ЦЕНТРОБЕЖНАЯ КРЫЛЬЧАТКА КОМПРЕССОРА
COMPRESSOR CENTRIFUGAL IMPELLER

Изобретение относится к центробежной крыльчатке компрессора, предназначенной для того, чтобы через нее проходила текучая среда, в частности газ. Данная крыльчатка предназначена, в частности, для оснащения компрессора турбомашины. Этой крыльчаткой могут оборудоваться все типы турбомашины, наземные или авиационные, в частности турбинный двигатель вертолета.
В частности, изобретение относится к типу центробежной крыльчатки, имеющей ось вращения, переднюю часть небольшого сечения и заднюю часть большого сечения; причем данная крыльчатка содержит лопатки, каждая из которых содержит переднюю кромку или ребро атаки и заднюю кромку или ребро обтекания. Вращение этой крыльчатки приводит к засасыванию текучей среды через переднюю часть крыльчатки; причем осевая скорость текучей среды, проходящей через крыльчатку, постепенно преобразуется в радиальную скорость; причем текучая среда истекает на внешнюю периферию крыльчатки на уровне ребра обтекания лопаток. Упомянутые лопатки в плоскости радиального сечения, разрезающей ребро обтекания этих лопаток, изогнуты в направлении, обратном вращению крыльчатки.
В настоящей заявке понятия «вход» и «выход» определены относительно направления нормального потока текучей среды, проходящей через крыльчатку.
»
Кроме того, ось вращения крыльчатки часто называется более просто - «ось крыльчатки». Осевое направление соответствует направлению оси крыльчатки, а радиальное направление является направлением, которое перпендикулярно этой оси и пересекает эту ось. Также осевая плоскость представляет собой плоскость, содержащую ось крыльчатки, а радиальная плоскость представляет собой плоскость, перпендикулярную этой оси. Наречия «радиальнои «по оси» относятся, соответственно, к осевому направлению и радиальному направлению.
Помимо противоположного определения прилагательные «внутренний» и «внешний» использованы применительно к радиальному направлению; причем внутренняя часть (т.е. радиально внутренняя) конструктивного элемента к оси крыльчатки размещена ближе, чем внешняя часть (т.е. радиально внешняя) того же конструктивного элемента.
И, наконец, помимо противоположного определения, прилагательные «передний» и «задний» использованы применительно к осевому направлению; причем текучая среда подается в переднюю часть крыльчатки.
Компрессор авиационной турбомашины (например, турбинного двигателя вертолета) центробежного типа или смешанного аксиально-центробежного типа содержит одну или множество ступеней сжатия с центробежной крыльчаткой вышеупомянутого типа (которая также называется ротором или центробежным колесом), картер, окружающий с внешней стороны лопатки этой крыльчатки, и один или множество диффузоров, расположенных на выходе этой крыльчатки. Через такой компрессор проходит текучая среда, которой является газ, как правило, воздух.
В крыльчатке абсолютная скорость газа увеличивается вследствие центробежного ускорения, а давление газа повышается вследствие расходящегося поперечного сечения каналов, ограниченных лопатками крыльчатки. Таким образом, газ истекает через заднюю кромку лопаток или ребро обтекания на очень большой скорости.
Известный пример центробежной крыльчатки компрессора изложен в патенте US №3973872.
Технической задачей изобретения является улучшение характеристик (а именно, степени общего сжатия и изэнтропической производительности) крыльчатки вышеупомянутого типа с корректированным расходом и заданными геометрическими размерами.
Эта задача выполняется посредством крыльчатки, в которой в упомянутой плоскости радиального сечения, разрезающей ребро обтекания лопаток крыльчатки, часть ребра обтекания этих лопаток (т.е. часть, расположенная на уровне внешней кромки задней части лопаток) выпрямлена в направлении вращения крыльчатки таким образом, что она образует торцевую лопасть, позволяющую отклонять поток жидкой или газообразной среды, радиально выпрямляя этот поток.
В общей сложности такое отклонение потока текучей среды позволяет увеличить степень общего сжатия без снижения изэнтропической производительности крыльчатки.
Кроме того, максимально эффективно контролируя такое отклонение, представляется возможным увеличить степень общего сжатия без нагревания. Таким образом, увеличение степени общего сжатия также выражается более или менее большим повышением изэнтропической производительности крыльчатки.
И в заключение, благодаря торцевым лопастям, улучшены характеристики крыльчатки.
Такая центробежная крыльчатка компрессора может содержать два типа лопаток: так называемые «основные» лопатки и так называемые «промежуточные» лопатки. Промежуточные лопатки, необязательные, устанавливаются между основными лопатками и отличаются от последних тем, что они короче в осевом направлении: они имеют более короткую переднюю часть, причем ребро атаки промежуточных лопаток расположено в стороне (а именно, сзади) относительно ребра атаки основных лопаток.
Согласно способу практической реализации, крыльчатка содержит только основные лопатки (т.е. не содержит промежуточных лопаток); причем эти основные лопатки содержат торцевые лопасти вышеупомянутого типа.
Согласно другому способу практической реализации, крыльчатка содержит основные лопатки и промежуточные лопатки. В этом случае или только основные лопатки содержат торцевые лопасти вышеупомянутого типа, или только промежуточные лопатки содержат торцевые лопасти вышеупомянутого типа, или основные лопатки и промежуточные лопатки содержат торцевые лопасти вышеупомянутого типа.
Согласно способу практической реализации, в упомянутой плоскости радиального сечения, разрезающей ребро обтекания лопаток крыльчатки, упомянутая торцевая лопасть образует с частью лопатки, расположенной непосредственно перед этой торцевой лопастью, тупой угол, который больше или равен 155° и строго меньше 180°.
Согласно способу практической реализации, когда основные лопатки крыльчатки содержат торцевую лопасть, данная торцевая лопасть проходит от ребра обтекания основной лопатки крыльчатки на длину, которая измерена вдоль внешней кромки (искривленной) этой основной лопатки и представляет собой менее 15% общей длины этой внешней кромки и, в частности, более 2% и менее 10% общей длины этой внешней кромки.
Согласно способу практической реализации, когда промежуточные лопатки крыльчатки содержат торцевую лопасть, упомянутая торцевая лопасть проходит от ребра обтекания промежуточной лопатки на длину, которая измерена вдоль внешней кромки этой промежуточной лопатки и представляет собой менее 15% общей длины этой внешней кромки и, в частности, более 2% и менее 10% общей длины этой внешней кромки.
Вышеупомянутые разницы значений угла и длины лопасти позволяют, в отдельности или в сочетании друг с другом, дополнительно улучшить характеристики крыльчатки.
Изобретение также относится к компрессору, содержащему центробежную крыльчатку согласно изобретению. Речь может идти о компрессоре центробежного типа, т.е. о компрессоре, содержащем, по меньшей мере, одну ступень сжатия, оснащенную центробежной крыльчаткой, или о компрессоре смешанного аксиально-центробежного типа, т.е. о компрессоре, содержащем, по меньшей мере, одну ступень сжатия, оснащенную осевой крыльчаткой и, по меньшей мере, одну ступень сжатия, оснащенную центробежной крыльчаткой.
Изобретение также относится к турбомашине и, в частности, к турбинному двигателю вертолета, содержащему компрессор согласно изобретению.
Изобретение и его преимущества станут лучше понятны после изучения нижеследующего детального описания примера практической реализации изобретения, приведенного в качестве иллюстрации, не имеющей ограниченного характера. Это описание выполнено со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых:
- фиг.1 изображает схематично и частично, в осевом сечении турбинный двигатель вертолета с компрессором, содержащим центробежную крыльчатку согласно изобретению (центробежная крыльчатка и турбины турбинного двигателя изображены не в разрезе, а сбоку);
- фиг.2 изображает схематично центробежную крыльчатку, представленную на фиг.1, отдельно от остальной части турбинного двигателя;
- фиг.3 изображает схематично и частично в перспективе заднюю часть двух лопаток центробежной крыльчатки, представленной на фиг.1;
- фиг.4 изображает схематично и частично заднюю часть одной из лопаток, представленных на фиг.3, в разрезе, выполненном в плоскости радиального сечения, разрезающего ребро обтекания этой лопатки, причем эта плоскость сечения IV-IV видна на фиг.2.
Пример турбинного двигателя 10 вертолета, изображенного на фиг.1, содержит компрессор 16 центробежного типа с одной ступенью сжатия. Данный компрессор 16 содержит центробежную крыльчатку 18, согласно изобретению, и картер 15, окружающий снаружи лопатки 24, 25 крыльчатки 18. Диффузор 19 расположен на выходе крыльчатки 18.
Турбинный двигатель 10 содержит воздухозаборник 12, причем воздух проходит через этот воздухозаборник 12 для попадания в компрессор 16. Вращение крыльчатки 18 вокруг ее оси вращения A приводит к всасыванию воздуха через переднюю часть крыльчатки, а осевая скорость текучей среды, которая проходит через крыльчатку 18, постепенно преобразуется в радиальную скорость; причем текучая среда истекает на внешнюю периферию крыльчатки 18. Воздух попадает в крыльчатку 18 в направлении, скорее параллельном оси А вращения крыльчатки, которое обозначено на показанном на фиг.1 сечении стрелками F1, и истекает из крыльчатки 18 в направлении, скорее перпендикулярном оси A, которое обозначено стрелками F2.
Воздух, истекающий из крыльчатки 18, проходит сквозь диффузор 19 перед попаданием в камеру сгорания 20. Топочные газы, истекающие из камеры 20, приводят в движение турбину высокого давления 22 и турбину низкого давления 23.
Крыльчатка 18 установлена на валу 21, который приводится во вращение посредством турбины высокого давления 22.
Как это показано на фиг.2, крыльчатка 18 содержит переднюю часть небольшого сечения и заднюю часть большого сечения. Крыльчатка 18 содержит множество основных лопаток 24, проходящих в осевом направлении от передней стороны 18A крыльчатки до радиального диска 17, расположенного сзади крыльчатки 18, и радиально - от втулки крыльчатки до внешней периферии крыльчатки. Каждая из основных лопаток 24 содержит ребро атаки 24A, расположенное на переднем конце крыльчатки 18, и ребро обтекания 24F, расположенное на внешней периферии крыльчатки 18, непосредственно перед радиальным диском 17.
Кроме того, крыльчатка 18 содержит промежуточные лопатки 25, которые установлены между основными лопатками 24 и отличаются от последних тем, что они в осевом направлении короче: ребро атаки 25A этих лопаток 25 располагается в стороне (т.е. сзади) относительно ребра атаки 24A основных лопаток 24. И напротив, ребро обтекания 25F промежуточных лопаток 25 расположено на том же радиальном расстоянии от оси A, что и ребро обтекания 24F лопаток 24.
На фиг.3 детально и в перспективе изображена задняя часть основной лопатки 24 и промежуточной лопатки 25 крыльчатки 18.
В плоскости радиального сечения (т.е. перпендикулярно оси А), разрезающей ребро обтекания 24F, 25F лопаток 24, 25 крыльчатки 18, как плоскость IV-IV, показанная на фиг.2, лопатки 24, 25 изогнуты в направлении, обратном вращению крыльчатки; причем направление вращения крыльчатки 18 обозначено стрелкой R на фиг.3 и 4.
В этой же плоскости радиального сечения часть ребра обтекания упомянутых лопаток 24, 25 выпрямлена в направлении вращения крыльчатки таким образом, что она образует торцевую лопасть 26, 27, позволяя отклонять поток воздуха, радиально его выпрямляя.
В этой плоскости радиального сечения торцевая лопасть 26, 27 образует с частью лопатки 24, 25, расположенной непосредственно перед этой лопастью 26, 27, тупой угол T, который больше или равен 155° и строго меньше 180°. Этот угол T виден на фиг.4, которая представляет собой вид в разрезе основной лопатки 24 в плоскости радиального сечения IV-IV, показанного на фиг.2.
В показанном примере основные лопатки 24 и промежуточные лопатки 25 содержат торцевые лопасти 26, 27. В других примерах практической реализации (не показаны) только основные лопатки 25 или только промежуточные лопатки 25 содержат такие торцевые лопасти.
Согласно примеру практической реализации, когда торцевые лопасти 26 присутствуют на основных лопатках 24, длина (по криволинейной абсциссе) каждой торцевой лопасти 26, измеренная вдоль изогнутой внешней кромки 24E упомянутой лопатки 24, не содержит больше 15% общей длины данной внешней кромки 24E. Например, длина торцевой лопасти содержит, по меньшей мере, 2% и не более 10% общей длины внешней кромки 24E.
Согласно примеру практической реализации, когда торцевые лопасти 27 присутствуют на промежуточных лопатках 25, длина (по криволинейной абсциссе) каждой торцевой лопасти 27, измеренная вдоль изогнутой внешней кромки 25E упомянутой лопатки 25, представляет собой не больше 15% общей длины данной внешней кромки 25E. В частности, длина торцевой лопасти представляет собой, по меньшей мере, 2% и не более 10% общей длины внешней кромки 25E.