КОМПРЕССОР ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/02 F01D5/14 F01D5/30 F04D29/32 F02K3/04 

Настоящее изобретение относится к общей области компрессоров для турбореактивных двигателей. Более конкретно оно относится к вентилятору (или компрессору низкого давления) турбореактивного двигателя двухконтурного типа.

В двухконтурном турбореактивном двигателе воздух последовательно сжимается в компрессоре низкого давления и компрессоре высокого давления, затем смешивается с топливом и воспламеняется в камере сгорания. Энергия горючих газов преобразуется в механическую энергию в турбине высокого давления для обеспечения привода компрессора высокого давления и турбины низкого давления. Последняя, в свою очередь, обеспечивает привод компрессора низкого давления.

Компрессор низкого давления, называемый также вентилятором, такого турбореактивного двигателя содержит обычно единственную ступень лопаток, закрепленных основаниями на ступице, которая вращается вокруг продольной оси турбореактивного двигателя. Кольцевой картер, концентрически размещенный вокруг ступицы, образует с последней кольцевую струю для течения воздуха, проходящего через вентилятор.

Что касается компрессора высокого давления, то он обычно состоит из нескольких ступеней, при этом каждая ступень образована решеткой неподвижных лопаток, размещенных за решеткой подвижных лопаток.

В настоящее время у разработчиков двигателей существует тенденция к уменьшению количества ступеней компрессора низкого давления для уменьшения его габаритных размеров и его массы. Для этого, чтобы не ухудшать рабочие характеристики турбореактивного двигателя, а именно компрессию воздуха, необходимо повышать эффективность компрессии и производительность вентилятора.

Одним из известных решений для повышения эффективности компрессии и производительности вентилятора является повышение радиуса струи течения воздуха через вентилятор. Например, документ US 6551761 описывает принцип «уменьшения» потока в области ступицы путем образования «впадин» между основаниями лопаток.

Наличие этих впадин позволяет основаниям лопаток сжимать воздух более легко и с меньшими аэродинамическими потерями.

Такое изменение струи потока воздуха позволяет уменьшить число Маха на входе вентилятора и лучше сжать воздух на выходе, усиливая эффект радиуса. Однако факт уменьшения потока в области ступицы может оказывать вредное воздействие на сечения оснований лопаток, в частности в зоне повторной компрессии, размещенной cо стороны наружной поверхности лопаток.

Настоящее изобретение имеет основной целью исправить такие недостатки путем предложения ступицы вентилятора, позволяющей еще больше увеличить эффективность компрессии и подкачки компрессора низкого давления турбореактивного двигателя.

Эта цель достигается в компрессоре турбореактивного двигателя, содержащем подвижную ступицу, вращающуюся вокруг продольной оси компрессора, и множество неподвижных лопаток, каждая из которых закреплена основанием на ступице, разнесенных одна от другой по окружности таким образом, чтобы образовать между лопатками проходы истечения газового потока, проходящего через компрессор, при этом каждая лопатка содержит внутреннюю поверхность и наружную поверхность, противолежащую по окружности внутренней поверхности, причем внутренняя и наружная поверхности размещены аксиально между передней кромкой и задней кромкой лопатки, отличающимся тем, что ступица в области каждого основания лопатки имеет:

внешний скос, прилегающий к наружной поверхности лопатки и размещенный аксиально от задней кромки лопатки до ее передней кромки;

внутренний скос, прилегающий к внутренней поверхности лопатки и размещенный аксиально от задней кромки лопатки до ее передней кромки;

внутренний и внешний скосы сходятся на входной части передней кромки лопатки для образования выступающего утолщения, причем упомянутое утолщение представляет собой спиральный профиль вокруг оси ступицы для усиления газового потока, протекающего в каждом проходе течения, охватывающего основание лопатки, в основном, с наружной стороны лопатки;

внешний скос между передней кромкой и задней кромкой имеет профиль, наклонный относительно внешней поверхности ступицы таким образом, чтобы отклонить газовый поток, протекающий в соответствующем проходе течения, от наружной стороны лопатки к внутренней поверхности соседней лопатки.

Вследствие наличия утолщения на входе каждой лопатки газовый поток, входящий в компрессор, принудительно огибает основание лопатки, проходя, в основном, по наружной поверхности последней (скорее, чем по ее внутренней поверхности). Газовый поток, таким образом, ускоряется вследствие разрежения, затем отклоняется к внутренней поверхности соседней лопатки благодаря наличию внешнего скоса. Эффективность компрессии и подкачки компрессии, таким образом, улучшается.

В соответствии с предпочтительным расположением наклон профиля каждого внешнего скоса постепенно уменьшается от передней кромки до задней кромки соответствующей лопатки.

В соответствии с другим предпочтительным расположением каждый внешний скос простирается по окружности на расстояние, которое постепенно увеличивается от передней кромки до задней кромки соответствующей лопатки.

В соответствии с еще одним предпочтительным расположением профиль утолщения соответствующей лопатки выступает в направлении вращения ступицы вокруг продольной оси компрессора.

В соответствии с другим предпочтительным расположением входной край утолщения, соединенный с лопаткой, по существу, размещен аксиально на одной линии с передней кромкой соседней лопатки.

Каждый внутренний скос может иметь между передней кромкой и задней кромкой соответствующей лопатки профиль, наклонный относительно внешней поверхности ступицы. В этом случае наклон профиля каждого внутреннего скоса может постепенно увеличиваться от передней кромки до задней кромки соответствующей лопатки и каждый внутренний скос может простираться по окружности на расстояние, которое постепенно уменьшается от передней кромки до задней кромки соответствующей лопатки.

Объектом изобретения является также турбореактивный двигатель, содержащий компрессор описанного выше типа.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг. 1 изображает частичный вид в продольном разрезе вентилятора по варианту осуществления изобретения;

- фиг. 2 изображает вид по II фиг.1,

- фиг. 3 изображает вид профиля соседних лопаток вентилятора по фиг. 1,

- фиг. 4 изображает частичный и развернутый вид профиля ступицы по линии поперечного разреза A-G фиг. 3.

Подробное описание варианта осуществления

Фиг.1 частично изображает вентилятор 10 (или компрессор низкого давления) турбореактивного двигателя, который является осесимметричным относительно своей продольной оси 12.

Вентилятор 10 размещен на входе турбореактивного двигателя. Он содержит множество лопаток 14, каждая из которых закреплена известным образом основанием 16 на подвижном диске 18, вращающемся вокруг продольной оси 12.

Как изображено на фиг. 2 и 3, лопатки 14 вентилятора равномерно расположены одна за другой по окружности таким образом, чтобы образовать между ними части кольцевого прохода (или струи) 20 течения потока 22 воздуха, проходящего через вентилятор 10.

Известно, что вращение диска 18 и лопаток 14 вентилятора передает энергию воздуху, проходящему через проходы 20 вентилятора и повышает его давление при уменьшении его относительной скорости течения.

Каждая лопатка 14 имеет внутреннюю поверхность 24 и внешнюю поверхность 26, противолежащую по окружности внутренней поверхности (фиг.2). Внутренняя и внешняя поверхности вытянуты, с одной стороны, аксиально между передней кромкой 28 и задней кромкой 30 лопатки, и, с другой стороны, радиально между основанием 16 и вершиной 32.

Впрочем, каждая лопатка имеет спиральный профиль между основанием 16 и ее вершиной 32, который оптимизирован для обеспечения наилучшей эффективности подкачки и компрессии воздуха.

Проход 20 течения потока воздуха через вентилятор радиально ограничен, с одной стороны, снаружи внутренней поверхностью кольцевого картера 34, имеющего центр по продольной оси 12 и окружающего лопатки 14, и, с другой стороны, изнутри внешней поверхностью ступицы 36, жестко соединенной с диском 18 и имеющей центр по продольной оси 12.

Ступица 36 может быть образована множеством платформ, каждая из которых жестко соединена с основанием лопатки 16, и которые, будучи установленными встык по окружности, образуют, по существу, непрерывную кольцевую поверхность.

В соответствии с изобретением в области каждого основания лопатки 16 ступица 36 имеет внешний скос 38, который переходит на внешнюю поверхность 26 соответствующей лопатки, и внутренний скос 40, который переходит на внутреннюю поверхность 24 лопатки.

Внутренний и внешний скосы могут быть получены деформацией ступицы 36. Каждый из них аксиально вытянут (то есть по продольной оси 12) с выхода на вход от задней кромки 30 лопатки до ее передней кромки 28.

Впрочем, в каждой лопатке 14 внутренние 38 и внешние 40 скосы сходятся на входе передней кромки 28 лопатки для образования утолщения, которое радиально выступает в проход 20 потока.

Образованное таким образом утолщение имеет профиль, который выполнен спиральным вокруг оси 12, при этом все утолщения ступицы 36 размещены спирально в одном и том же направлении (которое, предпочтительно, соответствует направлению вращения ступицы вокруг оси 12).

Спиральность профиля каждого утолщения 42 выполнена таким образом, чтобы ускорять поток воздуха, входящего в проход 20 потока на уровне основания лопатки, для обтекания им основания лопатки, предпочтительно, с внешней стороны последней (больше, чем с ее внутренней стороны).

Впрочем, каждый внешний скос 38 имеет между передней кромкой 28 и задней кромкой 30 соответствующей лопатки профиль, который наклонен относительно внешней поверхности спирали 36 (αА-αG), который, в частности, представлен на фиг. 4.

Наклон внешнего скоса позволяет потоку воздуха, проходящего в проходе потока, ограниченного внешней поверхностью 26 соответствующей лопатки и внутренней поверхностью 24 соседней лопатки, а точнее вдоль внешней стороны лопатки, отклоняться к внутренней поверхности соседней лопатки.

В области каждого основания 16 лопатки движение воздуха, входящего в проход 20 потока, схематично показано стрелками 44, изображенными на фиг. 2 и 3. Воздух проникает в проход потока, по существу, в аксиальном направлении. В зазоре, размещенном между входным краем спирали 26 и передней кромкой 28 лопаток, воздух, протекающий по внешней поверхности спирали, принудительно обтекает каждое основание лопатки, проходя, в основном, по внешней стороне последней. На выходе кромки 28 каждой лопатки наклон внешнего скоса 38 ускоряет поток воздуха вследствие разрежения и отклоняет его к внутренней поверхности соседней лопатки.

В соответствии с предпочтительной характеристикой изобретения наклон профиля каждого внешнего скоса 38 последовательно уменьшается от передней кромки 28 до задней кромки 30 соответствующей лопатки.

На фиг. 4 наклон профиля внешних скосов относительно внешней поверхности спирали переходит, таким образом, от угла αА, близкого к 90° (линия А соответствует поперечному разрезу на передней кромке лопаток), к углу αG, близкого к 0° (линия G соответствует поперечному разрезу ближе к выходу).

В соответствии с другой предпочтительной характеристикой изобретения каждый внешний скос 38 простирается (по направлению дуги окружности) на расстояние d1, которое постепенно увеличивается от передней кромки 28 до задней кромки 30 соответствующей лопатки (эта характеристика также представлена на фиг. 4).

Эти две характеристики позволяют, таким образом, облегчить рекомпрессию воздуха после того, как поток воздуха был ускорен на выходе передней кромки 28 каждой лопатки.

В соответствии с еще одной характеристикой изобретения входной край утолщения 42, соединенный с лопаткой 14, выровнен, по существу, аксиально (то есть по оси 12) по передней кромке 28 соседней лопатки.

Эта характеристика, которая, в частности, представлена на фиг. 2, позволяет максимально «перекрыть» проход потоку воздуха между внешней стороной лопатки и внутренней стороной соседней лопатки и, таким образом, больше ускорить обтекание воздухом основания лопаток с внешней стороны.

Следует также отметить, что толщина утолщения 42 постепенно уменьшается от передней кромки 28 лопаток, сходя на нет в области входного края ступицы 36.

Другие аспекты внутренних скосов, соединенных с лопатками 14, описаны ниже.

Как и внешние скосы, каждый внутренний скос 40 имеет между передней кромкой 28 и задней кромкой 30 соответствующей лопатки профиль, который наклонен относительно внешней поверхности ступицы 36, для увеличения проходного сечения.

Впрочем, в противовес внешним скосам наклон профиля каждого внутреннего скоса 40, предпочтительно, постепенно увеличивается от передней кромки 28 до задней кромки 30 соответствующей лопатки. Таким образом, наклон профиля внутренних скосов относительно внешней поверхности ступицы переходит от угла βА, близкого к 0°, к углу βG, близкого к 90° (фиг. 4).

В противовес внешним скосам каждый внутренний скос 40 простирается, предпочтительно, по окружности на расстояние d2, которое постепенно уменьшается от передней кромки 28 до задней кромки 30 соответствующей лопатки. Эта характеристика позволяет больше увеличить давление на внутренней стороне лопатки.

Изобретение относится к компрессору, в частности вентилятору турбореактивного двигателя, содержащему ступицу (36) и множество лопаток, каждая из которых жестко закреплена своим основанием (16) на ступице. Ступица имеет в области каждого основания лопатки внешний скос (38) и внутренний скос (40), вытянутые от задней кромки (30) лопатки до ее передней кромки (28). Внутренний и внешний скосы сходятся на входе передней кромки лопатки для образования выступающего утолщения (42), имеющего профиль, спиральный вокруг оси ступицы, для обеспечения принудительного течения газового потока в каждый проход течения для огибания основания лопатки, в основном, с внешней стороны последней, а внешний скос имеет профиль, наклонный относительно внешней поверхности спирали для того, чтобы отклонить газовый поток, проходящий в соответствующий проход течения от внешней стороны лопатки к внутренней поверхности соседней лопатки. Достигается улучшение эффективности компрессии и подкачки компрессора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Компрессор турбореактивного двигателя, содержащий ступицу (36), установленную с возможностью вращения вокруг продольной оси (12) компрессора; и
множество лопаток (14), каждая из которых жестко закреплена основанием (16) на ступице, и которые расположены по окружности на расстоянии друг от друга для образования между лопатками проходов для течения газового потока, проходящего через компрессор;
при этом каждая лопатка имеет внутреннюю поверхность (24) и внешнюю поверхность (26), расположенную по окружности напротив внутренней поверхности, причем внутренние и внешние поверхности вытянуты в аксиальном направлении между передней кромкой (28) и задней кромкой (30) лопатки;
отличающийся тем, что ступица содержит в области каждого основания лопатки:
внешний скос (38), прилегающий к внешней поверхности лопатки и вытянутый аксиально от задней кромки лопатки до ее передней кромки; причем
внутренний скос (40), прилегающий к внутренней поверхности лопатки и вытянутый аксиально от задней кромки лопатки до ее передней кромки; причем,
внутренний и внешний скосы сходятся на входе передней кромки лопатки для образования выступающего утолщения (42), при этом упомянутое утолщение имеет спиралеобразный профиль вокруг оси (12) ступицы для обеспечения принудительного течения газового потока в каждый проход течения для огибания основания лопатки (16), в основном, с внешней стороны последней; причем
внешний скос (38) имеет между передней кромкой и задней кромкой профиль, наклонный относительно внешней поверхности ступицы таким образом, чтобы отклонять газовый поток, протекающий в соответствующем проходе течения от внешней стороны лопатки к внутренней поверхности соседней лопатки; причем внешний скос (38) вытянут по окружности на расстояние (dl), которое постепенно увеличивается от передней кромки (28) до задней кромки (30) соответствующей лопатки.

2. Компрессор по п.1, в котором наклон профиля каждого внешнего скоса (38) постепенно уменьшается от передней кромки (28) до задней кромки (30) соответствующей лопатки.

3. Компрессор по одному из пп.1 и 2, в котором профиль утолщения (42), соединенного с лопаткой, выполнен спиралеобразным по направлению вращения ступицы (36) вокруг продольной оси (12) компрессора.

4. Компрессор по п.1, в котором входной край утолщения (42), соединенного с лопаткой, выровнен, по существу, аксиально по передней кромке (28) соседней лопатки.

5. Компрессор по п.1, в котором каждый внутренний скос (24) имеет между передней кромкой (28) и задней кромкой (30) соответствующей лопатки профиль, наклонный относительно внешней поверхности ступицы (36).

6. Компрессор по п.5, в котором наклон профиля каждого внутреннего скоса (24) постепенно увеличивается от передней кромки (28) до задней кромки (30) соответствующей лопатки.

7. Компрессор по п.5, в котором каждый внутренний скос вытянут по окружности на расстояние (d2), которое постепенно уменьшается от передней кромки до задней кромки соответствующей лопатки.

8. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что он образует вентилятор (10) турбореактивного двигателя.

9. Турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что он содержит компрессор по одному из пп.1-8.