RU2744116C1

RU2744116C1 - Управление компрессором

Info

Publication number: RU2744116C1
Application number: RU2020120154A
Authority: RU
Inventors: Сентхил КРИШНАБАБУ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2021-03-02
Also published as: EP3502438A1; CA3083332A1; CA3083332C; WO2019121252A1; US11365690B2; CN111527293B; EP3728816A1; CN111527293A; US20210025336A1

Abstract

Регулятор (300) для газотурбинного двигателя (10), который работает по способу управления. Газотурбинный двигатель (10) содержит компрессор (14), имеющий корпус (50), который проходит вдоль рабочей оси (20) и центрирован по ней. Массив (48) рабочих лопаток компрессора соединяется с вращающимся валом (22) двигателя, который проходит вдоль рабочей оси (20). Первая поворотная лопатка (8а) расположена в осевом направлении на расстоянии от массива (48) рабочих лопаток компрессора вдоль рабочей оси (20), при том первая поворотная лопатка (8а) устанавливается с возможностью вращения в первом местоположении (202) на корпусе (50), имея ось (121) вращения лопатки под прямыми углами к рабочей оси (20). Первая поворотная лопатка (8а) соединяется с регулировочным приводом (154), выполненным с возможностью вращать первую поворотную лопатку (8а) вокруг своей оси (121) вращения в диапазоне (А-D) углов относительно рабочей оси (20). Регулятор (300) выполнен с возможностью управлять вращением первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том в первом диапазоне (А-В) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) уменьшается с увеличением числа оборотов двигателя, а во втором диапазоне (В-С) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20): увеличивается с увеличением числа оборотов двигателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к управлению компрессором.

В частности, раскрытие связано с управлением компрессором для газотурбинного двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Газовая турбина содержит турбину и компрессор, приводимый в движение турбиной. Компрессор может состоять из множества ступеней направляющих лопаток статора, которые не могут вращаться вокруг рабочей оси, и рабочих лопаток ротора, которые могут вращаться вокруг рабочей оси. Как правило, газовая турбина подвергается воздействию различных условий эксплуатации, приводящим к различным аэродинамическим условиям обтекания внутри компрессора.

Для того чтобы адаптировать работу компрессора к различным условиям обтекания, как известно, компрессор снабжают поворотными лопатками (VGV, variable guide vanes). Поворотные лопатки могут быть поворотными/вращательными вокруг их продольной оси, для того чтобы регулировать их угол относительно рабочей оси двигателя (т.е. осевого направления потока через компрессор), и, следовательно, относительно нижних по потоку роторных рабочих лопаток.

Рабочие условия обтекания могут вызвать режим срыва потока во время запуска и при нерасчетных условиях. Это может привести к аэродинамическому шуму, потери КПД и чрезмерной вибрации ротора.

Для того чтобы избежать такого вредного поведения, двигатели могут управляться для исключения сочетания условий, которые приведут к остановке. Например, остановка компрессора может быть устранена вращением поворотных лопаток для увеличения угла рабочей лопатки относительно рабочей оси и уменьшения горлового сечения компрессора, тем самым уменьшая массовый расход воздуха через компрессор.

К сожалению, ограничение условий эксплуатации может иметь и другие последствия, например, сказаться на КПД или выходной мощности.

Следовательно, весьма желателен способ управления компрессором, а также компрессор и/или двигатель, который может работать в соответствии со способом, который снижает вероятность нежелательного аэродинамического поведения, тем самым уменьшая вероятность повреждения двигателя, и в то же время позволяет двигателю работать в более широком диапазоне условий.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим открытием предложено устройство, система, способ и материальный нестационарный машиночитаемый носитель информации, как указано в прилагающейся формуле изобретения. Другие особенности изобретения будут очевидны из зависимой формулы изобретения, а также последующего описания.

Соответственно, может быть предусмотрен регулятор (контроллер) (300) для газотурбинного двигателя (10), причем газотурбинный двигатель (10) содержит компрессор (14), имеющий корпус (50), который проходит вдоль рабочей оси (20) и центрирован по ней. Компрессор может также содержать массив (48) рабочих лопаток компрессора, соединенных с вращающимся валом (22) двигателя, который проходит вдоль рабочей оси (20), с первой поворотной лопаткой (8а) располагающейся в осевом направлении от массива (48) рабочих лопаток компрессора вдоль рабочей оси (20), при том первая поворотная лопатка (8а) установлена с возможностью вращения в первом местоположении (202) на корпусе (50), имея ось (121) вращения лопатки под прямыми углами к рабочей оси (20). Первая поворотная лопатка (8а) может быть соединена с регулировочным приводом (154), выполненным с возможностью вращать первую поворотную лопатку (8а) вокруг своей оси (121) вращения в диапазоне (А-D) углов относительно рабочей оси (20). Регулятор (300) может быть выполнен с возможностью управлять вращением первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том в первом диапазоне (А-В) и третьем диапазоне (С-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) уменьшается (R1) с увеличением числа оборотов двигателя и/или увеличивается (R2) с уменьшением числа оборотов двигателя. Во втором диапазоне (B-C) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) увеличивается (R2) с увеличением числа оборотов двигателя и/или уменьшается (R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Во втором диапазоне (B-C) числа оборотов вала двигателя, поскольку первая поворотная лопатка (8a) закрывается, вторая поворотная лопатка (8a) одновременно открывается. Аналогично, когда первая поворотная лопатка (8а) открывается, вторая регулируемая поворотная лопатка (8а) закрывается одновременно.

Также может быть предложен газотурбинный двигатель (10), содержащий компрессор, имеющий корпус (50), который проходит вдоль рабочей оси (20) и центрируется по ней. Компрессор может также содержать массив (48) рабочих лопаток компрессора, соединенных с вращающимся валом (22) двигателя, который проходит вдоль рабочей оси (20), первую поворотную лопатку (8а), расположенную в осевом направлении на расстоянии от массива (48) рабочих лопаток компрессора вдоль рабочей оси (20), при том первая поворотная лопатка установлена с возможностью вращения в первом местоположении (202) на корпусе (50), имея ось (121) вращения лопатки под прямыми углами к рабочей оси (20). Первая поворотная лопатка (8а) может быть соединена с регулировочным приводом (154), выполненным с возможностью вращать первую поворотную лопатку (8а) вокруг своей оси (121) вращения в диапазоне (А-D) углов относительно рабочей оси (20). Компрессор и/или двигатель могут также содержать регулятор (300), выполненный с возможностью управлять вращением первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том: в первом диапазоне (А-В) и третьем диапазоне (С-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) может уменьшаться (R1) с увеличением числа оборотов двигателя и/или увеличиваться (R2) с уменьшением числа оборотов двигателя. Во втором диапазоне (B-C) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) может увеличиваться (R2) с увеличением числа оборотов двигателя и/или уменьшаться (R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Также может быть предложен способ управления газотурбинным двигателем (10) в соответствии с настоящим раскрытием. Способ может включать в себя управление вращением первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том в первом диапазоне (А-В) и третьем диапазоне (С-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) может уменьшаться (R1) с увеличением числа оборотов двигателя и/или увеличиваться (R2) с уменьшением числа оборотов двигателя. Во втором диапазоне (B-C) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) может увеличиваться (R2) с увеличением числа оборотов двигателя; и/или уменьшаться (R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Второй диапазон (B-C) числа оборотов вала двигателя может находиться между первым диапазоном (A-B) и третьим диапазоном (C-D).

Первый диапазон (A-B) может иметь максимальную величину не больше чем минимальная величина второго диапазона (B-C); и второй диапазон (B-C) может иметь максимальную величину не больше чем минимальная величина третьего диапазона (C-D).

В некоторых случаях возможно, что нормализованный угол любой или всех спрямляющих лопаток (8a, 8b, 8c и 8d) постоянен, т. е. не изменяется по углу, в первом диапазоне (A-B).

Скорость изменения угла на единицу изменения числа оборотов вала двигателя первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) может быть больше в третьем диапазоне (С-D), чем в первом диапазоне (А-В).

Первый диапазоном (А-В) может составлять от 0 до 80% от числа оборотов вала двигателя. Второй диапазон может составлять от 80% до 90% от числа оборотов вала двигателя. Третий диапазон может составлять от 90% до 100% от числа оборотов вала двигателя.

Первый диапазон (А-В) может составлять от 0% до не более чем 80% от числа оборотов вала двигателя. Второй диапазон может составлять от не менее 80% до не более 95% от числа оборотов вала двигателя. Третий диапазон может составлять от не менее 95% до не более 100% от числа оборотов вала двигателя.

Компрессор может дополнительно содержать вторую поворотную лопатку (8b), расположенную в осевом направлении на расстоянии от первой поворотной лопатки (8a) вдоль рабочей оси (20), при том вторая поворотная лопатка (8b) установлена с возможностью вращения во втором местоположении (204) на корпусе (50), имея ось (121b) вращения лопатки под прямыми углами к рабочей оси (20); и вторая поворотная лопатка (8b) соединяется с регулировочным приводом (154); выполненного с возможностью вращать вторую поворотную лопатку (8b) вокруг своей оси (121) в диапазоне углов относительно рабочей оси (20) одновременно с вращением первой поворотной лопатки. Способ может дополнительно содержать этап управления вращением второй поворотной лопатки (8b) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том: в первом диапазоне (A-B), втором диапазоне (B-C) и третьем диапазоне (C-D) числа оборотов вала двигателя угол второй поворотной лопатки (8b) относительно рабочей оси (20): уменьшается (R1) с увеличением числа оборотов двигателя; и/или увеличивается (R2) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Вращение поворотных лопаток может регулироваться таким образом, что в первом диапазоне (А-В) скоростей вращения вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) и второй поворотной лопатки (8b) относительно рабочей оси (20) изменяется с одинаковой скоростью.

Вращение поворотных лопаток может регулироваться таким образом, что: в третьем диапазоне (C-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8a) изменяется с большей скоростью, чем второй поворотной лопатки (8b).

Регулировочный привод (154) может содержать один исполнительный механизм (156), соединенный как с первой поворотной лопаткой (8а), так и со второй поворотной лопаткой (8b).

Регулировочный привод (154) может содержать первый исполнительный механизм (156) и второй исполнительный механизм (156’), причем первый исполнительный механизм (156) соединяется с первой поворотной лопаткой (8а); и второй исполнительный механизм (156’) соединяется со второй поворотной лопаткой (8b); и регулятор (300) может работать для управления обоими исполнительными механизмами (156, 156’) регулировочного привода (154).

Также может быть предусмотрен материальный нестационарный машиночитаемый носитель информации с записанными на нем инструкциями, которые при реализации регулятором для газовой турбины в соответствии с настоящим раскрытием вынуждают регулятор осуществлять способ управления газовой турбиной в соответствии с настоящим раскрытием.

Таким образом, предложена система для осуществления режима работы поворотных лопаток для улучшения работоспособности компрессора. Режим работы разработан для индуцирования одного или нескольких изменений направления, по меньшей мере, одной ступени поворотных лопаток. Режим работы также разработан таким образом, чтобы угол, по меньшей мере, одной ступени поворотных лопаток можно было изменять относительно других ступеней поворотных лопаток. Это обеспечивает достаточный контроль за воздушным потоком во избежание срыва.

Следовательно, управление может быть достигнуто путем постепенного закрывания или открывания поворотных лопаток первой ступени наряду с постепенным открыванием или закрыванием (соответственно) поворотных лопаток последующих ступеней в заданных условиях работы двигателя. Таким образом, нагрузка на нижние по потоку рабочие лопатки ротора уменьшается, тем самым позволяя избежать режима срыва потока и других вредных динамических проблем рабочих лопаток.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Примеры настоящего раскрытия теперь будут описаны со ссылкой на прилагающиеся чертежи, в которых:

на фиг. 1 показано схематическое изображение турбомашины;

фиг. 2 представляет собой изображение компрессорного агрегата;

на фиг. 3 показана укрупненная область компрессорного агрегата, показанного на фиг. 2;

на фиг. 4 показана другая укрупненная область компрессорного агрегата, показанного на фиг. 2, и

на фиг. 5 показан пример профилей перемещения поворотной лопатки в соответствии со способом, устройством и системой по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее раскрытие относится к регулятору (контроллеру) (300) для газотурбинного двигателя (10), причем газотурбинный двигатель (10) содержит компрессор. Настоящее раскрытие также относится к газотурбинному двигателю, способу управления газотурбинным двигателем и материальному нестационарному машиночитаемому носителю информации.

По контексту, на рисунках 1-4 показано двигатель и компоновка компрессора, к которым могут быть применены признаки настоящего раскрытия. Однако признаки настоящего раскрытия могут быть применены и к другим компоновкам, например, содержащим различные или альтернативные сочетания признаков.

На фиг. 1 показан пример газотурбинного двигателя 10 в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 содержит расположенные последовательно по потоку впуск 12, компрессор или компрессорную секцию 14, секцию камеры сгорания 16 и турбинную секцию 18, которые обычно располагаются последовательно по потоку и обычно вокруг и в направлении оси вращения 20. Ось вращения также может быть названа "рабочей осью", причем направление потока через компрессор обычно совпадает с рабочей/вращательной осью. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который может вращаться вокруг оси 20 вращения и который проходит в продольном направлении через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет с возможностью передачи движения турбинную секцию 18 с компрессорной секцией 14.

При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, который засасывается через воздухозаборник 12, сжимается компрессором 14 и подается в секцию сгорания или секцию горелки 16. Секция 16 горелки содержит нагнетательную камеру 26 горелки, одну или несколько камер 28 сгорания, проходящих вдоль продольной оси 35, и, по меньшей мере, одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания. Камеры сгорания 28 и горелки 30 располагаются внутри нагнетательной камеры 26 горелки. Сжатый воздух, проходя через компрессор 14, поступает в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в нагнетательную камеру 26 горелки, откуда часть воздуха поступает в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Затем, воздушно-топливная смесь сжигается, и газ сгорания 34 или рабочий газ из камеры сгорания направляется через камеру сгорания 28 в турбинную секцию 18 через переходный канал 17.

Этот пример газотурбинного двигателя 10 имеет секционную сборку 16 трубчато-кольцевой камеры сгорания, которая образована из жаровых труб 19, каждая из которых имеет горелку 30 и камеру сгорания 28, переходный канал 17 имеет обычно кольцеобразный вход, который состыкован с камерой сгорания 28 и выходом в форме кольцевого сегмента. Кольцевой массив выходов переходных каналов образует кольцевое пространство для направления газов сгорания в турбину 18.

Турбинная секция 18 содержит ряд несущих рабочие лопатки дисков 36, прикрепленных к валу 22. В настоящем примере показаны два диска 36, каждый из которых несет кольцевой массив турбинных рабочих лопаток 38. Однако количество дисков, несущих лопатки, может быть разным, то есть только один диск или более двух дисков. Кроме того, направляющие лопатки 40, которые прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, располагаются между ступенями кольцевых массивов турбинных лопаток 38. Между выходом камеры сгорания 28 и ведущими рабочими лопатками турбины 38 предусмотрены входные направляющие лопатки 44, которые направляют поток рабочего газа на рабочие лопатки турбины 38.

Газ сгорания 34 из камеры сгорания 28 поступает в турбинную секцию 18 и приводит в движение рабочие лопатки 38 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 22. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла горения или рабочего газа 34 к рабочим лопаткам 38 турбины.

Турбинная секция 18 приводит в движение компрессор 14, то есть, в частности, ротор компрессора, через вал 22.

Компрессор 14 содержит осевой ряд ступеней 46 рабочих лопаток или ступеней 46 направляющих лопаток и ступеней 48 рабочих лопаток ротора. Ступени 48 рабочих лопаток ротора содержат диск ротора, поддерживающий кольцевой массив рабочих лопаток. Компрессор 14 также содержит корпус 50, который окружает ступени 48 рабочих лопаток ротора и поддерживает ступени 46 направляющих лопаток. Корпус 50 проходит вдоль рабочей оси 20 и центрируется по ней. Ступени 46 направляющих лопаток включают в себя кольцевой массив проходящих в радиальном направлении направляющих лопаток 7, которые крепятся к корпусу 50. Направляющие лопатки 7, далее также именуемые лопатками 7, предназначены для подачи газового потока под оптимальным углом для рабочих лопаток ступени 48 ротора, которая находится рядом и ниже по потоку относительно направления потока воздуха 24 вдоль компрессора 14 в заданной рабочей точке двигателя.

Корпус 50 определяет в радиальном направлении наружную поверхность 52 канала 56 компрессора 14. Ступени 46 направляющих лопаток и ступени 48 рабочих лопаток ротора располагаются в канале 56, как правило, попеременно в осевом направлении. Канал 56 определяет путь потока воздуха через компрессор 14 и также называется осевым путем потока 56 компрессора 14. Воздух 24, поступающий из впуска 12, течет вокруг ступеней 46 направляющих лопаток и ступеней 48 рабочих лопаток ротора и над ними. В радиальном направлении внутренняя поверхность 54 канала 56, по меньшей мере, частично определяется роторным барабаном 53 ротора, который частично определяется кольцевым массивом рабочих лопаток.

Некоторые ступени 46 направляющих лопаток имеют направляющие лопатки 8 (показаны как лопатки 8а, 8b, 8c, 8d), где угол направляющих лопаток 8 относительно их собственной продольной оси может регулироваться на угол в соответствии с характеристиками воздушного потока, которые могут возникать при различных режимах работы двигателя. Некоторые другие ступени 46 направляющих лопаток имеют неподвижные направляющие лопатки 9, где угол наклона направляющих лопаток 9 относительно их собственной продольной оси фиксирован и поэтому не регулируются по углу.

Настоящий способ, устройство и система описаны применительно к приведенному выше примеру турбинного двигателя, имеющего один вал или каскад, соединяющий один многоступенчатый компрессор и одну, одно- или более многоступенчатых турбин. Однако следует иметь в виду, что настоящая система и способ в равной степени применимы к двух- или трехвальным двигателям и которые могут быть использованы для промышленного, авиационного или морского применений. Кроме того, секционная сборка трубчато-кольцевой камеры сгорания 16 также используется с целями примера, и следует иметь в виду, что настоящая методика в равной степени применима к газотурбинным двигателям 10, имеющим кольцевой тип и трубчато-кольцевой тип камеры сгорания.

Термины "осевой", "радиальный" и "окружной" используются применительно к оси вращения 20 двигателя, если не указано иное.

В примере, показанном на фиг. 2, шаг или угловое смещение для отдельных ступеней поворотных лопаток 8а-d внутри стенки 50 компрессора регулируется с помощью рычажного механизма 100, который применяется снаружи стенки.

Каждая отдельная лопатка 8а (первая ступень 46а), 8b (вторая ступень 46b), 8с (третья ступень 46с), 8d (четвертая ступень 46d) может быть установлена на шпинделе 122 для обеспечения углового перемещения лопатки 8а, 8b. На фиг. 3 показана отдельная лопатка 8а первой ступени, например, самая верхней по потоку ступени компрессора и соответствующий рычаг 120. На фиг. 4 показан вид по длине лопаток 8а, демонстрирующий, как они вращаются вокруг своей оси вращения 121.

Как показано на фиг. 2, рычаг 120 может соединять шпиндель 122 с ведущим кольцом 140, предусмотренным в качестве регулировочного кольца, так называемого синхронного кольца. Каждая лопатка 8 каждой ступени 46 соединяется с соответствующим ей синхронным кольцом посредством рычага 120. То есть, рычаг 120 соединяет шпиндель 122 каждой лопатки с соответствующим ведущим кольцом 140, 141, 142, 143.

Все направляющие лопатки 8 в одной ступени могут соединяться с одним и тем же кольцом таким образом, чтобы все направляющие лопатки 8 на одной ступени 46 регулировались одновременно и под одинаковым углом

Каждое из ведущих колец 140, 141, 142, 143 может вращаться через толкатель 150, по одному на кольцо, распределительным приводом 154.

Распределительный привод может содержать только один исполнительный механизм (т.е. привод). Следовательно, один привод может обеспечить вход для воздействия на все толкатели 150, синхронные кольца 140-143 и, следовательно, направляющие лопатки.

В качестве альтернативы распределительный привод может содержать два или более исполнительных механизмов. Следовательно, один исполнительный механизм может приводить в движение одно или несколько синхронных колец, а другой исполнительный механизм приводит в движение оставшееся синхронное кольцо (оставшиеся синхронные кольца). Следовательно, несколько приводов могут обеспечить вход для воздействия на все толкатели 150, синхронные кольца 140-143 и, следовательно, направляющие лопатки.

Вращательное перемещение ведущих колец 140, 141, 142, 143 (показано стрелками s1, s2, s3, s4) может быть применено через рычаг 120 как вращательное перемещение, как указано стрелкой m2, к рычагу 120 каждой направляющей лопатки 8a-8d. Таким образом, движение вала 152 распределительного привода приводит к вращению лопастей 8a-8d, как показано на фиг. 3, 4.

Независимо от особенностей устройства приведения в действие поворотной лопатки, газотурбинный двигатель 10 в соответствии с настоящим раскрытием содержит компрессор, имеющий корпус 50, который проходит вдоль рабочей оси 20 и центрируется по ней. Массив 48 рабочих лопаток компрессора, соединенный с вращающимся валом 22 двигателя, проходит вдоль рабочей оси 20, а первая поворотная лопатка 8а располагается на расстоянии в осевом направлении от массива 48 рабочих лопаток компрессора вдоль рабочей оси 20. Первая поворотная лопатка устанавливается с возможностью вращения в первом местоположении 202 на корпусе 50, имея ось вращения 121 лопатки, которая проходит в радиальном направлении от рабочей оси 20 и под прямыми углами к ней. Первая поворотная лопатка 8а соединяется с регулировочным приводом 154, который выполнен с возможностью вращать первую поворотную лопатку 8а вокруг своей оси вращения 121 в диапазоне A-D углов (т. е. угловых положений) относительно рабочей оси 20.

Угол поворотной лопатки относительно рабочей оси 20 можно рассматривать исходя из угла линии хорды 123, которая проходит между передней кромкой лопатки и задней кромкой, образует с рабочей осью 20, например, как показано на фиг. 4.

Особенностью, общей для всех примеров, охватываемых настоящим раскрытием, является то, что первая ступень 46а работает совместно с последующими ступенями 46b, 46c, 46d. Однако ступени 46b, 46c, 46d синхронизированы друг с другом, но ступень 46а выполнена с возможностью открываться и закрываться по другому режиму.

Другими словами, открывание/закрывание ступеней 46b, 46c, 46d является синхронным в том смысле, что все они открываются и закрываются одновременно, тогда как открывание/закрывание ступеней 46а является асинхронным по отношению к другим ступеням в том смысле, что первая ступень 46а может быть открывающейся, когда другие ступени являются закрывающимся, и может закрываться с разной скоростью по отношению к другим ступеням. Это лучше всего проиллюстрировано согласно фиг. 5.

На рис. 5 показан график изменения угла поворотной лопатки в зависимости от числа оборотов двигателя для лопаток 8a, 8b, 8c, 8d различных ступеней 46а, 46b, 46c, 46d. Как видно, согласно на профильному режиму лопаток 8b, 8c, 8d, при низком числе оборотов двигателя направляющие лопатки расположены под первым углом относительно рабочей оси 20 (и/или направления потока через компрессор), и поскольку увеличивается число оборотов двигателя, направляющие лопатки вращаются относительно рабочей оси 20 (например, в направлении R2, как показано на фиг. 4) таким образом, что они находятся в своей наиболее "открытой" конфигурации при самом высоком числе оборотов двигателя, чтобы обеспечить максимальный поток воздуха.

В обычном компрессоре для газотурбинного двигателя направляющие лопатки первой ступени 46а будут следовать той же схеме, как указывается профилем, обозначенным 8а' на фиг. 5.

Однако для сборки по настоящему раскрытию профиль для первой ступени соответствует режиму, показанному для 8а на фиг. 5.

Как показано на фиг. 2, газотурбинный двигатель содержит регулятор 300, выполненный с возможностью управлять вращением первой поворотной лопатки 8а в зависимости от числа оборотов вала двигателя, например, как показано на фиг. 5.

Регулятор 300 может образовать часть блока управления двигателем и может устанавливаться в любом подходящем месте на двигателе и/или компрессоре или рядом с ними. Регулятор 300 соединен с распределительным приводом 154 распределителя и способен управлять им, тем самым управляя поворотными лопатками 8a, 8b, 8c, 8d.

Следовательно, независимо от того, как приводятся в действие/вращаются поворотные лопатки 8a, 8b, 8c, 8d, их ориентация, направление вращения и скорость вращения контролируются регулятором 300.

Ссылаясь на фиг. 5 регулятор 300 выполнен с возможностью управлять вращением поворотных лопаток 8а таким образом, что в первом диапазоне (А-В) и третьем диапазоне (С-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки 8а относительно рабочей оси 20 уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1, как показано на фиг. 4, чтобы увеличить площадь потока между направляющими лопатками 8а) с увеличением числа оборотов двигателя и/или увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2, как показано на фиг. 4, чтобы уменьшить площадь потока между направляющими лопатками 8а с уменьшением числа оборотов двигателя). К тому же, ссылаясь на фиг. 5, регулятор 300 может работать также для управления вращением поворотных лопаток 8а таким образом, что во втором диапазоне (B-C) числа оборотов вала двигателя угол первой регулируемой лопатки 8а относительно рабочей оси 20 увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2) с увеличением числа оборотов двигателя и/или уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Следовательно, предусмотрен регулятор 300, выполненный с возможностью вращать первую поворотную лопатку 8а вокруг своей оси вращения 121 в диапазоне A-D углов (то есть угловых положений в направлениях R1, R2 относительно рабочей оси 20). Таким образом, регулятор 300 способен управлять вращением первой поворотной лопатки 8а в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том в первом диапазоне А-В и третьем диапазоне С-D числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки 8а относительно рабочей оси 20 уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1 с увеличением числа оборотов двигателя; и/или увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2 с уменьшением числа оборотов двигателя). Во втором диапазоне B-C числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки 8а относительно рабочей оси 20 увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2) с увеличением числа оборотов двигателя; и/или уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Как показано на фиг. 4, первое направление вращения R1 противоположно второму направлению вращения R2.

Как описано выше, поворотная лопатка 8а может быть одной из массива поворотных лопаток 8а, расположенных по окружности корпуса 50, чтобы образовать, по меньшей мере, часть первой по потоку ступени 46а.

К тому же, как описано, могут быть также предусмотрены дополнительные массивы/ступени 46b, 46c, 46d поворотных лопаток 8b, 8c, 8d, соответственно, расположенных по окружности корпуса 50, чтобы образовать, по меньшей мере, часть дополнительной по потоку ступени 46b, 46c, 46d, расположенной на расстоянии от первой по потоку ступени 46а вдоль рабочей оси 20.

Следовательно, может быть предусмотрена второй (или более) массив/ступень 46b, 46c, 46d поворотных лопаток 8b, 8c, 8d расположенный по окружности корпуса 50, чтобы образовать, по меньшей мере, часть второй, третьей и/или четвертой ступени 46b, 46c, 46d на расстоянии первой по потоку ступени 46а вдоль рабочей оси 20.

Следовательно, может быть предусмотрена также вторая поворотная лопатка 8b, расположенная в осевом направлении на расстоянии от первой поворотной лопатки 8a вдоль рабочей оси 20, при том вторая поворотная лопатка 8b устанавливается с возможностью вращения во втором местоположении 204 на корпусе 50, имея ось вращения лопатки 121b, проходящую в радиальном направлении от рабочей оси 20 и под прямыми углами к ней. Вторая поворотная лопатка 8b может соединяться с регулировочным приводом 154, который выполненный с возможностью вращать вторую поворотную лопатку 8b вокруг своей оси вращения 121 в диапазоне A-D углов (угловых положений) относительно рабочей оси 20 одновременно с вращением первой поворотной лопатки 8a.

Когда работает осевой компрессор 14 с несколькими ступенями сжатие проходящего через него воздуха достигается постепенно, с одинаковыми коэффициентами сжатия на каждой ступени, поэтому площадь газового тракта через компрессор рассчитана на постепенное уменьшение. При очень низких скоростях, возникающих при запуске и остановке двигателя, поворотные лопатки 8а, 8b ранних ступеней не обеспечивают достаточного сжатия, чтобы позволить воздушному потоку проходить через задние (нижние по потоку) ступени 46с, 46d лопаток, которые становятся "задыхающимися". Когда это происходит, поток может отделяться от поверхностей аэродинамического профиля, вызывая "срыв" и реверсирование потока на всех ступенях компрессора 14. Поскольку это происходит, воздух высокого давления, выходящий из компрессора, течет обратно через компрессор 14, создавая волну давления (называемую "помпажем"). Обычно помпажи будут происходить многократно до тех пор, пока двигатель не остановится.

Однако компоновка из настоящего раскрытия управляет потоками воздуха, чтобы избежать возникновения условий срыва. Фиг. 5 иллюстрирует относительные перемещения первой ступени 46а к последующим ступеням 46b, 46c, 46d в компоновке в соответствии с настоящим раскрытием, которые, как было определено, влияют на воздушные потоки таким образом, что появлению срыва и/или других вредных условия обтекания воздухом будут препятствовать в силу того, что первая ступень 46а ограничена по сравнению с другими ступенями при заданных режимах работы двигателя.

При малой скорости поворотные лопатки "закрываются" (т.е. поворачиваются в направлении R2, чтобы ограничить поток до его максимальной степени), и поскольку число оборотов двигателя увеличивается, поворотные лопатки 8a-8d открываются в направлении R1 до их рабочего положения, чтобы пропустить больший потока.

Таким образом, предложен способ управления, регулирующий вращение первой поворотной лопатки 8а в зависимости от числа оборотов вала двигателя. В первом диапазоне A-B и третьем диапазоне C-D числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки 8a относительно рабочей оси 20 уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1) с увеличением числа оборотов двигателя и/или увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2) с уменьшением числа оборотов двигателя. Во втором диапазоне B-C числа оборотов двигателя угол первой поворотной лопатки 8а относительно рабочей оси 20 увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2) с увеличением числа оборотов двигателя и/или уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

Первый диапазон (А-В) может иметь максимальное величину не больше минимальной величины второго диапазона (В-С). Второй диапазон (B-C) может иметь максимальную величину не больше минимальной величины третьего диапазона (C-D).

Скорость изменения угла на единицу изменения числа оборотов вала двигателя первой поворотной лопатки 8а относительно рабочей оси 20 может быть больше в третьем диапазоне (С-D), чем в первом диапазоне (А-В).

Способ управления может дополнительно содержать этап регулирования вращения второй поворотной лопатки 8b в зависимости от числа оборотов вала двигателя, при том в первом диапазоне (A-B), втором диапазоне и третьем диапазоне (С-D) числа оборотов вала двигателя угол поворотной лопатки 8a относительно рабочей оси 20 уменьшается (т.е. поворачивается в направлении R1) с увеличением числа оборотов двигателя и/или увеличивается (т.е. поворачивается в направлении R2) с уменьшением числа оборотов двигателя. На этапе регулирования вращения второй поворотной лопатки 8b в зависимости от числа оборотов вала двигателя вторая поворотная лопатка 8b приводится в движение через первую поворотную лопатку 8a таким образом, что она находится в механическом контакте или механически связана (т.е. регулировочный привод 154) с первой поворотной лопаткой 8a. Первая поворотная лопатка 8a может быть входной направляющей лопаткой.

Как показано на фиг. 5, в первом диапазоне (A-B) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки 8а и второй регулируемой поворотной лопатки 8b относительно рабочей оси 20 изменяется по существу с одинаковой скоростью.

Вращением поворотных лопаток можно управлять таким образом, что в третьем диапазоне (C-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки 8a изменяется с существенно большей скоростью, чем второй поворотной лопатки 8b.

Регулировочный привод 154 может содержать один исполнительный механизм 156, соединенный как с первой поворотной лопаткой 8а, так и со второй поворотной лопаткой 8b.

В качестве альтернативы регулировочный привод 154 может содержать первый исполнительный механизм 156 и второй исполнительный механизм 156’, причем первый исполнительный механизм 156 соединяется с первой регулируемой поворотной лопаткой 8а; и причем второй исполнительный механизм 156' соединяется со второй регулируемой поворотной лопаткой 8b; и регулятор 300 выполнен с возможностью управлять обоими исполнительными механизмами 156, 156’ регулировочного привода 154.

Кроме того, вторая по потоку ступень и первая по потоку ступень настроены таким образом, что лопатки 8b второй по потоку ступени 46b будут перемещаться на различную величину и/или в другом направлении относительно поворотных лопаток первой по потоку ступени 46a при заданном состоянии потока в компрессоре 14. Заданное состояние потока может быть выражено в виде числа оборотов двигателя. Иными словами, и ссылаясь на фиг. 5, способ управления может определять, что точка "В" находится на первом % от максимального числа оборотов двигателя, а точка "С" находится на втором % от максимального числа оборотов двигателя.

Точка "В" может находиться в диапазоне от 70% до 80% от максимального числа оборотов двигателя, и точка С находится в диапазоне от 85% до 95% от максимального числа оборотов двигателя.

Точка "В" может находиться на уровне 80% от максимального числа оборотов двигателя, а точка С может находиться на уровне 90% от максимального числа оборотов двигателя.

В качестве альтернативы точка "В" может находиться на уровне 80% от максимального числа оборотов двигателя, а точка С может быть на уровне 95% от максимального числа оборотов двигателя.

В одном примере первый диапазон (А-В) числа оборотов двигателя может составлять от 0 до 80% от числа оборотов вала двигателя. Второй диапазон (B-C) числа оборотов двигателя может составлять от 80% до 90% от числа оборотов вращения вала двигателя. Третий диапазон (C-D) может составлять от 90% до 100% от числа оборотов вала двигателя или даже от 90% до 105% от числа оборотов вала двигателя.

В альтернативном примере первый диапазон (А-В) может составлять от 0% до не более 80% от числа оборотов вала двигателя. Второй диапазон (B-C) может составлять не менее 80% и не более 95% от числа оборотов вала двигателя. Третий диапазон (C-D) составляет от не менее 95% до не более 105% от числа оборотов вала двигателя.

Также может быть предусмотрен нестационарный машиночитаемый носитель информации с записанными на нем инструкциями, которые при реализации регулятором 300 для газовой турбины 10 вынуждают регулятор 300 осуществлять способ управления газовой турбиной 10 в соответствии со способом из настоящего раскрытия.

Следовательно, предусмотрено устройство для приведения в действие поворотной лопатки компрессора по режиму для улучшения работоспособности компрессора. Система содержит регулятор, двигатель и/или способ, который предпочтительно закрывает входную направляющую лопатку первой ступени компрессора при открывании других ступеней компрессора. Обычно срыва избегают, открыв все ступени компрессора, но для условий потока компрессора, где это не эффективно, система из настоящего раскрытия обеспечивает дальнейшее сопротивление срыву.

Следовательно, система из настоящего раскрытия обеспечивает расширение запаса по срыву/помпажу, а также предотвращение/снижение устойчивости срыва в случае его возникновения, а также уменьшение "форсирования" нижних по потоку рабочих лопаток ротора для уменьшения вредных проблем динамики рабочей лопатки.

Таким образом, предложена компоновка, которая делает возможным "запрограммированный" режим работы (т.е. заданный профиль перемещения) для ступени поворотных лопаток, чтобы избежать срыва и других потенциально опасных условий обтекания воздушным потоком. Она также позволяет управлять несколькими ступенями поворотных лопаток в соответствии с различными заданными режимами открывания/закрывания, чтобы избежать срыва и других потенциально опасных условий обтекания воздушным потоком.

Обращено внимание на все научные статьи и документы, которые поданы одновременно с настоящим описанием или до него в связи с настоящей заявкой, и которые открыты для публичной проверки в соответствии с настоящим описанием, и содержание всех таких научных статей и документов включено в настоящий документ посредством ссылки.

Все признаки, раскрытые в настоящем описании (включая любые прилагающиеся формулу изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого способа или процесса, раскрытого таким образом, могут быть объединены в любом сочетании, за исключением сочетаний, в которых, по меньшей мере, некоторые из таких признаков и/или этапов являются взаимоисключающими.

Каждый признак, раскрытый в настоящем описании (включая любые прилагающиеся формулу изобретения, реферат и чертежи), может быть заменен альтернативными признаками, служащими той же, эквивалентной или аналогичной цели, если прямо не предусмотрено иное. Таким образом, если прямо не предусмотрено иное, каждый раскрываемый признак является лишь одним примером общего ряда эквивалентных или сходных признаков.

Изобретение не ограничивается подробностями вышеприведенного варианта (вариантов) воплощения. Изобретение распространяется на любое новое изобретение или любое новое сочетание признаков, раскрытых в настоящем описании (включая любые прилагающиеся формулу изобретения, реферат и чертежи), или на любое новое изобретение или любое новое сочетание этапов любого способа или процесса, раскрытых таким образом.

Claims

1. Регулятор (300) для газотурбинного двигателя (10), причем газотурбинный двигатель (10) содержит:

компрессор (14), имеющий:

корпус (50), который проходит вдоль и центрирован по рабочей оси (20);

массив (48) рабочих лопаток компрессора, соединенных с вращающимся валом (22) двигателя, который проходит вдоль рабочей оси (20);

первую поворотную лопатку (8а), расположенную в осевом направлении на расстоянии от массива (48) лопаток компрессора вдоль рабочей оси (20),

при том первая поворотная лопатка (8а) устанавливается с возможностью вращения в первом местоположении (202) на корпусе (50),

имея ось (121) вращения лопатки под прямыми углами к рабочей оси (20); и

первая поворотная лопатка (8а) соединяется с регулировочным приводом (154),

выполненным с возможностью вращения первой поворотной лопатки (8а) вокруг своей оси (121) вращения в диапазоне (A-D) углов относительно рабочей оси (20);

регулятор (300), выполненный с возможностью:

регулирования вращение первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, причем:

в первом диапазоне (A-B) и третьем диапазоне (C-D) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20):

уменьшается (R1) с увеличением числа оборотов двигателя; и/или

увеличивается (R2) с уменьшением числа оборотов двигателя;

во втором диапазоне (B-C) числа оборотов вала двигателя угол первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20):

увеличивается (R2) с увеличением числа оборотов двигателя; и/или

уменьшается (R1) с уменьшением числа оборотов двигателя.

2. Газотурбинный двигатель (10) содержит:

компрессор, имеющий:

первую поворотную лопатку (8а), расположенную в осевом направлении на расстоянии от массива (48) рабочих лопаток компрессора вдоль рабочей оси (20),

причем первая поворотная лопатка устанавливается с возможностью вращения в первом местоположении (202) на корпусе (50),

первая поворотная лопатка (8а) соединяется с регулировочным приводом (154), выполненным с возможностью вращения первой поворотной лопатки (8а) вокруг своей оси (121) вращения в диапазоне (A-D) углов относительно рабочей оси (20);

регулятор (300), выполненный с возможностью:

регулирования вращения первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, причем:

уменьшается (R1) с уменьшением числа оборотов.

3.Способ управления газотурбинным двигателем (10) по п.2, причем способ содержит управление вращением первой поворотной лопатки (8а) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, причем:

4. Способ по п.3, в котором

второй диапазон (B-C) числа оборотов вала двигателя находится между первым диапазоном (A-B) и третьим диапазоном (C-D).

5. Способ по п.4, в котором

первый диапазон (A-B) имеет максимальную величину не больше, чем минимальная величина второго диапазона (B-C); и

второй диапазон (B-C) имеет максимальную величину не больше, чем минимальная величина третьего диапазона(C-D).

6. Способ по любому из пп.3-5, в котором

скорость изменения угла первой поворотной лопатки (8а) относительно рабочей оси (20) на единицу изменения числа оборов вала двигателя является большей в третьем диапазоне (C-D), чем в первом диапазоне (A-B).

7. Способ по любому из пп.3-6, в котором

первый диапазон (A-B) находится от 0 до 80% от числа оборотов вала двигателя;

второй диапазон находится от 80 до 90% от числа оборотов вала двигателя; и

третий диапазон находится от 90 до 105% от числа оборотов вала двигателя.

8. Способ по любому из пп.3-6, в котором

первый диапазон (A-B) находится от 0% до не более чем 80% от числа оборотов вала двигателя;

второй диапазон находится от не менее чем 80% до не менее чем 95% от числа оборотов вала двигателя; и

третий диапазон находится от не менее чем 95% до не более чем 105% от числа оборотов вала двигателя.

9. Способ по любому из пп.3-8, в котором компрессор дополнительно содержит:

вторую поворотную лопатку (8b), расположенную в осевом направлении на расстоянии от первой поворотной лопатки (8a) вдоль рабочей оси (20),

причем вторая поворотная лопатка (8b) устанавливается с возможностью вращения во втором местоположении (204) на корпусе (50),

имея ось (121b) вращения лопатки под прямыми углами к рабочей оси (20); и

вторая поворотная лопатка (8b) соединяется с регулировочным приводом (154), выполненным с возможностью вращения второй поворотной лопатки (8b) вокруг своей оси (121) вращения в диапазоне углов относительно рабочей оси (20);

одновременно с вращением первой поворотной лопатки;

причем способ содержит этап

управления вращением второй поворотной лопатки (8b) в зависимости от числа оборотов вала двигателя, в котором

в первом диапазоне (A-B), втором диапазоне (В-С) и третьем диапазоне (C-D) числа оборотов вала двигателя угол второй поворотной лопатки (8b) относительно рабочей оси (20):

увеличивается (R2) с уменьшением числа оборотов двигателя.

10. Способ по п.9, в котором вращение поворотных лопаток регулируется таким образом, чтобы:

в первом диапазоне (A-B) числа оборотов вала двигателя угол первой регулируемой поворотной лопатки (8a) и второй поворотной лопатки (8b) относительно рабочей оси (20) изменялся с одинаковой скоростью.

11. Способ по п.9 или 10, в котором вращение поворотных лопаток регулируется таким образом, чтобы:

в третьем диапазоне (C-D) числа оборотов вала двигателя угол первой регулируемой поворотной лопатки (8a) изменялся с большей скоростью, чем второй поворотной лопатки (8b).

12. Способ по п.11, в котором

регулировочный привод (154) содержит один исполнительный механизм (156), соединенный и с первой поворотной лопаткой (8a) и со второй поворотной лопаткой (8b).

13. Способ по п.11, в котором

регулировочный привод (154) содержит первый исполнительный механизм (156) и второй исполнительный механизм (156'),

первый исполнительный механизм (156), соединенный с первой поворотной лопаткой (8a); и

второй исполнительный механизм (156'), соединенный со второй поворотной лопаткой (8b); и

регулятор (300) выполненный с возможностью управления обоими исполнительными механизмами (156, 156') регулировочного привода (154).

14. Способ по любому из пп.9-13, в котором

управление вращением первой поворотной лопатки (8a) ступени и второй поворотной лопаткой (8b) ступеней достигается путем постепенного закрывания первой поворотной лопатки (8a) ступени наряду с постепенным открыванием второй поворотной лопатки (8b) последующих ступеней в заданных условиях работы двигателя.

15. Способ по любому из пп.9-14, в котором

управление вращением первой поворотной лопаткой (8a) ступени и второй поворотной лопаткой (8b) ступеней достигается путем постепенного открывания первой поворотной лопатки (8a) ступени наряду с постепенным закрыванием второй поворотной лопатки (8b) последующих ступеней в заданных условиях работы двигателя.