кольцевой диффузор для осевой турбинной машины, система для осевой турбинной машины, а также осевая турбинная машина

Формула изобретения

1. Кольцевой диффузор (14) для осевой турбинной машины, содержащий наружную стенку (44) и коаксиальную ей внутреннюю стенку (48), между которыми проходит диффузорный канал (42) кольцеобразно вдоль осевой длины (X) от расположенного на стороне входа потока конца (52) с расширением к расположенному на стороне выхода потока концу (54), при этом внутренняя стенка (48) и наружная стенка (44) содержат ограничивающую диффузорный канал (42) поверхность (46, 50) стенки, при этом по меньшей мере на одном участке (А) кольцевого диффузора (14) поверхность (50) внутренней стенки (48) и/или поверхность (46) наружной стенки (44) является ротационно не симметричной, отличающийся тем, что

участок (А) расположен у расположенного на стороне входа потока конца (52) кольцевого диффузора (14) и переходит в ротационно-симметричный участок (В), который расположен относительно направления прохождения потока кольцевого диффузора (14) по потоку ниже ротационно не симметричного участка (А), и при этом

ротационная несимметричность имеет определяющий осевой контур (60), который образует с направлением прохождения оси угол ( ), величина которого составляет между 0° и 40° и различна в различных осевых положениях участка (А).

2. Кольцевой диффузор (14) по п.1, в котором ротационно не симметричная поверхность (46, 50) стенки имеет вдоль периферии возвышения (56) и впадины (58).

3. Кольцевой диффузор (14) по любому из пп.1 или 2, в котором между поверхностью (50) внутренней стенки (48) и поверхностью (46) наружной стенки (44) имеется высота (КН) канала на стороне входа потока, относительно которой определяется максимальная высота (Н) каждого возвышения (56) и максимальная глубина (Т) каждой впадины (58), при этом максимальная высота (Н) соответственно максимальная глубина (Т) составляет максимально 25% высоты (КН) канала.

4. Кольцевой диффузор (14) по любому из пп.1 или 2, в котором в одном осевом положении участка (А) возвышения (56)имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

5. Кольцевой диффузор (14) по п.3, в котором в одном осевом положении участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

6. Кольцевой диффузор (14) по любому из пп.1, 2 или 5, в котором в различных осевых положениях участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

7. Кольцевой диффузор (14) по п.3, в котором в различных осевых положениях участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

8. Кольцевой диффузор (14) по п.4, в котором в различных осевых положениях участка (А) возвышения (56) имеют различную высоту (Н) и/или впадины (58) имеют различную глубину (Т).

9. Кольцевой диффузор (14) по любому из пп.1, 2, 5, 7 или 8, в котором участок (А), поверхность стенки которого является ротационно не симметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

10. Кольцевой диффузор (14) по п.3, в котором участок (А), поверхность стенки которого является ротационно не симметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

11. Кольцевой диффузор (14) по п.4, в котором участок (А), поверхность стенки которого является ротационно не симметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

12. Кольцевой диффузор (14) по п.6, в котором участок (А), поверхность стенки которого является ротационно не симметричной, переходит бесступенчато в ротационно-симметричный участок (В).

13. Кольцевой диффузор (14) по любому из пп.1, 2, 5, 7, 8, 10, 11 или 12, в котором по меньшей мере участок (А) выполнен в виде осевого диффузора или диагонального диффузора.

14. Кольцевой диффузор (14) по п.3, в котором по меньшей мере участок (А) выполнен в виде осевого диффузора или диагонального диффузора.

15. Кольцевой диффузор (14) по п.4, в котором по меньшей мере участок (А) выполнен в виде осевого диффузора или диагонального диффузора.

16. Кольцевой диффузор (14) по п.6, в котором по меньшей мере участок (А) выполнен в виде осевого диффузора или диагонального диффузора.

17. Кольцевой диффузор (14) по п.13, в котором по меньшей мере участок (А) выполнен в виде осевого диффузора или диагонального диффузора.

18. Система для осевой турбинной машины, содержащая кольцеобразный проточный канал (18), который ограничен поверхностями (26, 36) наружной стенки (28) и внутренней стенки (32), и между которыми предусмотрена по меньшей мере одна предназначенная для прохождения потока среды (40) решетка (16) направляющих лопаток, отличающаяся тем, что по потоку ниже решетки (16) направляющих лопаток расположен кольцевой диффузор (14) по любому из пп.1-17.

19. Система по п.18, в которой решетка (16) направляющих лопаток выполнена в качестве решетки направляющих лопаток лопаточной ступени (34) или в качестве выходного направляющего аппарата (38).

20. Система по любому из пп.18 или 19, в которой решетка (16) направляющих лопаток содержит множество аэродинамически изогнутых перьев (20) лопаток, свободно стоящие концы (35) которых лежат радиально внутри противоположно внутренней стенке (32) проточного канала (18) или радиально снаружи противоположно наружной стенке (28) проточного канала с образованием зазора.

21. Система по п.20, в которой наружная стенка (44) кольцевого диффузора (14) расположена по потоку ниже наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или внутренняя стенка (48) кольцевого диффузора (14) расположена по потоку ниже внутренней стенки (32) проточного канала (18), и в которой та поверхность (50) стенки кольцевого диффузора (14) выполнена ротационно не симметричной, на которой зазоры (37) расположены дальше выше по потоку.

22. Система по любому из пп.18, 19 или 21, в которой поверхность (46) наружной стенки (44) кольцевого диффузора (14) переходит в поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (50) внутренней стенки (32) кольцевого диффузора (14) переходит в поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18).

23. Система по п.20, в которой поверхность (46) наружной стенки (44) кольцевого диффузора (14) переходит в поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (50) внутренней стенки (32) кольцевого диффузора (14) переходит в поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18).

24. Система по любому из пп.18, 19, 21 или 23, в которой поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18) соответственно имеет участок, в котором одна из поверхностей (26, 36) стенки или обе поверхности (26, 36) стенки являются ротационно не симметричными.

25. Система по п.20, в которой поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18) соответственно имеет участок, в котором одна из поверхностей (26, 36) стенки или обе поверхности (26, 36) стенки являются ротационно не симметричными.

26. Система по п.22, в которой поверхность (26) наружной стенки (28) проточного канала (18) и/или поверхность (36) внутренней стенки (32) проточного канала (18) соответственно имеет участок, в котором одна из поверхностей (26, 36) стенки или обе поверхности (26, 36) стенки являются ротационно не симметричными.

27. Осевая турбинная машина, содержащая систему по любому из пп.18-26.

28. Осевая турбинная машина по п.27, выполненная в виде компрессора (13) стационарной газовой турбины (10), так что выход (12) компрессора выполнен в виде системы для осевой турбинной машины, содержащей кольцеобразный проточный канал (18), который ограничен поверхностями (26, 36) наружной стенки (28) и внутренней стенки (32), и между которыми предусмотрена по меньшей мере одна предназначенная для прохождения потока среды (40) решетка (16) направляющих лопаток, при этом к выходу (12) компрессора непосредственно примыкает в качестве выходного диффузора кольцевой диффузор по любому из пп.1-17.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к кольцевому диффузору для осевой турбинной машины, содержащему круговую наружную стенку и коаксиальную ей круговую внутреннюю стенку, между которыми кольцеобразно проходит канал диффузора в осевом направлении от расположенного на стороне входа потока конца к расположенному на стороне выхода потока конца, при этом внутренняя стенка и наружная стенка содержат каждая ограничивающую канал диффузора поверхность стенки. Кроме того, изобретение относится к системе для осевой турбинной машины, содержащей кольцеобразный проточный канал, который ограничен поверхностями наружной стенки и внутренней стенки, и между которыми предусмотрена по меньшей мере одна предназначенная для прохождения потока среды решетка направляющих лопаток. Наконец, изобретение относится также к осевой турбинной машине, содержащей указанную выше систему.

Кольцевые диффузоры известны из уровня техники и используются, как указано в ЕР 1 574 667 А1, например, в газовых турбинах. Газовые турбины служат, как правило, для стационарного генерирования энергии или в качестве привода самолетов, при этом указанный в начале кольцевой диффузор часто предусмотрен на выходе компрессора газовой турбины, называемого коротко компрессором, с целью замедления всасываемого и сжимаемого воздуха и преобразования содержащейся в нем кинетической энергии в статическое давление. При этом выходной диффузор компрессора образован наружной и коаксиально расположенной также круговой внутренней стенкой, между которыми предусмотрен кольцеобразный канал диффузора. При этом диффузорный канал расширяется от конца на стороне входа потока к концу на стороне выхода потока.

Альтернативный диффузор газовой турбины известен, например, из US 5 592 820. Раскрытый в нем диффузор составлен из множества квадратных в поперечном сечении труб, которые расположены лежащими на окружности. На стороне впуска трубы заканчиваются на идентичном радиусе, в то время как на стороне выпуска трубы заканчиваются на различных радиусах, что приводит к многократно отклоняющемуся в различных направлениях вокруг круговой линии распределению концов труб. С помощью этого расположения поставляемый компрессором воздух должен сравнительно просто направляться к различным конструктивным элементам.

Наряду с этим из ЕР 0 410 924 А2 известен кольцевой диффузор для каталитического преобразователя автомобиля, который на стороне выхода имеет волнообразную оболочку, с целью предотвращения возможно возникающих в этом месте отрывов потоков.

В газовых турбинах, как известно, выход выполненный в большинстве случаев осевым компрессором совпадает с входом кольцевого диффузора. На выходе компрессора или по потоку непосредственно перед ним предусмотрена решетка направляющих лопаток. При этом решетка направляющих лопаток выполнена в виде решетки направляющих лопаток последней ступени компрессора и/или в виде выходного направляющего аппарата и служит, как известно, для раскрутки проходящего в кольцеобразном проточном канале компрессора потока воздуха.

При этом в зависимости от конструкции известно выполнение направляющих лопаток решетки направляющих лопаток свободно стоящими. Однако применение свободно стоящих направляющих лопаток в последней ступени компрессора и в возможно имеющемся выходном направляющем аппарате приводит, в частности, при больших радиальных зазорах между вершинами свободно стоящих направляющих лопаток и противоположно лежащей внутренней стенкой к заметно не равномерному распределению скоростей, соответственно, полного давления вдоль окружности на выходе компрессорной ступени, соответственно, выходного направляющего аппарата, обусловленному влиянием создаваемых за счет зазора вихревых потоков. В зависимости от отклонения выходного направляющего аппарата или направляющих лопаток последней ступени компрессора образуется за счет также возникающего вторичного потока возможно также на наружной стенке соответствующая неравномерность выходной скорости. Это приводит к тому, что при входе в диффузор имеется изменяющееся в окружном направлении, периодическое с числом прохождения через выходной направляющий аппарат распределение величины потока. Это неравномерное распределение кинетической энергии обуславливает соответствующую пространственно различную способность потока преодолевать относительно равномерные градиенты статического давления в диффузоре.

Известно также применение вместо свободно стоящих направляющих лопаток закрепленных на обоих концах платформ перьев направляющих лопаток для решетки лопаток. В таких решетках направляющих лопаток нет радиальных зазоров на стороне вершин перьев лопаток, так что здесь возникают небольшие неравномерности распределения величин потока.

Однако неравномерные распределения приводят к аэродинамическим потерям в диффузоре, что приводит к задаче изобретения.

Задачей изобретения является создание кольцевого диффузора для осевой турбинной машины с особенно небольшими аэродинамическими потерями. Другой задачей изобретения является создание системы для осевой турбинной машины, содержащей решетку направляющих лопаток, которая установлена перед кольцевым диффузором и также выполнена с особенно небольшими аэродинамическим потерями. Дополнительно к этому, другой задачей изобретения является создание такой осевой турбинной машины.

Направленная на указанный в начале кольцевой диффузор задача решена с помощью кольцевого диффузора с признаками пункта 1 формулы изобретения.

В основе изобретения лежит понимание того, что в кольцевых диффузорах указанного в начале вида до настоящего времени не учитывается неравномерность приходящего потока в окружном направлении. За счет этого невозможна наилучшая работа диффузора, поскольку либо невозможно полное преобразование потенциала пограничного слоя относительно замедления без отрыва в зонах более высокого полного давления, либо в зонах более низкого полного давления нагрузка является слишком большой и тем самым может возникать сопровождаемый экстремально высокими потерями отрыв потока.

Дополнительно к этому, изобретение основывается на понимании того, что невозможно любое уменьшение или даже предотвращение неравномерности потока в окружном направлении, поскольку она является результатом преднамеренного отклонения лежащей выше по потоку решеткой направляющих лопаток. Изобретение скорее основывается на идее учета неравномерности входящего потока воздуха в окружном направлении и соответствующего согласования с кольцевым диффузором. Для этого предлагается, что кольцевой диффузор имеет на стороне впуска ротационно не симметричную форму, к которой примыкает ротационно-симметричный участок по потоку ниже относительно направления потока через диффузор. Другими словами, имеющая форму оболочки поверхность внутренней стенки и/или имеющая форму оболочки поверхность наружной стенки кольцевого диффузора выполнена на стороне входа потока ротационно не симметричной. Таким образом, возможен улучшенный ход изменения поперечного сечения, который преобразует действительно имеющуюся кинетическую энергию потока в каждом положении окружности наилучшим образом в статическое давление. Тем самым распределение величины потока точно учитывается уже на входе в кольцевой диффузор вдоль окружности кольцеобразного диффузорного канала, что до настоящего времени не учитывалось. В частности, за счет этого возможно согласование замедления с имеющимся на входе распределением кинетической энергии и тем самым максимальное использование полного давления.

Согласно другому признаку изобретения, ротационная не симметричность имеет определяющий осевой контур, который образует с направлением прохождения оси угол , величина которого составляет между 0° и 40°. Определяющий контур может быть, например, осевым прохождением максимальной точки одного из возвышений или минимальной точки одной из впадин. При этом угол может быть различным в различных осевых положениях участка, так что при рассматривании в осевом направлении диффузора получается изогнутый контур ротационной не симметричности. Предпочтительно, угол на расположенном на стороне впуска конце кольцевого диффузора является максимальным и уменьшается равномерно или неравномерно в направлении потока.

В смысле данной заявки наружная поверхность тела является ротационно-симметричной, когда она при повороте вокруг центральной оси (оси симметрии) на любой угол повторяется. Если это требование не выполняется, то наружная поверхность не является ротационно-симметричной. Однако при этом не должна учитываться та часть наружной поверхности тела, которая лишь по причинам крепления тела на несущей структуре и/или по причинам сборки возможно состоящего из нескольких частей тела в трубчатое тело является не ротационно-симметричной. Если, например, вдоль окружности в наружной поверхности распределены отверстия под винты крепления, то эти отверстия под винты не учитываются для проверки, является ли наружная поверхность ротационно-симметричной. Поэтому для ротационной симметрии имеет значение лишь та радиально наружная и/или радиально внутренняя поверхность стенки (образующая поверхность), которая способна оказывать влияние на радиально самый наружный, соответственно, радиально самый внутренний поток в смысле изобретения. Также возможно имеющиеся, распределенные по окружности распорки между внутренней стенкой диффузора и наружной стенкой диффузора не учитываются при проверке ротационной несимметричности соответствующей образующей поверхности.

Направленная на систему для осевой турбины задача решена с помощью системы с признаками пункта 8 формулы изобретения. Указанная выше неравномерность входящего в диффузорный канал потока рабочей среды относительно велика, когда в расположенном перед диффузорным каналом проточном канале между поверхностями наружной стенки и внутренней стенки предусмотрена решетка направляющих лопаток, предназначенная для прохождения потока рабочей среды. Поэтому для системы, содержащей выход компрессора и примыкающий к нему кольцевой диффузор, особенно целесообразно предусмотрение ротационно не симметричной, согласно изобретению, поверхности стенки, поскольку указанные в начале неравномерности потока возникают особенно там. Это тем более справедливо, когда непосредственно по потоку перед выходом компрессора свободно стоящие направляющие лопатки образуют решетку направляющих лопаток.

Направленная на осевую турбинную машину задача решена с помощью признаков пункта 14 формулы изобретения, при этом присущие системе преимущества аналогично обеспечиваются в осевой турбинной машине.

Предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первой предпочтительной модификации, соответствующая ротационно не симметричная, радиально внутренняя и/или радиально наружная поверхность стенки имеет вдоль окружности попеременно возвышения и впадины. Другими словами, ротационно не симметричная поверхность стенки является в окружном направлении волнистой, при этом возвышения выполнены в виде гребней волны, а впадины - в виде ложбин волны. При этом контур, т.е. переходы между возвышениями и впадинами, может иметь любую форму. При изображении развертки ротационно не симметричной поверхности стенки, контур может быть, например, пилообразным, треугольным или же синусным, возможно с лежащими между ними прямолинейными (ступенчатыми) или же плоскими участками. Указанные выше контуры можно также любым образом комбинировать друг с другом или накладывать друг на друга. Однако в целом контур выбирается так, что он делает ротационно не симметричный поток возможно более равномерным, с целью достижения значительно улучшенного преобразования энергии потока среды в полное давление.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, на стороне входа потока при рассматривании в радиальном направлении, между поверхностью внутренней стенки и поверхностью наружной стенки имеется высота канала, при этом максимальная высота, соответственно, максимальная глубина составляет максимально 25% высоты канала. За счет этого можно предотвращать возмущение проходящего посредине между внутренней стенкой и наружной стенкой потока среды. Одновременно достигается значительное выравнивание неравномерного на стороне входа потока.

В зависимости от вида неравномерности потока вдоль окружности диффузорного канала, в различных осевых положениях участка возвышения могут иметь различную высоту и/или впадины могут иметь различную глубину. Другими словами, осевой участок, поверхность стенки которого является ротационно не симметричной, имеет конец участка на стороне входа потока и конец участка на стороне выхода потока, при этом ротационная несимметричность на конце участка на стороне входа потока является наибольшей и уменьшается в направлении конца участка на стороне выхода потока, поскольку неравномерность потока постоянно уменьшается с помощью ротационной несимметричности в направлении потока. Целесообразно, ротационная несимметричность заканчивается на конце участка на стороне выхода потока и при этом непрерывно, т.е. бесступенчато, переходит в ротационно-симметричный участок кольцевого диффузора.

В качестве альтернативного решения или дополнительно возможно, что в одном осевом положении участка возвышения имеют различную высоту и/или впадины имеют различную глубину. Это выполнение предпочтительно, когда подлежащая выравниванию величина потока вдоль окружности имеет несколько имеющих различную величину локальных максимумов или минимумов.

Предпочтительно, что кольцевой диффузор или по меньшей мере не симметричный участок выполнен в виде осевого диффузора или в виде диагонального диффузора.

Поскольку ротационная несимметричность в потоке среды возникает, в частности, когда перед кольцевым диффузором установлена решетка направляющих лопаток, то применение кольцевого диффузора, согласно изобретению, в такой системе особенно предпочтительно. В этом случае эта система содержит кольцеобразный проточный канал между наружной стенкой и внутренней стенкой, в котором предусмотрена решетка направляющих лопаток, через которую проходит поток рабочей среды. При этом решетка направляющих лопаток может быть выполнена в виде решетки направляющих лопаток лопаточной ступени или в виде выходного направляющего аппарата. Естественно, возможно, что система имеет как решетку направляющих лопаток в качестве части лопаточной ступени и одну или несколько решеток направляющих лопаток в качестве выходных направляющих аппаратов. Поскольку несимметричность в рабочей среде возникает, в частности, при решетках направляющих лопаток со свободно стоящими перьями лопаток, то применение кольцевого диффузора, согласно изобретению, по потоку ниже такой решетки направляющих лопаток особенно целесообразно, при этом в этом случае ротационно не симметричной выполняется, в частности, та поверхность стенки кольцевого диффузора, на которой зазоры расположены дальше вверх по потоку: если перья лопаток решетки направляющих лопаток закреплены радиально снаружи на держателе направляющих лопаток, так что их направленные внутрь вершины перьев лопаток лежат противоположно внутренней стенке проточного канала с образованием зазора, то по меньшей мере поверхность внутренней стенки кольцевого диффузора выполнена на некоторых участках ротационно не симметричной. Для случая, когда свободно стоящие направляющие лопатки решетки направляющих лопаток лежат противоположно наружной стенке проточного канала с образованием зазора, то по меньшей мере поверхность наружной стенки кольцевого диффузора выполнена ротационно не симметричной.

Для обеспечения имеющего особенно низкие аэродинамические потери перехода между поверхностью наружной стенки проточного канала и/или поверхностью внутренней стенки проточного канала, переход выполнен бесступенчатым.

В зависимости от выполнения системы и возникающего потока может быть необходимо выполнять также поверхность наружной стенки проточного канала и/или поверхность внутренней стенки проточного канала, в котором расположена решетка направляющих лопаток, также по меньшей мере на некоторых участках ротационно не симметричной.

В целом изобретение целесообразно для устройств, которые в качестве системы содержат по меньшей мере один выход компрессора и один кольцевой диффузор. В частности, в таких устройствах возникают в среде, при рассматривании вдоль окружности проточного канала, неравномерности в приходящем потоке, которые можно учитывать посредством придания формы, согласно изобретению. За счет учета местных условий набегающего потока можно уменьшать нагрузку в зонах низкого полного давления. Одновременно можно лучше преобразовывать потенциал пограничного слоя относительно замедления без отрыва в зонах более высокого полного давления, так что в целом возникает меньше отрывов потока, когда не удается предотвращать их полностью. Таким образом, обычно возникают меньшие аэродинамические потери уже в решетке направляющих лопаток, а также в кольцевом диффузоре, так что возможно более высокое восстановление давления, чем при ротационно-симметричном кольцевом диффузоре. Следовательно, с помощью устройств, согласно изобретению, лучше преобразуется действительно имеющаяся кинетическая энергия в каждом положении на окружности наилучшим образом в статическое давление.

Ниже приводится более подробное пояснение других признаков и преимуществ изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - продольный разрез выхода осевого компрессора и примыкающего к нему кольцевого диффузора стационарной газовой турбины с осевым потоком;

Фиг. 2 - имеющий форму сектора вырез из кольцевого диффузора, согласно фиг. 1, в изометрической проекции;

Фиг. 3 - часть развертки поверхности внутренней стенки диффузора и проточного канала компрессора, на виде сверху;

Фиг. 4 - разрез по линии IV-IV на фиг. 3 и

Фиг. 5 - поперечный разрез внутренней стенки кольцевого диффузора.

На фиг. 1 показан продольный разрез стационарной газовой турбины 10 с осевым потоком на участке выхода 12 компрессора 13 газовой турбины и примыкающего к выходу 12 кольцевого диффузора 14. От компрессора 13 показаны лишь расположенные в нижней по потоку, т.е. задней части компрессора 13 лопаточные решетки 16. Каждая лопаточная решетка 16 содержит по меньшей мере расположенные в виде лучей в имеющем круговое поперечное сечение проточном канале 18 перья 20 лопаток, при этом каждое лопаточное перо 20 является либо составляющей частью рабочей лопатки 22, либо составляющей частью направляющей лопатки 24.

Позицией 25 обозначена ось машины, вокруг которой концентрично проходит круговой в поперечном сечении проточный канал 18. Проточный канал 18 компрессора 13 ограничен снаружи поверхностью 26 стенки, которая является частью держателя 28 направляющих лопаток. Радиально внутреннее ограничение проточного канала 18 образовано по существу роторными дисками 30 и по потоку ниже их неподвижной крышкой 32 вала. На роторном диске 30 закреплены с помощью, например, имеющих форму головки молота крюков 33 рабочие лопатки 22. Их свободно стоящие вершины перьев лопаток лежат противоположно поверхности 26 стенки с образованием зазора. По потоку ниже рабочих лопаток 22 закреплены относящиеся к лопаточной решетке 16 направляющие лопатки 24 также с помощью крюкового сцепления 33 на держателе 28 направляющих лопаток. При этом закрепленные на роторном диске 30 рабочие лопатки 22 образуют вместе с расположенными ниже по потоку направляющими лопатками 24 последнюю компрессорную ступень 34 осевого компрессора 13. Направляющие лопатки 24 последней компрессорной ступени 34 выполнены также в виде свободно стоящих лопаток, так что их свободная вершина 25 пера лопатки лежит с образованием зазора 37 противоположно поверхности 36 стенки, причем поверхность 36 стенки является частью крышки 32 вала.

Дальше ниже по потоку решетки 16 направляющих лопаток последней компрессорной ступени 34 предусмотрена в качестве так называемого выходного направляющего аппарата 38 другая лопаточная решетка 16, которая радиально снаружи неподвижно закреплена на держателе 28 направляющих лопаток также с помощью крюкового сцепления 33. Перья 20 лопаток выходного направляющего аппарата 38 лежат также противоположно поверхности 36 стенки крышки 32 вала с образованием зазора 37.

При рассматривании в направлении потока сжимаемой с помощью перьев 20 лопаток среды 40, за выходным направляющим аппаратом 38 следует кольцевой диффузор 14. Кольцевой диффузор 14 имеет также кольцеобразный проточный канал 42, который радиально снаружи ограничен круговой в поперечном сечении наружной стенкой 44. Точнее говоря, по существу круговая в поперечном сечении поверхность 46 наружной стенки ограничивает радиально снаружи диффузорный канал 42. При этом наружная стенка проточного канала 18 и наружная стенка 44 диффузорного канала 42 образованы одной и той же структурой, а именно, держателем 28 направляющих лопаток, что, однако, не является обязательно необходимым.

Кольцевой диффузор 14 содержит дополнительно коаксиальную наружной стенке 44 внутреннюю стенку 48, которая является частью крышки 32 вала. При этом поверхность 50 круговой в поперечном сечении внутренней стенки 48 ограничивает диффузорный канал 42 радиально изнутри. Стенки 44, 48, соответственно, их поверхности 46, 50 расходится в продольном направлении кольцевого диффузора 14 от расположенного на стороне входа потока конца 52 кольцевого диффузора 14 к расположенному на стороне выхода потока концу 54. Измеренное в радиальном направлении в зоне входа потока кольцевого диффузора 14 расстояние между наружной поверхностью 46 стенки и внутренней поверхностью 50 стенки называется высотой КН канала.

За счет применения свободно стоящих направляющих лопаток 24 в последней компрессорной ступени 34 и/или в выходном направляющем аппарате 38, при работе газовой турбины 10 и тем самым при работе компрессора 13 в сжимаемой среде 40 возникает распределение скорости, соответственно, полного давления на выходе выходного направляющего аппарата 38, которое неравномерно вдоль окружности. Это обуславливается, в частности, влиянием вихревого потока в зазоре, который в свою очередь вызывается зазором 37 между вершинами 35 перьев направляющих лопаток и лежащей противоположно им поверхностью 36 стенки. Таким образом, приходящий на выход 12 компрессора, соответственно, входящий с выхода компрессора во вход кольцевого диффузора поток 40 является ротационно не симметричным. Он имеет вдоль окружности, в частности, в близких к стенке зонах различно большие скорости потока и различные направления потока.

Согласно изобретению, по потоку ниже той поверхности 36 стенки, у которой вершина 35 пера направляющей лопатки лежит с образованием зазора 37 противоположно поверхности 36 стенки, следует не ротационно-симметричная поверхность 50 стенки. Поверхность 50 стенки является частью кольцевого диффузора 14 и проходит по меньшей мере по одному осевому участку. Ротационно не симметричный контур поверхности 50 стенки в зоне кольцевого диффузора 14 не изображен на фиг. 1.

На фиг. 2 показан в изометрической проекции вырез из соответствующего изобретению, расходящегося диффузорного канала 42 кольцевого диффузора 14. При этом расходящийся означает, что предназначенная для прохождения среды площадь поперечного сечения увеличивается в направлении вниз по потоку. Увеличение может происходить в осевых диффузорах, например, за счет уменьшения среднего диаметра внутренней стенки 48 и/или за счет увеличения среднего диаметра наружной стенки 44. В диагональных диффузорах увеличивается как диаметр наружной стенки, так и диаметр внутренней стенки, при этом степень увеличения диаметра наружной стенки больше, чем увеличения диаметра внутренней стенки.

При этом на фиг. 2 показаны лишь ограничивающие диффузорный канал 42 стенки 44, 48. Совпадающий с выходом 12 компрессора конец 52 на стороне входа потока кольцевого диффузора 14 показан на фиг. 2 дальше слева. На фиг. 2 дальше справа показан выход диффузора компрессора, т.е. расположенный на стороне выхода потока конец 54 кольцевого диффузора 14. От расположенного на стороне входа потока конца 52 кольцевого диффузора 14 проходит в осевом направлении Х участок А, в котором поверхность 50 стенки выполнена ротационно не симметричной. Показанная ротационная несимметричность возникает за счет систем расположенных попеременно вдоль окружности U поверхности 50 стенки возвышений 56 и впадин 58. По потоку ниже участка А примыкает ротационно-симметричный участок В, который проходит до выхода диффузора.

Возвышения 56 и впадины 58 равномерно распределены вдоль окружности U в количестве, соответствующем количеству направляющих лопаток 24 выходного направляющего аппарата 38. В показанном на фиг. 2 варианте выполнения осевая длина участка А составляет примерно 30% всей осевой длины кольцевого диффузора 14. Однако возможно также, что участок А проходит по всей длине кольцевого диффузора 14, т.е. по всем 100%.

Каждое возвышение 56 имеет также проходящую в направлении потока линию 60, которая маркирует максимальную высоту соответствующего возвышения. Эта линия представляет определяющий контур, который образует с осевым направлением Х угол . Этот угол может иметь, в зависимости от неравномерности приходящего потока, величину до 40°, при этом угол может быть также различным в различных осевых положениях. В соответствии с этим, в этом случае линия 60 не была бы прямой линией, а изогнутой, при рассматривании в осевом направлении. Это показано в качестве примера на фиг. 3 с помощью изображенных линий 60. На фиг. 3 показана на виде сверху развертка внутренней стенки 48 при одновременном разрезе направляющих лопаток 24. Изображенные на фиг. 3 дальше вверху перья 20 лопаток являются перьями направляющих лопаток 24 последней компрессорной ступени 34, по потоку ниже их показаны перья 20 направляющих лопаток 24 выходного направляющего аппарата 38.

Возвышения 56 и впадины 58 приводят к отклонению возникающего в диффузором канале 42 радиально внутри потока среды 40, за счет чего происходит постоянное локальное согласование областей потока с различными условиями потока с расположенными промежуточно областями потока с в основном одинаковыми условиями потока. Согласование приводит в целом к выравниванию свойств приходящего на вход 52 кольцевого диффузора потока, так что проходящий в кольцевом диффузоре 14 с преодолением давления поток может быть замедлен более равномерно и, следовательно, с меньшими потерями. За счет этого достигается эффективное преобразование кинетической энергии потока в статическое давление, без возникновения связанного с очень большими потерями отрыва потока.

Из фиг. 2 следует, что возвышения 56 и впадины 58 имеют в направлении потока различную высоту, соответственно, глубину. На стороне входа потока разница между высотой и глубиной является максимальной. С увеличением осевой длины высота и глубина соседних возвышений 56 и впадин 58 сближаются, пока они на расположенном ниже по потоку конце участка А не соединяются на общем радиусе. Начиная с этого положения, кольцевой диффузор затем проходит к расположенному на стороне выхода потока концу 54 ротационно-симметрично (смотри фиг. 2).

Как показано на фиг. 2, все возвышения 56 и впадины 58 заканчиваются в одном осевом положении. В противоположность этому возможно также, что различные возвышения 56 и впадины 58 заканчиваются в различных осевых положениях. Например, расположенные на стороне входа диффузора возвышения 56 и впадины 58 могут присутствовать в количестве, идентичном количеству направляющих лопаток 24, в то время как затем количество возвышений 56 и впадин 58 уменьшается к выходу 54 диффузора. Это имеет преимущество, например, когда поток диффузора необходимо согласовывать с расположенными ниже по потоку после кольцевого диффузора 14 структурами. Структуры могут быть, например, распорками или опорами, которые в меньшем количестве, чем направляющие лопатки 24, распределены вдоль окружности и соединяют, например, крышку 32 вала с корпусом. Однако структуры могут быть также горелками или трубчатыми камерами сгорания газовой турбины.

Из фиг. 3 также следует, что ротационно не симметричный участок А кольцевого диффузора 14 может быть предусмотрен не только в диффузорном канале 42. Ротационно не симметричный участок А может также проходить дальше выше по потоку в проточный канал 18 компрессора 13, если это необходимо. В этом случае там происходит отклонение потока, с одной стороны, с помощью перьев 20 лопаток, что относится, в частности, к удаленному от стенок, центральному потоку среды. Ближний к стенкам поток, в частности, тот ближний к стенкам поток, на стенке 48 которого расположены радиальные зазоры 37 перьев 20 лопаток, может испытывать влияние уже возвышений 56 и впадин 58 и возможно отклоняться.

На фиг. 4 показан разрез части поперечного сечения проточного канала 18 с расположенными в нем перьями 20 лопаток. Перья 20 лопаток закреплены радиально снаружи, что не изображено на фиг. 4. Вместо этого на фиг. 4 показаны свободно стоящие вершины 35 перьев лопаток, которые лежат противоположно внутренней стенке 48 с образованием зазора. Радиальные зазоры обозначены позицией 37. Как показано на фиг. 4, поверхность 50 внутренней стенки 48 также выполнена ротационно не симметричной, при этом предусмотрены возвышения 56 и впадины 58 в том же количестве, что и направляющие лопатки 24. При этом при рассматривании в поперечном сечении, контур 62 возвышений 56 и впадин 58 имеет форму периодически повторяющихся зубьев пилы с изогнутыми рампами.

Альтернативная форма контура 62 поперечного сечения возвышений 56 и впадин 58, которые могут применяться, например, далее ниже по потоку в диффузорном канале 42, показана на фиг. 5. Здесь контур в принципе приближен к синусной форме, при этом одна из обеих боковых поверхностей 66, которая соединяет одно из возвышений 56 с соседней впадиной 58, выполнена более крутой, чем другая из обеих боковых поверхностей 68. Однако эта форма контура 62 не имеет ограничительного характера, а приведена лишь в качестве примера. Возможны другие контуры, также снабженные острыми вершинами контуры.

Кроме того, на фиг. 5 показан средний радиус r_m относительно оси 25 машины, относительно которого определяется максимальная высота Н возвышения 56 и максимальная глубина Т впадины 58. При этом средний радиус r_m по определению является арифметическим средним из того радиуса, на котором расположена максимальная высота Н, и того радиуса, на котором расположена максимальная глубина Т. При этом максимальная высота Н, соответственно, максимальная глубина Т составляет максимально 25% высоты КН канала на стороне входа потока.

В целом, изобретение относится к кольцевому диффузору 14 для осевой турбинной машины, например, газовой турбины 10, содержащему наружную стенку 44 и коаксиальную ей внутреннюю стенку 48, между которыми проходит диффузорный канал 42 кольцеобразно вдоль осевой длины от расположенного на стороне входа потока конца 52 с расширением к расположенному на стороне выхода потока концу 54, при этом внутренняя стенка 48 и наружная стенка 44 содержат ограничивающую диффузорный канал 42 поверхность 46, 50 стенки. Для создания согласованного с неравномерным вдоль окружности набегающим потоком диффузорного канала 42, с помощью которого возможно особенно эффективное преобразование кинетической энергии в статическое давление, в соответствии с изобретением предлагается ограничивающая диффузорный канал 42 на стороне входа поверхность 44, 46 стенки, которая является ротационно не симметричной.