896019.
Каждая лопатка образует профиль, имеющий сторону всасывания, сторону нагнетания, передний край и задний край, которые при работе подвергаются воздействию потока рабочей текучей среды. В нижеследующем описании термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» определены относительно нормального направления потока рабочей текучей среды. В некоторых рабочих условиях, в частности в компрессоре высокого давления, может случиться так, что этот поток срывается со стороны всасывания. В частности, на хвостовике лопатки может возникнуть трехмерный срыв, образующий «угловой вихрь». Этот угловой вихрь генерируется в результате накопления частиц, имеющих низкую кинетическую энергию, в угле между всасывающей стороной и внутренним бандажным ободом, образующим основания лопатки. В результате это приводит к существенному падению кпд компрессора.
Для уменьшения таких угловых вихрей в WO 2008/046389 А1 предлагалось выше по потоку от набора лопаток помещать вихрегенераторы. При работе вихри, создаваемые вихрегенераторами, подают энергию в поток пограничных слоев, смежных всасывающей стороне, чтобы предотвратить локальный срыв, создающий угловой вихрь лопатки.
Тем не менее, использование таких устройств, генерирующих вихри, приводит к возникновению некоторых проблем. Во-первых, предпочтительно, чтобы вихрегенератор создавал как можно меньшее сопротивление потоку рабочей текучей среды, чтобы минимизировать аэродинамические потери. Во-вторых, вихрегенератор предпочтительно должен локально перенаправлять поток текучей среды так, чтобы направлять вихрь, который он создает, на сторону всасывания. Типично это подразумевает, что вихрегенератор сам должен иметь аэродинамический профиль, и на переднем краю угол атаки должен быть небольшим относительно общего направления потока текучей среды, а на заднем краю угол установки, тем не менее, должен быть большим. Поэтому изготовление элемента турбомашины, содержащего турбогенератор, имеющий аэродинамический профиль и обычно имеющий небольшой размер, влечет значительные трудности и расходы.
Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков посредством элемента турбомашины, содержащего набор лопаток с множеством лопаток, смещенных друг относительно друга в боковом направлении, и вихрегенераторы, расположенные выше по потоку от указанного набора лопаток в аксиальном направлении, перпендикулярном боковому направлению, для эффективного уменьшения локальных срывов на сторонах всасывания лопаток, в то же время создающего низкое аэродинамическое сопротивление, и будучи несложным в изготовлении.
Согласно первому аспекту в по меньшей мере одном варианте осуществления эта цель достигается за счет того, что элемент турбомашины содержит группу из множества вихрегенераторов, расположенных выше по потоку от одного конца каждой лопатки, при этом вихрегенераторы в каждой группе взаимно смещены и вбок, и аксиально. В частности, каждая группа из по меньшей мере трех вихрегенераторов может содержать по меньшей мере три вихрегенертора. Аксиальное и тангенциальное смещение между разными вихрегенераторами в группе выше по потоку от каждой лопатки служит для перенаправления вихрей, создаваемых этими устройствами к всасывающей стороне лопатки, даже если каждое отдельное устройство ориентировано под небольшим углом атаки относительно направления потока текучей среды, т.е. в диапазоне от 5 до 15 градусов, для минимизации создаваемого им сопротивления, и имеет простую форму, чтобы упростить производство.
Согласно второму аспекту по меньшей мере часть вихрегенераторов содержит по меньшей мере одно ребро. В частности, ребро может быть, по существу, прямым. Такое ребро может являться вихрегенератором, который прост в изготовлении. Тем не менее, можно принять к рассмотрению и другие типы вихрегенераторов, как альтернативу ребрам, или в комбинации с ними. Например, часть вихрегенераторов могут содержать по меньшей мере одну прорезь, выполненную в опоре для конца лопатки.
Согласно третьему аспекту вихрегенераторы в каждой группе ориентированы, по существу, параллельно, тем самым еще больше упрощая изготовление вихрегенераторов, в то же время ограничивая аэродинамические потери.
Согласно четвертому аспекту лопатки в наборе лопаток элемента турбомашины расположены радиально вокруг центральной оси. Таким образом, турбомашина адаптирована так, что набор подвижных лопаток вращается вокруг центральной оси. Тем не менее, в принципе возможны и другие формы турбомашины, например, в которой лопатки движутся линейно. В радиальном наборе каждая лопатка имеет проксимальный конец, который называется «хвостовик», и дистальный конец, который называется «венец». В таких обстоятельствах группа из множества вихрегенераторов может находиться выше по потоку от каждого хвостовика. Поскольку угловые вихри с большей вероятностью формируются у хвостовика, вихрегенераторы более полезны в этом положении. Тем не менее, в качестве альтернативы или дополнительно к такой конфигурации, группа из множества вихрегенераторов также может быть расположена выше по потоку от венцов лопатки. Хотя угловые вихри с меньшей вероятностью возникают у венца лопатки, вихрегенераторы возможно могут быть полезны для борьбы с таким явлением в этом положении.
Согласно пятому аспекту набор лопаток элемента турбомашины является выходным набором направляющих лопаток. В компрессоре, в частности в компрессоре высокого давления, угловые вихри с большей вероятностью возникают на выходном наборе направляющих лопаток. Тем не менее, альтернативно или дополнительно к такому выходному набору направляющих лопаток, элемент турбомашины может также содержать набор подвижных лопаток, в частности набор лопаток ротора, с такими вихрегенераторами, расположенными выше по потоку от набора подвижных лопаток для борьбы с появлением угловых вихрей в этом положении.
Вихрегенераторы могут быть выполнены за одно целое с набором лопаток, например, путем включения их формы в литейную форму для изготовления набора лопаток литьем, и/или они могут быть выполнены за одно целое с набором лопаток путем их машинной обработки большими партиями. Тем не менее, альтернативно их можно производить отдельно и крепить выше по потоку от лопаток. В любом случае, высота вихрегенераторов может составлять в частности от 2% до 8% высоты лопаток, расположенных непосредственно ниже по потоку от вихрегенераторов.
Настоящее изобретение также относится к турбомашине, имеющей по меньшей мере один элемент турбомашины по настоящему изобретению. Такая турбомашина может быть компрессором, насосом, турбиной, или комбинацией по меньшей мере двух из этих машин, например турбореактивным, турбовальным двигателем, турбовинтовым двигателем и/или турбокомпрессором. В частности, в турбомашине такой элемент турбомашины может быть элементом компрессора. Альтернативно такой элемент турбомашины может быть элементом насоса или элементом турбины.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания пяти вариантов, приведенных как не ограничивающие примеры, со ссылками на приложенные чертежи.
Фиг. 1 - схематичный продольный вид в разрезе компрессора по предшествующему уровню техники.
Фиг. 2 - схематичный общий вид лопатки компрессора по фиг. 1, на которую воздействует угловой вихрь.
Фиг. 3 - схематичный общий вид сегмента элемента компрессора по первому варианту настоящего изобретения.
Фиг. 4 - схематичная развертка сегмента по фиг. 3 в разрезе по криволинейной плоскости IV-IV.
Фиг. 5 - схематичное изображение фрагмента по фиг. 3 и 4 в продольном разрезе по линии V-V.
Фиг. 6 - схематичный продольный вид в разрезе второго варианта элемента компрессора.
Фиг. 7 - схематичный продольный вид в разрезе третьего варианта элемента компрессора.
Фиг. 8 - схематичный продольный вид в разрезе ступени турбины, состоящей из статора турбины по четвертому варианту и ротора турбины по пятому варианту.
На фиг. 1 показан двухконтурный турбореактивный двигатель и в увеличенном масштабе ступень 1 его компрессора высокого давления. Эта типичная ступень 1 компрессора по предшествующему уровню техники содержит две основные части: вращающийся набор 2 лопаток «ротора» и неподвижный набор 3 направляющих дефлекторов «статора». И в роторе 2, и в статоре 3 лопатки 4 и лопатки 5 расположены радиально вокруг центральной оси Х. Таким образом, каждая лопатка 4 ротора 2 имеет проксимальный конец 4а, известный как «хвостовик» лопатки, прикрепленный к вращающейся ступице 6, и дистальный конец 4b, именуемый «венцом» лопатки, расположенный смежно неподвижному внешнему бандажному ободу 7 корпуса компрессора 1. Аналогично, каждая лопатка 5 статора 3 имеет проксимальный конец 5а, именуемый «хвостовиком» лопатки, который прикреплен к неподвижному внутреннему бандажному ободу 8, и дистальный конец 5b, также известный как «венец» лопатки, прикрепленный к внешнему бандажному ободу 7.
При работе вращение лопаток 4 ротора 2 вокруг центральной оси Х приводит в движение рабочую среду, обычно газ или смесь газов, такую как воздух, и в аксиальном направлении параллельно центральной оси Х, и по окружности в боковом направлении, перпендикулярном аксиальному направлению. Ниже по потоку от ротора 2 лопатки 5 статора 3 выпрямляют поток рабочей среды, направляя ее в аксиальном направлении, и при этом преобразуют большую часть динамического давления рабочей среды в статическое давление.
Конкретная проблема, возникающая в такой ступени 1 компрессора, показана на фиг. 2. У хвостовика 5а лопатки на стороне 5 с всасывания лопатки 5 статора 2 слияние пограничных слоев на стороне 5 с всасывания и на внутреннем бандажном ободе 8 создает область низкой энергии, которая может привести к срыву 9, который называют «угловым вихрем». Этот угловой вихрь 9 оказывает явно негативное влияние на аэродинамические характеристики компрессора 1. В статоре 3 это может усугубляться направленным назад потоком рабочей среды под внутренним бандажным ободом 8 от нижней по потоку к верхней по потоку стороне относительно статора 3, тем самым создавая утечку между ступицей 6 ротора 2 и внутренним бандажным ободом 8, которая привносит возмущения в поток рабочей среды непосредственно выше по потоку от лопаток 5 статора 3. Тем не менее, угловые вихри также могут формироваться на лопатках 4 ротора 2, при этом и на роторе 2, и на статоре 3 они могут формироваться и у хвостовика, и у венца лопаток.
На фиг. 3 показан первый вариант, в котором элемент 100 компрессора содержит набор 103 направляющих лопаток в форме статора, имеющего множество лопаток 105, расположенных радиально вокруг центральной оси X и разнесенных друг относительно друга в боковом направлении, т.е. по окружности. Этот элемент 100 компрессора предназначен для установки непосредственно ниже по потоку от ротора (не показан), который вращается вокруг центральной оси Х, для выпрямления потока рабочей среды ниже по потоку от ротора так, чтобы он протекал в аксиальном направлении, по существу, параллельно центральной оси Х и перпендикулярно боковому направлению. В этом наборе 103, как и в уровне техники, каждая лопатка 105 имеет хвостовик 105а, прикрепленный к внутреннему бандажному ободу 108, и венец 105b, прикрепленный к внешнему бандажному ободу 107.
x
y
x
y
x
y
Для предотвращения, по меньшей мере частично, формирования угловых вихрей у хвостовика 105а лопатки между всасывающей стороной 105с и внутренним бандажным ободом 108 первый вариант элемента 100 компрессора также содержит группу из трех вихрегенераторов 115, расположенных выше по потоку от каждым хвостовиком 105а лопатки, и эти вихрегенераторы имеют форму прямых ребер, прикрепленных к внутреннему бандажному ободу 108. Поскольку эти ребра 115 имеют сравнительно простую форму, не возникает особых проблем с их изготовлением, даже за одно целое с внутренним бандажным ободом 108, используя способы, известные специалистам. В частности, они могут быть выполнены за одно целое с внутренним бандажным ободом 108 и остальной частью набора 103 направляющих лопаток, и после формирования они могут при необходимости подвергаться обрабатывающим операциям, либо они могут изготавливаться отдельно и крепиться к бандажному ободу 108 известными средствами. Альтернативно, их можно обрабатывать в теле внутреннего бандажного обода 108. Типично их высота может находиться в диапазоне от 2% до 8% высоты лопаток 105. Как показано, в частности, на фиг. 4 и 5, эти ребра 115, по существу, параллельны друг другу и образуют угол α атаки, который может находиться в диапазоне от 5 градусов до 15 градусов к направлению Е потока рабочей среду выше по потоку от статора 103, чтобы генерировать вихри ниже по потоку от каждого ребра 115, но не создавая чрезмерного сопротивления потоку. Они также образуют угол β к боковому направлению. Между собой каждая пара смежных ребер 115 имеет аксиальное смещение d и боковое смещение d. Таким образом, расположение ребер 115 представляет угол ϒ=arctan(d/d) к боковому направлению, который в показанном варианте существенно больше угла β. Аксиальное и боковое смещение ребер 115 в каждой группе создает вихри, генерируемые каждым из ребер 115, при этом вихри за счет взаимодействия направляются к всасывающей стороне 105с лопатки 105 так, чтобы более эффективно предотвращать локальный срыв, который может привести к возникновению углового вихря. Вихрь, созданный каждым ребром 115, усиливается вихрем от ребра 115, расположенного непосредственно ниже по потоку, тем самым слегка изменяя направление усиленного вихря к направлению оси его хорды. Хотя в показанном варианте и аксиальное смещение d, и боковое смещение d между первым и вторым ребрами 115 и между вторым и третьим ребрами 115 в каждой группе одинаково, можно предусмотреть разные смещения между различными рядами вихрегенераторов ниже по потоку от набора лопаток.
Хотя в этом первом варианте вихрегенераторы расположены на внутреннем бандажном ободе, для предотвращения возникновения углового вихря на хвостовике лопатки, альтернативно или дополнительно, можно разместить аналогичные устройства на внешнем бандажном ободе для предотвращения образования углового вихря у венца лопатки. Таким образом, во втором варианте, показанном на фиг. 6, элемент 200 компрессора также содержит набор 203 направляющих лопаток в форме статора, имеющего множество лопаток 205, расположенных радиально вокруг центральной оси Х и смеженных друг относительно друга в боковом направлении, т.е. по окружности. Этот элемент 200 компрессора также расположен непосредственно ниже по потоку от ротора (не показан), вращающегося вокруг центральной оси Х для выпрямления потока рабочей среды ниже по потоку от ротора в аксиальном направлении, которое, по существу, параллельно центральной оси и перпендикулярно боковому направлению. В этом наборе 203 направляющих лопаток, как и в первом варианте, каждая лопатка 205 имеет хвостовик 205а, прикрепленный к внутреннему бандажному ободу 208, и венец 205b, прикрепленный к внешнему бандажному ободу 207. Однако в этом втором варианте группа из трех вихрегенераторов 215 расположена выше по потоку от каждого венца 205а лопатки. Форма, расположение и работа этих ребер 215 в остальном, по существу, аналогичны первому варианту, т.е. угол атаки относительно невелик, например, находится в диапазоне от 5 градусов до 15 градусов к направлению потока текучей среды, высота находится в диапазоне от 2% до 8% высоты лопаток 205, и имеется аксиальное и боковое смещение между каждой парой смежных ребер. В этом варианте ребра 215 могут быть сформованы, в частности, за одно целое с внешним бандажным ободом 207, и остальной частью набора 203 направляющих лопаток, и могут подвергаться обрабатывающим операциям на выходе из литейного цеха или они могут изготавливаться отдельно и крепиться к внешнему бандажному ободу 207 известными способами. Тем не менее, в качестве альтернативы, они также могут обрабатываться в теле внешнего бандажного обода 207.
Хотя эти первый и второй варианты вихрегенераторов расположены непосредственно выше по потоку от набора направляющих лопаток, для предотвращения возникновения угловых вихрей на наборе направляющих лопаток и альтернативно или дополнительно к таким другим конструкциям можно разместить аналогичные устройства выше по потоку от набора подвижных лопаток. Так, в третьем варианте, показанном на фиг. 7, элемент 300 компрессора содержит набор 302 подвижных лопаток в форме ротора, имеющего множество лопаток 304, расположенных радиально вокруг центральной оси Х и смеженных друг относительно друга в радиальном направлении, т.е. по окружности. Элемент 300 компрессора выполнен с возможностью вращения вокруг центральной оси Х для приведения в движение рабочей среды, при этом поток рабочей среды затем выпрямляется в аксиальном направлении, которое, по существу, параллельно центральной оси Х и перпендикулярно боковом направлению, набором направляющих лопаток, образующим неподвижный статор (не показан). В этом наборе 302 вращающихся лопаток лопатка 304 имеет хвостовик 304а, прикрепленный к ступице 306, и венец 304b, а также группу из трех вихрегенераторов 315, расположенных выше по потоку от каждого хвостовика 304а лопатки для предотвращения, по меньшей мере частично, образования угловых вихрей у ротора 302. Форма, расположение и работа этих ребер 315 в остальном, по существу, аналогична вышеописанным вариантам, где угол атаки относительно невелик, например находится в диапазоне от 5 градусов до 15 градусов относительно потока рабочей среды, высота находится в диапазоне от 2% до 8% от высоты лопатки 305, и имеется аксиальное и боковое смещение между каждой парой смежных ребер. Типично, они могут быть обработаны в теле ступицы 306. Тем не менее, альтернативно они могут быть сформованы за одно целое со ступицей 306 и остальной частью ротора 302 и при необходимости они могут подвергаться обрабатывающим операциям на выходе из литейного цеха, либо они могут изготавливаться отдельно и затем крепиться к ступице 306 известными средствами.
Хотя в вышеописанных вариантах вихрегенераторы расположены на элементе компрессора, можно применять тот же принцип и к другим элементам турбомашины, например к элементам насоса или к элементам турбины. Так на фиг. 8 показана ступень 401 турбины, имеющая первый элемент 400а турбины с набором 403 неподвижных направляющих лопаток в форме статора, и расположенный ниже по потоку от него второй элемент 400b турбины с набором 402 подвижных лопаток в форме ротора. Набор 403 неподвижных направляющих лопаток имеет множество лопаток 405, расположенных радиально вокруг центральной оси Х и смещенных друг относительно друга в боковом направлении, т.е. по окружности. В этом наборе 403 направляющих лопаток, как и в первом варианте, каждая лопатка 405 имеет хвостовик 405а, прикрепленный к внутреннему бандажному ободу 408, и венец 405b, прикрепленный к внешнему бандажному ободу 407. Для предотвращения, по меньшей мере частично, образования угловых вихрей у хвостовика 405а лопатки, между всасывающей стороной 405с и внутренним бандажным ободом 408, а также у венца 405b лопатки между всасывающей стороной 405с и внешним бандажным ободом 407, этот первый элемент 400 турбины в четвертом варианте также содержит группу из трех вихрегенераторов 415 выше по потоку от каждого хвостовика 405а лопатки в форме прямых ребер, прикрепленных к внутреннему бандажному ободу 408, и группу из трех вихрегенераторов 415b в форме прямых ребер, прикрепленных к внешнему бандажному ободу 407. Форма, расположение и работа этих двух групп ребер 405а и 405b в остальном, по существу, аналогичны первому и второму вариантам, где угол атаки относительно невелик, например находится в диапазоне от 5 градусов до 15 градусов относительно потока текучей среды, высота составляет от 2% до 8% от высоты лопаток 405, и имеется аксиальное и боковое смещение каждой пары смежных ребер. Они могут быть изготовлены одним и тем же способом.
Второй элемент 400b турбины, расположенный ниже по потоку от набора 403 направляющих лопаток, содержит набор 402 подвижных лопаток в форме ротора с множеством лопаток 404, расположенных радиально вокруг центральной оси Х и смещенных друг относительно друга в боковом направлении. Этот второй элемент 400b турбины предназначен для вращения вокруг продольной оси Х под действием потока рабочей среды. В наборе 402 подвижных лопаток каждая лопатка 404 имеет хвостовик 404а, прикрепленный к ступице 406, и венец 404b, а группа из трех вихрегенераторов 415b расположена выше по потоку от хвостовика 404а каждой лопатки для предотвращения, по меньшей мере частично, возникновения угловых вихрей в роторе 402. Форма, расположение и работа этих ребер 415с в остальном аналогична вышеописанным вариантам, где угол атаки относительно невелик, например находится в диапазоне от 5 градусов до 15 градусов относительно потока текучей среды, высота составляет от 2% до 8% от высоты лопаток 404, и имеется аксиальное и боковое смещение каждой пары смежных ребер. Они могут быть изготовлены одним и тем же способом.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты, следует понимать, что в эти варианты можно внести различные изменения и произвести замены, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного формулой. В частности, индивидуальные характеристики различных показанных вариантов можно комбинировать, получая дополнительные варианты. Дополнительно, хотя показанные вихрегенераторы имеют форму прямоугольных ребер, специалисты могут использовать другие формы, например треугольные ребра или щели в бандажных ободах и/или ступице, в зависимости от обстоятельств. Следовательно, описание и чертежи следует считать иллюстративными, а не ограничивающими.