СТАТОР ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ С ЭЛЕРОНАМИ В ХВОСТОВИКАХ ЛОПАТОК
STATOR OF AXIAL TURBO MACHINE WITH AILERONS IN BLADE ROOTS

Предпосылки создания изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к статору осевого компрессора. Точнее настоящее изобретение относится к статору осевой турбомашины, содержащему основные и дополнительные лопатки, соединенные с основными лопатками. Настоящее изобретение также относится к осевой турбомашине, оснащенной статором согласно настоящему изобретению.
Известный уровень техники
[0002] Для выпрямления кольцевого потока осевые турбомашины содержат статоры. Эти ряды лопаток расположены после каждого кольцевого ряда лопаток ротора. Они отклоняют кольцевой поток, превращая таким образом тангенциальную составляющую в осевую. Такой поток теперь может ускоряться посредством следующего кольцевого ряда лопаток ротора, расположенных ниже по потоку.
[0003] Статор обычно содержит внутренний кожух и наружный кожух, между которыми радиально проходят лопатки статора. В действии кольцевой поток может отрываться от лопаток, создавая таким образом энтропию, снижающую эффективность турбомашины.
[0004] Патент FR 2939852 A1 раскрывает лопастной статор, оснащенный промежуточными лопатками. Они могут быть расположены на внутреннем кожухе или на наружном кожухе. Их размеры меньше, чем размеры лопаток статора, и они расположены в расположенной ниже по потоку части статора, утопленной относительно основных лопаток. Такая конструкция статора предусмотрена для снижения потери скорости на кожухе. Однако снижение скорости может происходить на стороне низкого давления лопаток. Они вызывают завихрения, которые затем снижают эффективность турбомашины.
[0005] Патент EP 1927723 B1 раскрывает ступень статора осевого компрессора турбомашины. На стороне низкого давления каждой лопатки расположен ряд пластин. Пластины уменьшают вторичные потоки между лопатками. Однако они расположены в осевом направлении на лопатках. Однако снижение скорости может наблюдаться на поверхности низкого давления лопатки ближе к ее задней кромке. Это снижение скорости вызывает энтропию, снижающую эффективность турбомашины. Наличие множества пластин снижает площадь потока в кольцевом потоке, что создает резкие падения давления.
Краткое описание изобретения
Техническая задача
[0006] Изобретение нацелено на решение по меньшей мере одной из проблем, существующих в известном уровне техники. Конкретнее, изобретение нацелено на повышение мощности статора для выпрямления потока. Более конкретно, изобретение нацелено на повышение давления на выходе лопастного статора. Изобретение также нацелено на повышение производительности компрессора с лопастным статором.
Техническое решение
[0007] Изобретение относится к осевому статору турбомашины, содержащему: кольцевой ряд основных лопаток статора, расположенных радиально, при этом каждая из указанных лопаток содержит сторону высокого давления и сторону низкого давления; ряд дополнительных лопаток статора, расположенных между основными лопатками; при этом каждая из дополнительных лопаток связана с одной из основных лопаток и проходит вдоль и ниже по потоку от стороны высокого давления связанной с ней основной лопатки на расстоянии, составляющем в окружном направлении менее 30% расстояния между двумя соседними основными лопатками.
[0008] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения дополнительные лопатки расположены в целом параллельно основным лопаткам, к которым они относятся, соответственно.
[0009] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая дополнительная лопатка перекрывает в осевом направлении связанную с ней основную лопатку на расстояние C, составляющее от 5% до 50%, предпочтительно от 10% до 30%, ее длины в осевом направлении.
[0010] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения перекрытие в осевом направлении каждой дополнительной лопатки и связанной с ней основной лопатки ограничено расстоянием C.
[0011] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения часть дополнительной лопасти, проходящая от их передней кромки на расстояние, равное 30% их хорды в осевом направлении, выровнена с задней кромкой, соответственно, связанной с ней основной лопатки.
[0012] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения длина хорды каждой дополнительной лопатки является меньшей, предпочтительно на 50%, предпочтительнее на 40%, еще предпочтительнее на 30% длины хорды соответствующей основной лопатки.
[0013] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения хорда каждой дополнительной лопатки образует угол α с хордой соответственно связанной с ней основной лопатки, составляющий от 5° до 45°, предпочтительно от 5° до 20°.
[0014] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая дополнительная лопатка расположена и выровнена таким образом, чтобы во время работы турбомашины создавать отрицательное давление на задней кромке соответствующей основной лопатки, при этом указанное отрицательное давление отклоняет путем всасывания части циркулирующего потока от стороны низкого давления соответствующей основной лопатки в сторону указанной задней кромки.
[0015] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая из дополнительных лопаток имеет сторону высокого давления и сторону низкого давления, при этом последняя обращена к стороне высокого давления соответствующей основной лопатки, сторона низкого давления дополнительной лопатки создает отрицательное давление на задней кромке соответствующей основной лопатки.
[0016] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения хорда каждой дополнительной лопатки образует угол с касательной стороны высокого давления основной лопатки у соответствующей задней кромки, составляющий менее 20°, предпочтительно 15°, предпочтительнее 10°.
[0017] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения дополнительные лопатки перекрывают в осевом направлении соответствующие основные лопатки на расстояние C, составляющее от 5% до 50%, предпочтительно от 10% до 30% их длины в осевом направлении.
[0018] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения дополнительная лопатка имеет высоту в радиальном направлении, составляющую от 10% до 100%, предпочтительно от 10% до 50%, еще предпочтительнее от 15% до 25% высоты в радиальном направлении соответствующей ей основной лопатки.
[0019] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая основная лопатка содержит первую часть и вторую часть, расположенные в радиальном направлении относительно друг друга, при этом вторая часть стороны высокого давления более изогнута в осевом направлении, чем первая часть, при этом каждая дополнительная лопатка проходит в радиальном направлении в целом на расстояние, составляющее от 80% до 120%, предпочтительно от 90% до 110% высоты в радиальном направлении второй части ее соответствующей основной лопатки.
[0020] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая дополнительная лопатка имеет высоту в радиальном направлении в диапазоне от 80% до 120%, предпочтительно от 90% до 110% высоты в радиальном направлении второй части соответствующей основной лопатки.
[0021] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения статор содержит внешнюю цилиндрическую стенку и предпочтительно внутреннюю цилиндрическую стенку, соосную с внешней цилиндрической стенкой, при этом основные лопатки проходят в радиальном направлении от внешней цилиндрической стенки, а дополнительные лопатки проходят в радиальном направлении от внешней цилиндрической стенки и/или внутренней цилиндрической стенки.
[0022] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения дополнительные лопатки и цилиндрическая стенка, или одна из цилиндрических стенок, от которой проходят указанные лопатки, выполнены одним целым, предпочтительно выполнены из композитного или металлического материала.
[0023] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения одна дополнительная лопатка связана с каждой из основных лопаток.
[0024] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения одна дополнительная лопатка расположена между двумя соседними основными лопатками.
[0025] Изобретение также относится к турбомашине, содержащей компрессор и/или турбину по меньшей мере с одним статором, при этом по меньшей мере один статор выполнен согласно настоящему изобретению.
[0026] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения площадь каждой основной лопатки больше площади дополнительной лопатки.
[0027] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения кольцевой ряд основных лопаток содержит по меньшей мере одну основную лопатку, отличную и/или расположенную иным образом по сравнению с другими основными лопатками в ряду.
Заявленные преимущества
[0028] Изобретение способно снизить и/или задержать наступление снижения скорости в потоке, обходящем основную лопатку со стороны низкого давления. Снижение скорости может быть предотвращено. Таким образом, изобретение позволяет увеличить силу, оказываемую лопатками в статоре и улучшить способность последнего выпрямлять поток.
[0029] Каждая дополнительная лопатка косвенно способствует выпрямлению потока. Она обеспечивает содействие основной лопатке своей стороной низкого давления, когда поток обходит сторону низкого давления основной лопатки. Она также оказывает непосредственное содействие благодаря своей геометрии и своей собственной поверхности, проходящей в поток.
[0030] Количество лопаток в таком статоре может быть уменьшено. Проходы между лопатками могут быть расширены, что также повышает производительность. Помимо более легкого веса, такой статор будет менее дорогостоящим в производстве.
[0031] Изобретение повышает производительность компрессора или турбины, установленных с таким статором. Турбомашина, оснащенная таким компрессором и/или такой турбиной, будет более эффективной.
Краткое описание графических материалов
[0032] Фиг. 1 показывает осевую турбомашину согласно изобретению.
[0033] Фиг. 2 показывает вид в разрезе компрессора турбомашины согласно изобретению.
[0034] Фиг. 3 является видом сверху одного из статоров компрессора, показанного на фиг. 1, согласно изобретению.
[0035] Фиг. 4 показывает основную лопатку статора и дополнительную лопатку согласно изобретению.
[0036] Фиг. 5 показывает статор согласно изобретению, в котором лопатки рассматриваются по касательной к цилиндрической форме статора.
Описание вариантов осуществления
[0037] В следующем описании термины внутренний и наружный или внешний относятся к расположению относительно оси вращения осевой турбомашины.
[0038] Фиг. 1 схематически показывает осевую турбомашину. В данном случае это двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбодвигатель 2 содержит первую ступень сжатия, так называемый компрессор 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. В действии механическая энергия турбины 10 передается через центральный вал на ротор 12 и приводит в действие два компрессора 4 и 6. Редукторные механизмы могут повышать скорость вращения, передаваемую на компрессоры. Также различные ступени турбины могут быть соединены со ступенями компрессора посредством концентричных валов. Последние содержат несколько рядов лопаток ротора, связанных с рядами лопаток статора. Таким образом, вращение ротора создает поток воздуха и постепенно закачивает его к впуску камеры 10 сгорания.
[0039] Приточный вентилятор, в целом обозначенный как вентилятор 16, соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, который разделяется на первичный поток 18, проходящий через различные вышеуказанные уровни турбомашины, и вторичный поток 20, проходящий через кольцевой контур (показанный частично) вдоль длины машины, а затем снова соединяющийся с основным потоком на выпуске турбины. Первичный поток 18 и вторичный поток 20 являются кольцевыми потоками и направлены через корпус турбомашины. Для этого корпус имеет внутреннюю и внешнюю цилиндрические стенки или кожухи.
[0040] Фиг. 2 является видом в разрезе компрессора 4 низкого давления осевой турбомашины 2, такого как изображен на фиг. 1. Видна часть турбовентилятора 18, а также передняя часть 22 разделителя первичного 18 и вторичного 20 воздушных потоков. Ротор 12 содержит несколько рядов лопаток 24 ротора, в данном случае три.
[0041] Компрессор 4 низкого давления содержит несколько статоров, в данном случае четыре, при этом каждый статор содержит ряд лопаток 26 статора. Статоры связаны с вентилятором 16 или рядом лопаток ротора для выпрямления воздушного потока, чтобы таким образом преобразовать скорость потока в давление. Совместно ряд лопаток статора и ротора вместе образуют ступень сжатия.
[0042] Статор содержит по меньшей мере одну цилиндрическую стенку, предпочтительно две цилиндрические стенки, сконструированные для направления первичного кольцевого потока 18. Цилиндрические стенки могут быть внутренним кожухом 28 или внешней обшивкой 30. По меньшей мере один статор может содержать один, предпочтительно несколько слоев истираемого материала 32. Предпочтительно компрессор содержит слои истираемого материала 32 под каждым внутренним кожухом 28 и на обшивке 30 на внешних краях каждого ряда лопаток 24 ротора.
[0043] Лопатки 26 статора проходят в целом в радиальном направлении от внешней обшивки к соответствующему внутреннему кожуху 28. Он закреплен на внутренних краях лопаток 26 статора. Последние отстоят друг от друга на равном расстоянии и имеют одинаковый угол направления потока. Предпочтительно эти лопатки идентичны. Факультативно расстояние между лопатками может локально отличаться, как и их угол направления. Некоторые лопатки могут быть отличными от остальных лопаток в ряду.
[0044] Статор содержит основные лопатки 26 статора. По меньшей мере один из статоров оснащен по меньшей мере одной дополнительной лопаткой 34 статора, расположенной ниже по потоку от одной из его основных лопаток 26. Предпочтительно каждая основная лопатка 26 одного статора оснащена дополнительной лопаткой 34. Конструкция из дополнительных лопаток 34 статора образует кольцевой ряд лопаток. Также предпочтительно, чтобы все статоры были оснащены дополнительными лопатками 34.
[0045] Дополнительные лопатки 34 проходят в радиальном направлении от цилиндрической стенки (28, 30). Одна основная лопатка 26 может быть оснащена двумя дополнительными лопатками 34. При этом одна из них проходит в радиальном направлении от внутреннего кожуха 28, а другая - от внешней обшивки 30. Вершины этих двух дополнительных лопаток 34 отстоят друг от друга. Факультативно все лопатки одного статора оснащены двумя дополнительными лопатками 34.
[0046] Внутренний кожух 28 и его дополнительные лопатки 34 могут быть выполнены одним целым. Часть внешней обшивки 30 и ее дополнительные лопатки 34 могут быть выполнены одним целым. Для этого внешняя обшивка 30 может быть сформирована из нескольких наружных кожухов, каждый из которых является частью статора. Статор может быть разделен на сегменты. Статор или сегмент статора может быть выполнен как одно целое. Статор или сегмент статора может быть выполнен из композитных материалов и быть литым, или может быть выполнен из металлических материалов и быть выполненным посредством электроискровой обработки.
[0047] Фиг. 3 является видом сверху части статора компрессора по фиг. 2.
[0048] Статор содержит основные лопатки 26 и дополнительные лопатки 34, каждая из которых связана с основной лопаткой 26. Каждая из основных лопаток 26 содержит переднюю кромку 36 и заднюю кромку 38. Каждая из них имеет сторону 40 высокого давления и сторону 42 низкого давления. Эти стороны проходят от передней кромки 36 лопатки к ее задней кромке 38. Основные лопатки могут быть локально изогнуты или по их общей высоте. Хорды 44 основных лопаток 26 обычно наклонены относительно оси 14 вращения турбомашины.
[0049] Дополнительные лопатки 34 расположены в осевом направлении относительно задних кромок 38 основных лопаток 26 между указанными лопатками. Каждая из дополнительных лопаток 34 связана с основной лопаткой 26, расположенной вблизи задней кромки 38 указанной лопатки. Каждая из дополнительных лопаток 34 содержит переднюю кромку 46 и заднюю кромку 48. Каждая из них имеет сторону 50 высокого давления и сторону 52 низкого давления. Эти стороны проходят от передней кромки 46 лопатки к ее задней кромке 48. Эта сторона 52 низкого давления дополнительной лопатки 34 повернута к стороне 40 высокого давления соответствующей основной лопатки 26.
[0050] Расстояние между основными лопатками 26 превышает расстояние между основными лопатками 26 и соответствующими им дополнительными лопатками 34 больше чем вдвое. Расстояние D1 между передними кромками 36 основных лопаток 26 превышает расстояние D2 по касательной между задней кромкой 38 основной лопатки 26 и передней кромкой 46 соответствующей ей дополнительной лопатки 34 больше чем в два раза, предпочтительно больше чем в четыре раза, еще предпочтительнее больше чем в десять раз.
[0051] Основные лопатки 26 и дополнительные лопатки 34 перекрывают друг друга в осевом направлении. Перекрытие C в осевом направлении составляет от 1% до 90% длины дополнительных лопаток 34, предпочтительно от 10% до 60%, еще предпочтительнее от 20% до 40%.
[0052] Хорды 54 дополнительных лопаток 34 наклонены относительно хорд 44 основных лопаток 26. Угол α составляет от 1° до 30°, предпочтительно от 5° до 20°, еще предпочтительнее от 8° до 12°. Наклон хорд 44 основных лопаток 26 относительно оси 14 статора больше наклона хорд 54 дополнительных лопаток относительно оси 14 статора в целом предпочтительно вдвое.
[0053] Фиг. 4 показывает основную лопатку 26 и соответствующую ей дополнительную лопатку 34.
[0054] Дополнительная лопатка 34 сконструирована для создания области 56 низкого давления в потоке, выпрямленном статором. Эта область 56 низкого давления проходит в осевом и радиальном направлении. В целом она проходит в радиальном направлении от дополнительной лопатки 34. Она также проходит по касательной к стороне высокого давления основной лопатки 26 и предпочтительно на расстоянии от стороны низкого давления основной лопатки 26. Она проходит ниже по потоку от задней кромки 38 основной лопатки 26.
[0055] При такой конфигурации первичный поток 18 от лопаток ротора находится ближе к стороне 42 низкого давления основной лопатки 26. Таким образом, траектории потоков показаны линиями 58 потока. Некоторые из этих линий находятся ближе к стороне 42 низкого давления основной лопатки. Те линии, которые находятся максимально близко к этой стороне, всасываются областью 56 низкого давления рядом с задней кромкой 38 основной лопатки 26.
[0056] Следует отметить, что наиболее удаленная от основной лопатки 26 линия потока отрывается от стороны низкого давления. Эта линия потока не выпрямляется по всей длине основной лопатки 26. Следует отметить, что при отсутствии дополнительных лопаток 34 все линии потока отрываются до достижения ими задней кромки основной лопатки 26, снижая таким образом эффективность статора. Таким образом, изобретение повышает способность статора выпрямлять поток. Оно задерживает и/или уменьшает снижение скорости. Возможно, оно его предотвращает. И сила, создаваемая каждой основной лопаткой, увеличивается. Эффективность каждой основной лопатки статора повышается, таким образом делая возможным уменьшение их количества. Вдобавок к своей экономичности оно также повышает эффективность статора.
[0057] Для создания области 56 низкого давления дополнительная лопатка 34 может иметь различные характеристики. Она может иметь хорду 54, наклоненную относительно хорды основной лопатки 26, наклон которой относительно оси статора меньше, чем наклон основной лопатки 26. Для создания области низкого давления и в то же время для выпрямления потока дополнительная лопатка 34 и/или ее хорда 54 могут быть в целом параллельны задней кромке 38 основной лопатки 26.
[0058] Дополнительно или альтернативно дополнительная лопатка 34 может иметь изгиб. Ее профиль также может быть различной ширины. Таким образом, ее сторона 50 высокого давления и сторона 52 низкого давления имеют значительно отличающуюся длину. Низкое давление является особенно важным на стороне 52 низкого давления.
[0059] Область 56 низкого давления в целом создается расположенной выше по потоку частью дополнительной лопатки 34. Это связано с тем, что в этой точке поток подвергается наибольшему ускорению. Область 56 низкого давления обычно проходит над находящейся выше по потоку одной третью дополнительной лопатки 34. Следовательно, рекомендуется располагать две лопатки относительно друг друга таким образом, чтобы задняя кромка 38 основной лопатки 26 располагалась в осевом направлении в расположенной выше по потоку одной трети дополнительной лопатки 34.
[0060] Область 56 низкого давления в целом может быть симметричной относительно оси. Следовательно, задняя кромка 38 основной лопатки 26 может быть расположена в осевом направлении путем ее отодвигания назад относительно передней кромки 46 дополнительной лопатки 34 на одну шестую ее хорды. Таким образом, задняя кромка 38 основной лопатки 26 будет находиться в точке минимального давления для данного расстояния D2.
[0061] Фиг. 5 показывает статор согласно изобретению, в котором лопатки рассматриваются по касательной к цилиндрической форме статора.
[0062] Статор содержит основные лопатки 26, проходящие в радиальном направлении между внутренним кожухом 28 и обшивкой 30. По меньшей мере одна основная лопатка 26 статора, предпочтительно все основные лопатки статора содержат первую часть 60 и по меньшей мере вторую часть 62, расположенные радиально относительно друг друга. Первая часть 60 может быть внутренней частью, а вторая часть 62 может быть внешней частью. В радиальном направлении на второй или по меньшей мере на одной из вторых частей 62 сторона 40 высокого давления может быть более изогнута в осевом направлении, чем на первой части 60. Это удерживает кольцевой поток 18 на расстоянии от стенки или стенок, ограничивающих движение кольцевого потока.
[0063] Такую изогнутую в осевом направлении конфигурацию можно увидеть в тангенциальном направлении при движении в осевом направлении вдоль стороны 40 высокого давления основной лопатки. Факультативно первая часть 60 имеет профили 64, в которых средние линии 66 в целом являются прямыми линиями. Средние линии 66 профилей 64 второй или одной из вторых частей 62 имеют средние радиусы кривизны, меньшие, чем радиусы средних линий 66 профилей 64 первой части 60.
[0064] Первая часть 60 может быть центральной частью 60, а вторая часть 62 может быть боковой частью 62. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая основная лопатка 26 содержит вторую боковую часть 62, при этом центральная часть 60 расположена между боковыми частями. На обеих боковых частях 62 сторона 40 высокого давления более изогнута в осевом направлении, чем в первой части 60. Боковые части 62 соединены с цилиндрическими стенками статора.
[0065] Боковые части 62 являются таковыми, в которых наиболее вероятно снижение скорости потока на стороне 40 низкого давления. Следовательно, рекомендуется располагать дополнительные лопатки 34 у задних кромок 38. Предпочтительно дополнительные лопатки 34 связаны с каждой второй частью 62 каждой основной лопатки 26 статора. Дополнительные лопатки 34 проходят в радиальном направлении, главным образом, вдоль каждой второй части 62. Каждая из них может проходить на расстояние от 70% до 130%, предпочтительно от 80% до 120%, предпочтительнее от 90% до 110%, высоты в радиальном направлении второй части 62 соответствующей ей основной лопатки 26. Эта особенность предусмотрена для оптимизации площади потока первичного потока 18, занимаемой дополнительными лопатками 34, относительно их эффективности.