Рециркулюючий пристрій для турбокомпресора, авіаційний двигун та стаціонарна газова турбіна, оснащені рециркулюючим пристроєм

1. Рециркулюючий пристрій для турбокомпресора, що має розташовану концентрично осі турбокомпресора в зоні вільних кінців лопаток лопаткового вінця кільцеву камеру, яка у радіальному напрямку граничить з контуром основного проточного каналу, так названого кільцевого простору, і з її сторони, що граничить з контуром основного проточного каналу, по всій її осьовій довжині і по всій її окружності відкрита в сторону цього основного проточного каналу і яка оснащена багатьма розташованими всередині неї і розподіленими по її окружності напрямними елементами, які за рахунок їх відповідного розміщення і надання їм відповідної форми забезпечують у задній в осьовому напрямку частині кільцевої камери аеродинамічне раціональне надходження до неї рециркуляційного потоку, а в передній в осьовому напрямку частині кільцевої камери забезпечують вихід з неї рециркуляційного потоку в заданому напрямку, а також необов'язково його закручування у визначеному напрямку щодо розташованого далі за ходом потоку лопаткового вінця, при цьому в передній і/або задній частині кільцевої камери між її передньою, відповідно задньою стінкою і напрямними елементами є виїмки для проходу потоку в обводовому напрямку кільцевої камери, який відрізняється 2 (19) 1 3 76596 4 хилу або скривлення кути β підібрані з таким розбокомпресора виключається зіткнення кінців (28) рахунком, щоб полегшити з аеродинамічної точки лопаток з напрямними елементами (40). зору, тобто забезпечити аеродинамічне раціона10. Рециркулюючий пристрій за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що нальне надходження рециркуляційного потоку в кільцеву камеру (29-32). прямні елементи (37-40) виконані з металу, такого 8. Рециркулюючий пристрій за будь-яким з попеяк сталь або сплав на основі Ni або Co, з легкого редніх пунктів, який відрізняється тим, що співметалу, такого як Аl, або із синтетичного матеріавідношення між загальним об'ємом потоку і загалу, такого як термопласт, реактопласт або еласльним об'ємом напрямних елементів (37-40) у томер. 11. Рециркулюючий пристрій за п. 10, який відрізмежах рециркуляційної структури (1-4) підібрано няється тим, що вільні кромки (41-44) напрямних максимально можливим, тобто напрямні елементи (37-40) виконані мінімально можливої товщини, елементів (37-40), якщо вони виконані з легкого відповідно спрофільовані мінімально тонкими. металу або синтетичного матеріалу, доходять аж 9. Рециркулюючий пристрій за будь-яким з попедо зони вільних кінців (25-28) лопаток і допускають редніх пунктів, у якому напрямні елементи в осьоможливість зіткнення з ними. вому напрямку доходять аж до зони вільних кінців 12. Авіаційний двигун, оснащений турбокомпресолопаток, який відрізняється тим, що вільні кромки ром щонайменше з одним рециркулюючим при(44) напрямних елементів (40) щонайменше на строєм за будь-яким з попередніх пунктів. ділянці, розташованій радіально напроти вільних 13. Стаціонарна газова турбіна, оснащена турбокінців (28) лопаток, радіально віддалені від них на компресором щонайменше з одним рециркулюютаку відстань, при якій при нормальній роботі турчим пристроєм за будь-яким з пп. 1-11. Даний винахід відноситься до рециркуляційної структури для турбокомпресора відповідно до обмежувальної частини п.1 формули винаходу, а також до авіаційного двигуна і стаціонарної газової турбіни. Рециркуляційні структури для турбокомпресорів відомі вже досить давно і серед фахівців звичайно називаються пристроями типу "casing treatment" (вбудованими в корпус рециркуляційними пристроями). Основне призначення таких пристроїв полягає в розширенні області аеродинамічно стійкої роботи компресора за рахунок зсуву так названої границі помпажу убік більш високих значень створюваного компресором тиску, тобто убік більш високих значень навантаження компресора. Збурення, відповідальні за виникнення локального зриву потоку і в остаточному підсумку за виникнення помпажу компресора, з боку корпуса виникають на кінцях лопаток робочого колеса однієї, відповідно декількох ступенів компресора, а з боку маточини - на радіально внутрішніх кінцях лопаток робочого колеса, оскільки в цих зонах аеродинамічне навантаження досягає максимальної величини. Повернення "повітряних мас", що знаходяться між вершинами лопаток і обертаються з частотою їх обертання та які володіють зниженою енергією, назад в основний потік зі збільшенням їх енергії дозволяє знову стабілізувати потік у зоні кінців лопаток. Оскільки збурення в потоці звичайно виникають нерівномірно в окружному напрямку ступені компресора, на додаток до переважно осьової рециркуляції з аеродинамічної точки зору варто забезпечити компенсацію таких збурень і в окружному напрямку ступені компресора. Основний недолік відомих пристроїв типу "casing treatment" полягає в тім, що вони незважаючи на забезпечувану ними можливість підвищення порога помпажу одночасно з цим знижують к.к.д. компресора. У патенті DE 3322295 С3 описаний осьовий вентилятор із пристроєм "casing treatment" зазна ченого на початку опису типу. Такий пристрій має кільцеву камеру (поз.8) з нерухомо встановленими в ній направляючими елементами (поз.9). На задньому за ходом потоку ділянці над кінцями робочих лопаток розташована відкрита по всій окружності зона, до якого направляючі елементи не доходять. Характерною рисою подібного пристрою типу "casing treatment" є наявність у ньому замкнутого кільця (поз.7), контур якого лежить приблизно на одній лінії з контуром основного проточного каналу і який відокремлює задню вхідну частину рециркуляційної структури від її передньої вихідної частини й утворює гладку суцільну ділянку поверхні. Багато в чому схожий з описаним вище пристрою типу "casing treatment" відомий з DE 3539604 С1, причому в цьому випадку в передній і задній частинах кільцевої камери (поз.7) присутня відкрита по всій її окружності зона. В описаному в зазначеній публікації пристрої також передбачено радіально внутрішнє кільце (поз.6). Більш сучасний пристрій типу "casing treatment" відомий з патенту US 5282718. В описаному в цьому патенті пристрою аеродинамічно удосконалена його кільцева камера (поз. 18, 28) і направляючі елементи (поз.24). Однак і в цьому випадку вхідної і вихідний рециркуляційні потоки відокремлені один від одного масивним, гладким з боку лопаток замкнутим кільцем. Звичайно такі кільця на випадок доторкування з ними вершин лопаток необхідно оснащувати на розташованому напроти лопаток ділянці спеціальним покриттям, що захищає їх від ушкодження при зіткненні з ними вершин лопаток, відповідно сприяє їх припрацьовуванню. Існують і інші пристрої типу "casing treatment" з канавками, що проходять паралельно осі, відповідно під кутом до неї, як це описано, наприклад, у US 5137419. Однак такі пристрої в даному описі не розглядаються, оскільки вони через наявність у 5 76596 6 них між собою канавок, що не з'єднуються, не доно: зволяють забезпечити вирівнювання потоку в на Фіг.1 - фрагмент зображеного в поздовжокружному напрямку. ньому розрізі компресора осьового типу на ділянці, З врахуванням властивих відомим з рівня техна якій розташована вбудована в його корпус реніки рішень недоліків в основу даного винаходу циркуляційна структура, була покладена задача розробити рециркуляційну на Фіг.2 - аналогічний показаному на попередструктуру для турбокомпресора, що дозволяла б ньому кресленні фрагмент зображеного в поздовзначно підвищити поріг помпажу і за рахунок цього жньому розрізі компресора на ділянці, на якій розістотно розширити область стійкої роботи турботашована вбудована в маточину рециркуляційна компресора без помітного зниження його к.к.д. структура, Ця задача у відношенні рециркуляційної струкна Фіг.3 - фрагмент зображеної в поперечному тури зазначеного в обмежувальній частині п.1 типу розрізі рециркуляційної структури, показаної на вирішується за допомогою відрізняючих ознак цьоФіг.1, го пункту. на Фіг.4 - фрагмент показаної на Фіг.1 і 3 рециОсновна особливість запропонованого у винаркуляційної структури у виді радіально зсередини, ході рішення полягає в тому, що кільцева камера з на Фіг.5 - фрагмент зображеного в поздовжрозташованими в ній направляючими елементами ньому розрізі компресора на ділянці, на якій розвиконана цілком відкритою по всій її осьовій довташована вбудована в його корпус рециркуляційна жині і по всій її окружності. При цьому відпадає структура, трохи модифікована в порівнянні з понеобхідність у застосуванні кільцевих елементів, казаною на Фіг.1 рециркуляційною структурою, і оснащених покриттями, що захищають їх від пошна Фіг.6 - фрагмент зображеного в поздовжкодження при зіткненні з вершинами лопаток, і ньому розрізі компресора на ділянці, на якій розінших елементів. З наведених вище патентних ташована вбудована в його корпус рециркуляційна публікацій випливає, що в даній області техніки структура, модифікована в порівнянні з показанидотепер основні зусилля були спрямовані на викоми на Фіг.1 і 5 рециркуляційними структурами. нання рециркуляційних структур з їх зверненої до Показана на Фіг.1 рециркуляційна структура 1 основного проточного каналу, тобто до так званого вбудована в корпус 5 турбокомпресора і тому мокільцевого простору, сторони гладкими, з мінімаже бути названа пристроєм типу "casing treatment" льною кількістю щілин і суцільними на ділянці мак(вбудований в корпус пристрій, англ. "casing" - косимально можливої осьової довжини з метою найрпус). Напрямок потоку в основному проточному більш раціонального з погляду аеродинаміки і каналі 9, у якому розташована система лопаток, зв'язаного лише з мінімальними втратами подовпозначено показаною на кресленні ліворуч стрілження контуру основного проточного каналу. На кою, тобто потік рухається через цей канал з ліва відміну від цього запропоноване у винаході рішенна право. На показаній на кресленні ділянці потік ня приводить до появи в основному проточному спочатку набігає на направляючий апарат 13 (вхіканалі щілин, рельєфних поверхонь і т.д. і тому на дний), потім на робоче колесо 20 і потім ще на перший погляд здається невдалим і недоцільним. один направляючий апарат 14 (вихідний). РадіаОднак за результатами проведених дослідів було льно зовнішній контур 11 основного проточного встановлено, що запропонована у винаході рецирканалу 9 відповідає внутрішньому контуру корпуса куляційна структура перевершує відомі технічні 5 і для наочності умовно позначений на кресленні рішення як з погляду підвищення порога помпажу, штрихпунктирними лініями, що продовжують його, так і з погляду к.к.д. турбокомпресора. З погляду ліворуч і праворуч від основного зображення. Стааеродинаміки подібний ефект можна пояснити тична рециркуляційна структура 1 взаємодіє з ротим, що вільне, природне формування рециркулябочим колесом 20 і в осьовому напрямку здебільційного потоку у відкритій кільцевій камері з вільно шого розташована перед ним, тобто попереду за виступаючими в ній направляючими елементами і ходом потоку. З радіально зовнішньої сторони до проточними з'єднаннями в її окружному напрямку основного проточного каналу 9 примикає відкрита має набагато більш важливе значення, ніж подовз його боку кільцева камера 29, що разом з напраження контуру основного проточного каналу при вляючими елементами 37 і утворює рециркуляціймінімально можливій кількості щілин. Додаткова ну структуру 1. Вільні кромки 41 направляючих перевага, зв'язана з відсутністю в запропонованій елементів 37 лежать на одній лінії з лінією, що у винаході рециркуляційної структурі суцільного обмежує контур 11 основного проточного каналу 9, кільця, складається у відсутності необхідності або поблизу неї, тобто щонайменше приблизно оснащувати направляючі елементи спеціальним лежать на лінії, що обмежує внутрішній контур покриттям, що захищає їх від ушкодження при зіткорпуса. Ці направляючі елементи 37 можуть бути кненні з ними лопаток, відповідно сприяє їх припвиконані з металу, наприклад нікелевого сплаву, з рацьовуванню, а також у зменшенні радіальних легкого металу, наприклад алюмінію, або із синтерозмірів турбокомпресора й у зниженні його маси, тичного матеріалу, такого як термопласти, реактощо зв'язано з визначеними конструктивнопласти або еластомери. Передня 33 і задня 34 механічними перевагами. стінки кільцевої камери 29 для зменшення їх аеКращі варіанти виконання рециркуляційної родинамічного опору позначеному маленькою структури, зазначеної в головному пункті формули стрілкою рециркуляційному потоку виконані нахивинаходу, приведені в залежних пунктах формули. леними вперед починаючи від їх радіально внутНижче винахід більш докладний розглянуто з рішніх країв 35, 26. посиланням на приведені спрощені і виконані без Кут нахилу передньої стінки позначений через дотримання масштабу креслення, на яких показаі може дорівнювати куту нахилу задньої стінки 34 7 76596 8 або відрізнятися від нього. Між передньою стінкою Більш наочне представлення про аеродинамі33, направляючими елементами 37 і задньою стінчний профіль і кривизну направляючих елементів кою 34 передбачені виїмки 45, 46, що на додаток 37 дозволяє одержати показана на Фіг.4 проекція, до рециркуляції потоків, що відбуваються переваде на додаток до Фіг.3 показаний профіль лопаток жно в осьовому напрямку, допускають їх рух у кіробочого колеса 20 разом з напрямком його оберльцевій камері в її окружному напрямку. Позицією тання (позначеним стрілкою). Для фахівця є оче25 позначені вільні кінці лопаток робочого колеса видним, що на виході з кільцевої камери 29 у зоні 20, у зоні яких найбільш ймовірне виникнення збуїї передньої за ходом потоку кромки 35 рециркулярень у потоці. ційний потік у цьому випадку повинний закручуваНа відміну від показаного на Фіг.1 варіанта, на тися проти обертання робочого колеса 20. ПозиціФіг.2 показана інтегрована в маточину 8, що оберєю 36 позначена задня за ходом потоку кромка тається, рециркуляційна структура 2. У показаному кільцевої камери. Слід зазначити, що в більш прона цьому кресленні варіанті в основному проточстих варіантах здійснення винаходу направляючі ному каналі 10 розташовані, якщо дивитися з ліва елементи 37 можуть бути виконані й у виді рівних на право, робоче колесо 21, що направляє апарат або скривлених "металевих пластин" (листових 15, вільні кінці 26 лопаток якого звернені радіально деталей). всередину, і робоче колесо 22. Відповідно до цьоПоказана на Фіг.5 рециркуляційна структура 3 го подібну рециркуляційну структуру при такому її являє собою пристрій типу "casing treatment" з інновому розташуванні варто було б позначити як тегрованою в корпус 6 турбокомпресора кільцевою пристрій типу "hub treatment" (вбудований в матокамерою 31. У цьому випадку направляючі елемечину пристрій, англ. "hub" - маточина). Ця рецирнти 39 доходять до передньої стінки кільцевої какуляційна структура 2, що складається з кільцевої мери 31, у задній частині якої безпосередньо побкамери 30 і направляючих елементів 38, з передлизу кінців 27 лопаток робочого колеса 23 є виїмки німи і задніми виїмками 47, 48 взаємодіє з направ49. Вільні кромки 43 направляючих елементів 39 ляючим апаратом 15, що здебільшого розташоватрохи не доходять до окружності, що описується ний за ходом потоку за нею. Оскільки в цьому кінцями 27 лопаток при їх обертанні. Позиціями 16 випадку пристрій типу "hub treatment" обертається, і 17 позначені направляючі апарати. а направляючий апарат 15 залишається нерухоПоказана на Фіг.6 рециркуляційна структура 4 мим, частота обертання ротора цілком відповідає з кільцевою камерою 32 і направляючими елеменвідносній частоті обертання. За своїм принципом тами 40 також являє собою пристрій типу "casing дії пристрій типу "hub treatment" власне кажучи treatment", інтегрований в корпус 7 турбокомпренічим не відрізняється від пристрою типу "casing сора і взаємодіючий з робочим колесом 24. На treatment". Пристрої обох типів "hub treatment" і відміну від показаного на Фіг.5 варіанта направля"casing treatment" можна також спільно використоючі елементи 40 у даному випадку доходять до вувати в одному й тому ж турбокомпресорі, у тому задньої стінки кільцевої камери 32. Виїмки ж 50 у числі й у декількох його ступенях. У розглянутому розглянутому варіанті розташовані в передній часвипадку радіально внутрішній контур 12 основного тині кільцевої камери. Крім цього вільні кромки 44 проточного каналу відповідає зовнішньому контуру направляючих елементів 40, оскільки вони дохоматочини 8. дять до окружності, що описується кінцями 28 лоНа Фіг.3 більш детально в розрізі показаний паток при їх обертанні, щоб уникнути їх зіткнення з фрагмент зображеної на Фіг.1 конструкції. Напрацими лопатками виконані на їхній задній ділянці укороченими радіально назовні, тобто виконані у вляючі елементи 37 нахилені під таким кутом до вигляді ступінчатої форми. Очевидно, що кромки радіуса, при якому кінці 25 лопаток робочого колеможна зробити коротшими на відповідну величину са 20, що обертається (у позначеному стрілкою і по всій їх довжині. напрямку), без істотних втрат направляють рецирВ усіх варіантах виконання рециркуляційної куляційний потік у кільцеву камеру 29. При відпоструктури вільні кромки 41-44 направляючих елевідній кривизні направляючих елементів кут їхньоментів 37-40 за умови їх виготовлення з м'якого го нахилу може зменшуватися в радіальному легкого металу або із синтетичного матеріалу напрямку зсередини назовні до нульового зна(пластику) необов'язково повинні мати укорочене чення. радіально назовні виконання, оскільки в цьому У принципі існує можливість строго радіальновипадку цілком можна допустити їх зіткнення з го розташування направляючих елементів, тобто з кінцями 25-28 лопаток без небезпеки їх ушкокутом їхнього нахилу рівним 0°, однак таке їх дження. розташування менш доцільне з погляду створюваного ними аеродинамічного опору. 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 76596 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601