ИЗОГНУТАЯ ЛОПАТКА КОМПРЕССОРА Российский патент 2003 года по МПК F04D29/38 

Настоящее изобретение, в целом, относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к компрессорам или их вентиляторам.

В авиационном турбовентиляторном газотурбинном двигателе при его работе воздух сжимается воздушным винтом и компрессором. Воздух от воздушного винта используется для приведения в движение самолета в полете. Воздух, проходящий через компрессор, смешивается с топливом в камере сгорания и воспламеняется для производства газообразных продуктов сгорания, которые протекают через ступени турбины, которая извлекает из них энергию для питания воздушного винта и компрессора.

Типичный турбовентиляторный двигатель включает многоступенчатый осевой компрессор, который последовательно сжимает воздух для получения воздуха высокого давления для сгорания. Базовыми требованиями в конструкции компрессора являются эффективность сжатия воздуха с достаточным запасом по срыву потока при работе во всем диапазоне режимов полета, т.е. при взлете, в полете и при приземлении.

Однако коэффициент полезного действия компрессора и запас по срыву потока имеют обратное отношение, при этом увеличение коэффициента полезного действия, как правило, соответствует уменьшению запаса по срыву потока.

Противоречивые требования по уровню запаса по срыву потока и коэффициента полезного действия в особенности предъявляются к военным вариантам применения двигателей с высокими характеристиками, которые требуют высокого уровня запаса по срыву потока в сочетании с высоким коэффициентом полезного действия компрессора.

На максимизацию коэффициента полезного действия аэродинамического профиля крыльев (лопаток) компрессора в первую очередь влияет оптимизация распределения скоростей по сторонам давления и разрежения лопатки. Однако коэффициент полезного действия, как правило, ограничен в обычной конструкции компрессора потребностью в надлежащем запасе по срыву потока. Какое-либо дополнительное повышение коэффициента полезного действия приводит к уменьшению запаса по срыву потока, и, наоборот, дополнительное повышение запаса по срыву потока приводит к уменьшению коэффициента полезного действия.

Высокий коэффициент полезного действия, как правило, получают сведением к минимуму площади смачиваемой поверхности аэродинамического профиля лопаток для данной ступени для соответствующего уменьшения лобового сопротивления лопаток. Как правило, это достигается уменьшением плотности лопаток или плотности расположения лопаток по окружности диска ротора или увеличением относительного удлинения лопатки, т.е. отношения длины хорды профиля и наибольшего поперечного размера.

Для заданной скорости вращения ротора это увеличение коэффициента полезного действия уменьшает запас по срыву потока. Для достижения высоких уровней запаса по срыву потока может использоваться больший, чем оптимальный, уровень плотности наряду с выполнением лопаток с меньшими, чем оптимальный, углами атаки. Это уменьшает коэффициент полезного действия работы осевого компрессора.

Увеличенный запас по срыву потока может быть также получен путем увеличения скорости вращения ротора, но это, в свою очередь, уменьшает коэффициент полезного действия за счет увеличения чисел Маха лопатки, что увеличивает лобовое сопротивление.

Соответственно, типичные конструкции компрессоров неизбежно предусматривают компромисс между коэффициентом полезного действия и запасом по срыву потока с учетом предпочтительности одного относительно другого.

Таким образом, желательно дальнейшее повышение как коэффициента полезного действия компрессора, так и запаса по срыву потока для улучшения характеристик компрессора газотурбинного двигателя.

Лопатка компрессора имеет стороны давления и разрежения, простирающиеся от основания до оконечности и между передней и задней кромками. Поперечные сечения имеют соответствующие хорды и линии изгиба. Центры тяжести сечений выровнены вдоль изогнутой оси наложения сечений либо тангенциально, либо в осевом направлении, или в обоих направлениях для улучшения характеристик.

Изобретение в соответствии с предпочтительными и примерными вариантами его осуществления, вместе с другими его задачами и преимуществами более конкретно описано в нижеследующем подробном описании, данном в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает изометрический вид части роторной ступени компрессора газотурбинного двигателя, имеющей изогнутые аэродинамические профили лопатки, простирающиеся радиально наружу от цельного диска ротора, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 изображает изометрический вид обращенной вперед одной из лопаток, показанных на фиг.1, и данный, в целом, по линии 2-2 в тангенциальной и радиальной плоскости.

Фиг. 3 изображает вертикальный вид сбоку одной из лопаток, показанных на фиг. 1, и данный, в целом, по линии 3-3, проецируемый по окружности в осевой и радиальной плоскости.

Фиг. 4 изображает радиальное поперечное сечение примерной части лопатки, показанной на фиг.3, и данное по линии 4-4.

На фиг. 1 показана часть кольцевого лопаточного венца 10 ротора, образующего одну ступень многоступенчатого осевого компрессора для газотурбинного двигателя. Лопаточный венец включает множество отнесенных друг от друга по кольцу лопастей ротора или лопаток 12, простирающихся радиально наружу от периметра цельного диска 14 ротора, формирующего единый унитарный узел. Лопаточный венец может производиться фрезерованием или электрохимической обработкой.

В альтернативном варианте лопатки могут выполняться с составляющими с ними единое целое креплениями типа "ласточкин хвост" для установки с возможностью демонтажа в соответствующие пазы в форме "ласточкиного хвоста" по периметру отдельного роторного диска в другой обычной конфигурации.

При работе лопаточный венец вращается в типичном направлении по часовой стрелке, как показано на фиг.1, для сжатия воздуха 16, протекающего между соседними лопатками. Лопатки имеют профиль такой аэродинамической конфигурации, которая доводит до максимума эффективность сжатия воздуха, одновременно также обеспечивая достаточно высокий запас по срыву потока для повышения характеристик компрессора. Лопаточный венец 10, показанный на фиг.1, представляет только одну из нескольких ступеней лопаток ротора, которые могут иметь конфигурацию, соответствующую настоящему изобретению, для повышения характеристик компрессора путем одновременного повышения коэффициента полезного действия и запаса по срыву потока.

Хотя применен известный компромисс между аэродинамической эффективностью и запасом по срыву потока, известное современное компьютерное программное обеспечение доступно для решения уравнений трехмерного ламинарного потока для оценки характеристик лопатки. Полученные лопатки, в целом, имеют характерные трехмерные конфигурации, которые значительно отличаются от обычных лопаток, которые мало изменяются в радиальном сечении на протяжении их размаха.

Фиг. 1 изображает особым образом изогнутую лопатку 12, конфигурация которой выполнена путем трехмерного анализа, имеющую улучшенные характеристики для повышения как коэффициента полезного действия, так и запаса по срыву потока, что было невозможно прежде.

Диск 14 ротора имеет три прямоугольные оси, включающие осевую X, тангенциальную или касательную Y и радиальную Z. Осевая ось Х проходит в направлении течения потока воздуха 16, проходящего через компрессор. Тангенциальная ось Y проходит в направлении вращения диска и лопаток. И радиальная ось Z проходит радиально наружу от периметра диска для каждой расположенной на нем лопатки.

Каждая лопатка 12 включает, в целом, вогнутую сторону 18 давления и, в целом, выпуклую сторону 20 разрежения, простирающиеся в радиальном или продольном направлении от основания 22, как единое целое соединенного с периметром диска, до радиально наружной оконечности 24. Две стороны проходят по хорде или по оси между передней и задней кромками 26, 28 от основания до оконечности.

Согласно одному отличительному признаку настоящего изобретения сторона 20 разрежения лопатки изогнута в поперечном или тангенциальном направлении вдоль задней кромки 28 вблизи основания 22 или в районе, примыкающем к нему, в месте пересечения с периметром диска. Срыв потока воздуха в этом месте может быть существенно уменьшен или устранен как для увеличения коэффициента полезного действия лопатки, так и для повышения запаса по срыву потока.

Задняя кромка стороны разрежения изогнута в основном только в тангенциальном направлении, как показано на фиг.2. В боковой проекции осевой и радиальной плоскости X-Z, показанной на фиг.3, изгиб стороны разрежения незначителен. Однако лопатка может также быть изогнутой в осевом направлении, как показано на фиг.3, для дополнительных усовершенствований характеристик, как будет описано ниже.

Лопатка, показанная на фиг. 1-3, образована множеством составленных в радиальном или продольном направлении поперечных сечений, одно из которых показано на фиг. 4. Каждое сечение имеет аэродинамический профиль, образованный соответствующими частями сторон 18, 20 давления и разрежения, проходящими между передней и задней кромками 26, 28. Каждый профиль ограничен прямой хордой 30, проходящей в осевом направлении между передней и задней кромками, и дугообразной изогнутой линией 32, которая является воображаемой линией, расположенной на одинаковом расстоянии между сторонами давления и разрежения и проходящей от передней до задней кромки. Изогнутая линия 32 имеет угол А изгиба относительно осевой оси X, который изменяется между передней и задней кромками, и, типично, в целом, параллельно потоку набегающего воздуха 16 на передней кромке лопатки.

Каждое сечение лопатки также имеет центр 34 тяжести, который выровнен в радиальном направлении вдоль продольного размаха лопатки по изогнутой оси 36 наложения сечений, как показано на фиг.1. Ось 36 наложения сечений в сочетании с конфигурациями соответствующих сечений лопаток, включающих их хорды 30 и изогнутые линии 32, обеспечивают определение конфигурации лопаток с улучшенными характеристиками согласно настоящему изобретению.

Более конкретно, ось 36 наложения сечений, показанная на фиг.1, имеет два прямоугольных компонента, включающих тангенциальную ось 36а наложения сечений, показанную на фиг.2, и осевую ось 36b наложения сечений, показанную на фиг. 3. Как показано на фиг.2, тангенциальная ось 36а наложения сечений нелинейна или изогнута вблизи основания 22 лопатки для изгибания стороны 20 разрежения лопатки вблизи задней кромки основания.

Тангенциальная ось 36а наложения сечений сначала наклоняется вперед или в направлении вращения лопаток и диска, от основания к стороне 18 давления лопатки. Ось 36а затем наклоняется назад, т.е. в направлении, противоположном направлению вращения лопаток и диска, к стороне 20 разрежения, примыкающей к оконечности 24. Соответственно, изгиб поперечных сечений лопатки вблизи основания изменяется, в свою очередь, для изгибания там стороны разрежения.

Кривизна тангенциальной оси 36а наложения сечений и соответствующие конфигурации поперечных сечений подбираются для того, чтобы существенно уменьшить или устранить срыв потока воздуха вдоль стороны разрежения вблизи основания лопатки на задней кромке.

Изогнутая ось наложения сечений позволяет ориентировать заднюю кромку 28, как показано на фиг.1 и 2, по существу перпендикулярно основанию изогнутой стороны 20 разрежения, и выше изгибать ее назад. Задняя кромка 28 пересекается с периметром или платформой роторного диска под углом В пересечения, который был бы в другом случае, без изгиба задней кромки, в значительной степени острым. Компьютерный анализ показывает, что острые углы пересечения задней кромки способствуют срыву потока у основания, что уменьшает коэффициент полезного действия лопатки. Изгиб стороны разрежения уменьшает остроту угла В пересечения для соответствующего уменьшения срыва потока с сопутствующим повышением коэффициента полезного действия. Изогнутая ось наложения сечений обеспечивает небольшое выпрямление лопатки благодаря центробежным нагрузкам, вырабатываемым при работе, и прилагает локальное напряжение при сжатии и изгибе, которое локально компенсирует центробежное напряжение при растяжении.

Соответственно, предпочтительно изогнутая лопатка уменьшает срыв потока в основании, и изгиб ограничен только степенью изгиба оси наложения сечений, которая обеспечивает при работе допустимое напряжение при изгибе. Улучшенное обтекание основания воздушным потоком повышает коэффициент полезного действия лопатки без уменьшения запаса по срыву потока.

Аэродинамическое изгибание является обычным параметром оценки характеристик лопатки компрессора. В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения применены средства для ограничения аэродинамического изгибания назад передней и задней кромок лопатки 12 относительно друг друга. Изгибание назад может неблагоприятно влиять на запас по срыву потока, и избирательное ограничение изгибания назад может повысить запас по срыву потока.

Изгибание назад лопатки 12, показанной на фиг.3, может ограничиваться избирательным изгибанием оси 36b наложения сечений, а также избирательным изменением распределения хорд поперечных сечений.

Например, изгибание назад может ограничиваться конфигурированием передней кромки 26 лопатки так, чтобы она имела находящуюся в одной плоскости с осью радиально наружную или внешнюю часть, которая включает оконечность 24. И остальная, радиально внутренняя часть передней кромки 26 отклоняется от наружной части к основанию 22 по оси вперед.

Фиг.3 изображает осевую проекцию лопатки 12 с ее стороны 20 разрежения и показывает прямую наружную часть передней кромки, которая предпочтительно расположена в постоянном осевом положении. Внутренняя часть передней кромки 26 изгибается по мере приближения основания лопатки вперед относительно радиальной линии, показанной пунктиром. Аэродинамическое изгибание лопатки назад, таким образом, ограничивается на передней кромке от основания до оконечности лопатки.

Как показано на фиг.3, наружная и внутренняя части передней кромки 26 пересекаются или переходят одна в другую около середины размаха лопатки. В предпочтительном варианте осуществления изобретения переход в середине размаха находится в пределах от около 40% размаха до около 60% размаха. Как коэффициент полезного действия лопатки, так и запас по срыву потока могут дополнительно повышаться этой предпочтительной конфигурацией передней кромки.

Аэродинамическое изгибание назад может дополнительно ограничиваться предпочтительным конфигурированием задней кромки 28 лопатки, как показано на фиг. 3. Осевая ось 36b наложения сечений в сочетании с соответствующими длинами хорд могут использоваться для регулирования конфигурации задней кромки. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3, задняя кромка 28 имеет находящуюся в одной плоскости с осью внутреннюю часть, включающую основание 22, и наружную часть, отклоняющуюся по оси вперед от внутренней части к оконечности 24.

Внутренняя и наружная части задней кромки 28 пересекаются или переходят друг в друга радиально ближе к основанию, между серединой размаха лопатки и основанием 22. В предпочтительном варианте осуществления изобретения этот переход задней кромки во внутреннюю часть находится в пределах от около 15% размаха до около 25% размаха.

Конфигурация задней кромки, таким образом, образована сохранением постоянного осевого положения задней кромки от основания 22 вдоль расположенной ближе к основанию меньшей части размаха, при этом большая, наружная часть задней кромки выступает или отклоняется по мере приближения к оконечности 24 вперед относительно радиальной линии, показанной пунктиром. Вновь, аэродинамическое изгибание назад ограничено для соответствующего увеличения коэффициента полезного действия лопатки и запаса по срыву потока.

Поскольку ось наложения сечений включает как тангенциальный, так и осевой компоненты, тангенциальный компонент может использоваться для получения преимущества введения в конструкцию изогнутой стороны 20 разрежения вблизи задней кромки в основании, как показано на фиг.1 и 2, для получения описанных выше преимуществ. Соответственно, осевой компонент оси наложения сечений может подбираться для ограничения аэродинамического изгибания назад вдоль передней и задней кромок 26, 28, как показано на фиг.3.

И, что довольно существенно, осевой контур лопатки взаимодействует с тангенциальным контуром для дополнительного уменьшения или устранения срыва потока.

Ось наложения сечений конфигурируется в соответствии с конфигурациями отдельных поперечных сечений лопатки, включая распределение длин хорд 30 и кривизны изогнутых линий 32. И конкретная конфигурация оси наложения сечений может также регулироваться для ограничения генерируемых центробежной силой напряжений при изгибе в лопатке до допустимых пределов.

Соответственно, два компонента оси наложения сечений и конфигурации поперечных сечений лопатки могут дополнительно конфигурироваться на основе анализа трехмерного ламинарного потока для увеличения коэффициента полезного действия лопатки и запаса по срыву потока для получения характерных трехмерных конфигураций, показанных на фигурах.

Степень кривизны изгиба стороны разрежения и ограничение изгибания назад вдоль передней и задней кромок могут регулироваться в различных комбинациях для разных конфигураций лопаток для варьирования преимуществ увеличенного коэффициента полезного действия лопатки и соответствующего запаса по срыву потока. Полученная конфигурация лопатки 12 может, таким образом, реально предназначаться для трехмерного выполнения благодаря современным достижениям в компьютерном анализе, которые делают такие усовершенствования возможными.

Хотя здесь были описаны типовые варианты осуществления настоящего изобретения и то, что рассматривается как предпочтительное, для специалиста в данной области техники при рассмотрении этого описания будут очевидны другие модификации изобретения и, таким образом, такие модификации должны быть зафиксированы в прилагаемой формуле изобретения как соответствующие сущности и объему изобретения.

Лопатка 12 компрессора включает стороны 18, 20 давления и разрежения, проходящие от основания 22 до оконечности 24 и между передней и задней кромками 26, 28. Поперечные сечения имеют соответствующие хорды и изогнутые линии. Центры тяжести сечений выровнены вдоль изогнутой оси наложения сечений либо тангенциально, либо по оси, либо в обоих направлениях для повышения характеристик. Изобретение обеспечивает повышение КПД компрессора. 3 с. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопатка 12 компрессора для диска 14 ротора, имеющая осевую, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны 18, 20 давления и разрежения, простирающиеся радиально от основания 22 до оконечности 24 и в осевом направлении между передней и задней кромками 26, 28; поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и изогнутые линии, проходящие между передней и задней кромками, и центры 34 тяжести, выровненные на изогнутой оси 36 наложения сечений; сторона 20 разрежения изогнута вдоль задней кромки 28 вблизи основания 22 для уменьшения там срыва потока.2. Лопатка по п.1, в которой ось наложения сечений содержит два ортогональных компонента, включающих тангенциальную ось 36а наложения сечений и осевую ось 36b наложения сечений, и тангенциальная ось наложения сечений изогнута вблизи основания 22 лопатки для изгибания там стороны 20 разрежения.3. Лопатка по п.2, в которой тангенциальная ось 36а наложения сечений сначала отклоняется вперед от основания 22 в направлении стороны 18 давления и затем отклоняется назад в направлении стороны 20 разрежения к точке, примыкающей к оконечности 24, и изгиб указанных сечений вблизи основания изменяется для получения там изгиба стороны разрежения.4. Лопатка по п.3, в которой отклонение вперед - это отклонение в направлении вращения лопатки на диске 14 и отклонение назад противоположно направлению вращения.5. Лопатка по п.3, в которой задняя кромка 28 ориентирована, по существу, перпендикулярно основанию на изогнутой стороне 20 разрежения и отклоняется назад выше него.6. Лопатка по п.1, дополнительно содержащая средство 36b для ограничения аэродинамического изгибания назад передней и задней кромок 26, 28 лопатки относительно друг друга.7. Лопатка по п.6, в которой ось наложения сечений имеет два ортогональных компонента, включающих тангенциальную ось 36а наложения сечений и осевую ось 36b наложения сечений, средство для ограничения изгибания включает изгиб осевой оси 36b наложения сечений.8. Лопатка по п.7, в которой средство для ограничения изгибания дополнительно включает изменяемые распределения хорд поперечных сечений.9. Лопатка по п.8, в которой средство для ограничения изгибания дополнительно включает переднюю кромку 26, имеющую аксиально копланарную наружную часть, включающую оконечность 24, и расположенную ближе к основанию часть, отклоненную вперед от наружной части к основанию 22.10. Лопатка по п.9, в которой переход между наружной и внутренней частями передней кромки расположен около середины размаха лопатки.11. Лопатка по п.10, в которой переход в середине размаха расположен в пределах 40-60% длины лопатки.12. Лопатка по п.8, в которой средство для ограничения изгибания дополнительно включает заднюю кромку 28, имеющую аксиально копланарную внутреннюю часть, включающую основание 22, и наружную часть, отклоняющуюся от внутренней части вперед до оконечности 24.13. Лопатка по п.9, в которой переход между внутренней и наружной частями задней кромки расположен между серединой размаха лопатки и основанием 22.14. Лопатка по п.13, в которой внутренний переход находится в пределах от около 15-25% высоты лопатки.15. Лопатка по п.8, в которой средство для ограничения изгибания дополнительно включает переднюю кромку 26, имеющую аксиально копланарную наружную часть, включающую оконечность 24, и внутреннюю часть, отклоненную вперед от наружной части до основания 22, и задняя кромка 28 имеет аксиально копланарную внутреннюю часть, включающую основание 22, и наружную часть, отклоненную вперед от внутренней части задней кромки до оконечности 24.16. Лопатка по п.15, в которой переход между наружной и внутренней частями передней кромки расположен около середины размаха лопатки, переход между внутренней и наружной частями задней кромки расположен между серединой размаха и основанием 22.17. Лопатка по п.16, в которой переход в середине размаха на передней кромке расположен в пределах около 40-60% высоты лопатки, внутренний переход на задней кромке расположен в пределах от около 15-25% высоты лопатки.18. Лопатка 12 компрессора для диска 14 ротора, имеющая осевую, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны 18, 20 давления и разрежения, проходящие в радиальном направлении от основания 22 до оконечности 24 и в осевом направлении между передней и задней кромками 26, 28; поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и изогнутые линии, проходящие между передней и задней кромками, и центры 34 тяжести, выровненные по изогнутой оси 36 наложения сечений; сторона 20 разрежения изогнута вдоль задней кромки 28 вблизи основания 22 для уменьшения там срыва потока; в которой ось наложения сечений имеет два ортогональных компонента, включающих тангенциальную ось 36а наложения сечений и осевую ось 36b наложения сечений, тангенциальная ось наложения сечений изогнута вблизи основания 22 лопатки для изгибания там стороны разрежения.19. Лопатка 12 компрессора для диска 14 ротора, имеющая осевую, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны 18, 20 давления и разрежения, проходящие в радиальном направлении от основания 22 до оконечности 24 и в осевом направлении между передней и задней кромками 26, 28; поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и изогнутые линии, проходящие между передней и задней кромками, и центры 34 тяжести, выровненные по изогнутой оси 36 наложения сечений; средство 36b для ограничения аэродинамического изгибания назад передней и задней кромок лопатки относительно друг друга.20. Лопатка по п.19, в которой ось 36а наложения сечений изогнута вблизи основания 22 лопатки для изгибания там стороны 20 разрежения.21. Лопатка по п.20, простирающаяся радиально наружу от диска 14 ротора в унитарном лопаточном венце 10, и сторона 20 разрежения изогнута вблизи диска для уменьшения там срыва потока у основания.