ЛОПАСТЬ ВЕНТИЛЯТОРА, ВЕНТИЛЯТОР И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/14 F04D29/38 F02K3/06 

Настоящее изобретение относится к области лопастей, в частности вентиляторов, предназначенных для турбореактивных двигателей, в том числе двигателей самолетов.

Турбореактивный двигатель классически содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Функцией компрессора является повышение давления воздуха, снабжающего камеру сгорания. Функцией турбины является обеспечение привода во вращение компрессора при выделении части энергии давления горячих газов, выходящих из камеры сгорания, и превращении ее в механическую энергию.

Турбореактивный двигатель может быть типа «с двойным потоком», то есть через него проходит два воздушных потока, поток первичный и поток вторичный. Первичный поток производится элементами, образующими турбореактивный двигатель с простым потоком, к которым добавлены одна или несколько турбин для привода компрессионной ступени вентилятора. Последний снабжен лопастями больших размеров, при этом лопасти вентилятора производят вторичный поток. Вентилятор немного увеличивает давление проходящих через него газов, но, так как его диаметр является большим, энергия, требуемая для его привода, велика.

Примером турбореактивного двигателя с вентилятором, называемого также турбовентилятором, является хорошо известный двигатель CFM56, которым оснащаются многие самолеты в мире в течение десятилетий. Последовательные серии CFM56 имеют все более увеличивающееся количество лопастей.

Уменьшение количества лопастей в турбореактивном двигателе предпочтительно потому, что оно позволяет значительно уменьшить массу турбореактивного двигателя, а также уменьшить стоимость его приобретения и содержания. Также уменьшение количества лопастей, однако, не должно сопровождаться ухудшением эксплуатационных качеств турбореактивного двигателя. Зачастую избегают увеличения значения хорды для того, чтобы ограничить размеры турбореактивного двигателя, а также его массу.

Последовательное уменьшение количества лопастей требует увеличения относительного шага (по английски: «pitch to chord ratio»), а также увеличения при постоянной хорде межлопастного зазора, то есть расстояния, разделяющего две соседних лопасти.

Относительный шаг определяется из выражения s/C, где:

- s представляет собой межлопастный шаг (s=2π R/N), где N является числом лопастей на лопастном колесе,

- С является хордой профиля радиуса R по высоте лопасти, при этом хорда С представляет собой длину сегмента между находящимися рядом передней кромкой и ребром обтекания лопасти.

Объектом настоящего изобретения является лопасть вентилятора, характеристики которой позволяют уменьшить количество лопастей вентилятора при сохранении удовлетворительного качества.

В этой связи настоящее изобретение касается лопасти вентилятора турбореактивного двигателя с двойным потоком, отличающейся тем, что она содержит множество аэродинамических частей, совмещенных в радиальном направлении Z, причем количество аэродинамических профилей развивается от одной аэродинамической части к другой.

Аэродинамическая часть обладает аэродинамическими возможностями, которые обеспечиваются, по меньшей мере, одним аэродинамическим профилем, при этом каждый аэродинамический профиль содержит внешнюю плоскость, внутреннюю плоскость, переднюю кромку и ребро обтекания.

Радиальное направление Z соответствует основному продольному направлению лопасти. Специалистами оно обычно называется радиальным направлением, так как это направление соответствует радиусу, исходящему из оси вращения Х турбореактивного двигателя, по которому указанная лопасть обычно размещена при работе.

Предпочтительно, чтобы лопасть вентилятора содержала внутреннюю аэродинамическую часть и внешнюю аэродинамическую часть, совмещенные в радиальном направлении Z, при этом каждая аэродинамическая часть должна содержать, по меньшей мере, один аэродинамический профиль, причем число аэродинамических профилей внешней аэродинамической части должно превышать число аэродинамических профилей внутренней аэродинамической части.

В соответствии с настоящим изобретением внешняя аэродинамическая часть представляет собой часть, наиболее удаленную от оси вращения Х турбореактивного двигателя, на которой указанная лопасть обычно размещена при работе, и внутреннюю аэродинамическую часть, представляющую собой часть лопасти, наиболее близкую к оси вращения Х турбореактивного двигателя.

Предпочтительно, чтобы внутренняя аэродинамическая часть содержала единый аэродинамический профиль, а внешняя аэродинамическая часть содержала, по меньшей мере, два аэродинамических профиля.

Предпочтительно, чтобы аэродинамические профили одной аэродинамической части были идентичны.

Лопасть вентилятора по изобретению может, кроме того, содержать платформу, разделяющую внутреннюю аэродинамическую часть от внешней аэродинамической части.

Изобретение касается также турбореактивного двигателя, содержащего, по меньшей мере, одну лопасть, прикрепленную или внутренним краем к ступице, или внешним краем к вращающемуся картеру.

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

Фиг.1 изображает вид спереди лопастей вентилятора по изобретению, размещенных на ступице;

Фиг.2 изображает вид в аксонометрии лопастей вентилятора по изобретению, размещенных на ступице;

Фиг.3 изображает вид сбоку лопасти вентилятора по первому варианту осуществления изобретения;

Фиг.4 изображает вид сбоку лопасти вентилятора по второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.1 и 2 изображают три лопасти 1 вентилятора по изобретению, размещенные на ступице 2 оси вращения X. Ось вращения Х ступицы 2 совпадает с осью вращения Х турбореактивного двигателя.

Лопасть 1 вентилятора по изобретению, вытянутая радиально от оси X, содержит аэродинамическую внутреннюю часть 11 и аэродинамическую внешнюю часть 12. Аэродинамическая внутренняя часть 11 образует аэродинамический профиль.

В примере, изображенном на фиг.1 и 2, внешняя аэродинамическая часть 12 лопасти 1 вентилятора содержит два аэродинамических профиля 14. Возможны также варианты изобретения с лопастью 1 вентилятора, содержащей более двух аэродинамических профилей 14. Предпочтительна также лопасть 1 вентилятора, содержащая три аэродинамических профиля 14. Такая лопасть изображена пунктирной линией на фиг.2. Эти аэродинамические профили 14 предпочтительно идентичны и ориентированы радиально.

Когда внешняя аэродинамическая часть 12 лопасти 1 вентилятора содержит, по меньшей мере, два аэродинамических профиля, количество лопастей увеличивается, что значительно уменьшает относительный шаг на внешней аэродинамической части 12 лопасти. Относительный шаг внешнего края 16 лопасти 1 вентилятора имеет меньшие значения, для которых коэффициент компрессии достаточен.

Сохраняя повышенный относительный шаг внутренней аэродинамической части 11 лопасти вентилятора, избегают возможных проблем аэродинамической блокировки, когда становится трудно обеспечить достаточную интенсивность первичного потока.

Платформа 10 разделяет внутреннюю аэродинамическую часть 11 от внешней аэродинамической части 12 лопасти 1 вентилятора. Эта платформа 10 позволяет соединить внешний край аэродинамического профиля 13 с внутренними краями двух других аэродинамических профилей 14. Для того чтобы как можно меньше смешивать первичные и вторичные потоки, платформа 10 должна располагаться на высоте лопасти 1 вентилятора, где образуются первичные и вторичные потоки. Предпочтительно, чтобы она образовывала разделительный выступ первичного и вторичного потоков.

Предпочтительно, чтобы платформа имела аэродинамическую форму, позволяющую направлять поступающий на нее поток воздуха.

Платформа 10 может также быть выполнена в виде платформы смежного типа, когда каждая из платформ идентична по форме соседней с ней платформе и примыкает к ней, при этом лопасти 1 вентилятора, размещенные на платформе, закреплены на ступице 2 соответствующим образом.

В соответствии с первым вариантом осуществления, изображенном на фиг.3, лопасть 1 вентилятора своим внутренним краем 15 прикреплена к ступице 2, а ее внешние края 16 остаются свободными. Крепление может осуществляться известным специалистам способом, таким, например, как соединение шипом, размещенным на внутреннем крае 15, вдвигающимся в канавку ступицы 2.

Предпочтительно, аксиальные габаритные размеры аэродинамических профилей 13 и 14 являются практически идентичными, например, на уровне их взаимного соединения. Так, например, на уровне платформы 10 аксиальный габаритный размер аэродинамического профиля 13 идентичен аксиальному габаритному размеру аэродинамического профиля 14. Следовательно, на уровне платформы 10 ребра атаки аэродинамических профилей 13 и 14 аксиально выровнены в ряд. Кроме того, на уровне платформы 10 задние кромки аэродинамических профилей 13 и 14 также аксиально выровнены в ряд.

В этом первом варианте выполнения лопасть 1 вентилятора классически подвержена воздействию деформации растяжения в радиальном направлении Z относительно оси Х ступицы 2.

Во втором варианте выполнения, изображенном на фиг.4, лопасть 1 вентилятора закреплена каждым из своих внешних краев 16 к вращающемуся картеру 3 оси X, при этом ее внутренний край 15 остается свободным. Вращающийся картер 3 выполнен в форме кольца, охватывающего вентилятор и соединенного с последним. Комплекс, образованный вращающимся картером 3 и лопастями 1 вентилятора, приводится во вращение на оси X. Привод вращения комплекса осуществляется системой 4 зубчатых колес, механически связывающей вращающийся картер 3 с турбиной турбореактивного двигателя.

Этот второй вариант выполнения имеет также целью исключение люфта между лопастями и картером 3.

В этом втором варианте лопасть 1 вентилятора подвержена воздействию сжатия. Такая конфигурация предпочтительна, так как механическая деталь лучше выдерживает воздействие сжатия, чем воздействие растяжения.

Кроме того, особая форма лопасти 1 вентилятора по изобретению способствует его хорошей механической прочности. При вращении вентилятора центробежные силы давят на аэродинамический профиль 13 и платформу 10 радиально наружу в направлении вращающегося картера 3. Воздействия, испытываемые деталями 10 и 13, предпочтительно распределены на два аэродинамических профиля 14 наружной аэродинамической части 12 лопасти 1 вентилятора. Риск продольного изгиба лопасти 1 вентилятора, то есть боковая деформация, вызванная перпендикулярным воздействием давления, таким образом, уменьшен.

Крепление за верхнюю аэродинамическую часть 16 лопасти 1 вентилятора имеет преимущество также в коэффициенте полезного действия турбореактивного двигателя, так как люфт между верхним краем 16 лопасти 1 вентилятора и вращающимся картером 3 становится несущественным. Таким образом, потеря в коэффициенте полезного действия, вызванная этим люфтом в турбореактивных двигателях классической конструкции, отсутствует.

Кроме того, такой вид крепления является предпочтительным, поскольку позволяет уменьшить массу турбореактивного двигателя и уменьшить соотношение ступицы Ri/Re, то есть соотношение между внутренним радиусом Ri и внешним радиусом Re, при этом Ri является расстоянием от точки на передней кромки лопасти 1, наименьшим от оси (X) турбореактивного двигателя, a Re является расстоянием от точки на передней кромке лопасти 1, наибольшим от указанной оси X. Так как ступица 2 во втором варианте воплощения не служит больше для крепления лопастей, внутренний радиус может быть незначительным до нулевого. В крайнем случае турбореактивный двигатель на уровне лопастей вентилятора 1 может не содержать никакой ступицы 2. Для того же внешнего радиуса Re масса ступицы 2 может также быть незначительной до нулевой. Таким образом, масса турбореактивного двигателя уменьшается.

Лопасть вентилятора турбореактивного двигателя с двойным потоком, содержащая внутреннюю аэродинамическую часть (11) и внешнюю аэродинамическую часть (12), совмещенные в радиальном направлении (Z) и разделенные платформой (10), причем внутренняя аэродинамическая часть (11) содержит один аэродинамический профиль (13), а внешняя аэродинамическая часть (12) содержит, по меньшей мере, два аэродинамических профиля (14), причем ребра атаки указанных аэродинамических профилей (14) указанной аэродинамической части (12) лопасти аксиально выровнены в ряд. Достигается уменьшение количества лопастей вентилятора при сохранении удовлетворительного качества за счет сохранения повышенного относительного шага внутренней аэродинамической части (11) лопасти вентилятора. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопасть вентилятора турбореактивного двигателя с двойным потоком, содержащая внутреннюю аэродинамическую часть (11) и внешнюю аэродинамическую часть (12), совмещенные в радиальном направлении (Z) и разделенные платформой (10), причем внутренняя аэродинамическая часть (11) содержит один аэродинамический профиль (13), а внешняя аэродинамическая часть (12) содержит, по меньшей мере, два аэродинамических профиля (14), причем ребра атаки указанных аэродинамических профилей (14) указанной аэродинамической части (12) лопасти аксиально выровнены в ряд.

2. Лопасть вентилятора по п.1, в которой аэродинамические профили (13, 14) одной и той же аэродинамической части (11, 12) являются идентичными.

3. Лопасть вентилятора по п.1, в которой платформа (10) выполнена в виде платформы смежного типа.

4. Лопасть вентилятора по п.1 или 3, в которой платформа (10) образует выступ для разделения потока.

5. Вентилятор, содержащий множество лопастей (1) вентилятора, по одному из пп.1-4.

6. Турбореактивный двигатель, содержащий множество лопастей (1) вентилятора, по одному из пп.1-4.

7. Турбореактивный двигатель по п.6, в котором лопасти (1) вентилятора закреплены своими внутренними краями (15) к ступице (2).

8. Турбореактивный двигатель по п.6, в котором лопасти (1) вентилятора закреплены каждым из своих внешних краев (16) к вращающемуся картеру (3) турбореактивного двигателя.

9. Турбореактивный двигатель по п.8, в котором вращающийся картер (3) связан системой (4) зубчатых колес с турбиной турбореактивного двигателя.

10. Турбореактивный двигатель по п.8 или 9, который на уровне лопастей (1) вентилятора не содержит ступицу (2).