ДОЗВУКОВАЯ ЛОПАСТЬ ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ, КОМПРЕССОР ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ И ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА Российский патент 2015 года по МПК F01D5/14 F04D29/32 

Предпосылки к созданию изобретения

[0001] Изобретение относится к области осевых турбомашин, точнее к компрессорам таких машин. Изобретение относится к лопастям таких машин.

Предшествующий уровень техники

[0002] WO 2009/103528 А2 раскрывает различные геометрии лопасти для осевых турбомашин, включающих компрессоры осевых турбомашин. В частности он раскрывает геометрию, при которой передняя кромка лопасти имеет синусоидальный S-образный профиль. Эта интерпретация сочетает профилирование лопасти по ее общей секции (или ее хорде), а также перпендикулярно к ней. Иными словами, эта интерпретация сочетает оба так называемых ″стреловидных″ и ″тонких″ профиля соответственно. Так называемый ″стреловидный″ профиль получает свою длину путем ″смещения″ секции в направлении по ее осевой хорде. Вышеупомянутое ″смещение″, в общем, представляет собой сдвиг в заданном направлении помещенных друг над другом секций лопасти по ее длине, причем сдвиг, возможно, меняет направление. Так называемый ″тонкий″ профиль получает свою длину путем ″смещения″ секции в направлении, перпендикулярном направлению его осевой хорды. Это сочетание геометрии было показано как способное снижать вторичные завихрения, потери на утечку и ударные потери. Следует отметить, что ударные потери не могут, в принципе, влиять на лопасти компрессора турбомашин низкого давления, но только на вентилятор и на лопасти околозвукового компрессора выше камеры сгорания, или на лопасти турбины ниже камеры сгорания. Эта интерпретация не предлагает никаких конкретных параметров профиля лопасти и, более того, подробно не описывает эффекта каждого из профилирований раскрытых механизмов.

[0003] Заявка на патент США №2010/0215503 А1 раскрывает ″стреловидный″ профиль лопасти для околозвуковых или сверхзвуковых применений. Эта интерпретация сосредоточена на снижении комбинированных ударных потерь, чтобы сохранить целостность лопасти. В ней устанавливается, что профилирование к лицевой лопасти (″переднее стреловидное″) приводит к концентрации напряжений на передней кромке у комля лопасти; эта концентрация напряжений, главным образом, вызвана тем, что центр тяжести лопасти сдвигается вперед. Чтобы решить эту проблему, эта интерпретация предоставляет ″стреловидный″″ профиль ближе к тылу внешней часть лопасти, чтобы компенсировать сдвиг центра тяжести.

[0004] В случае дозвуковых применений, как те, что встречаются в ускорителях, включая компрессоры низкого давления осевых турбомашин, потерь расхода практически не существует. Однако присутствуют другие типы потерь; они включают потери от утечек при завихрениях, порождаемых вокруг конца лопасти ротора, а также вторичные потери, связанные с протеканием текучей среды по внутренним и внешним стенкам струи текучей среды.

Изложение сущности изобретения

Техническая проблема

[0005] Изобретение имеет целью предоставить геометрию лопасти, которая преодолевает по меньшей мере одну из вышеупомянутых проблем. Точнее, изобретение имеет целью предложить геометрию лопасти для дозвуковых применений, способную снизить аэродинамические потери, вызванные, в особенности, протеканием текучей среды по лопасти.

Техническое решение

[0006] Изобретение относится к дозвуковой лопасти осевой турбомашины, предназначенной размещаться радиально на указанной машине, содержащей переднюю кромку и заднюю кромку, две аэродинамические поверхности друг напротив друга, проходящие по высоте лопасти и соединяющие переднюю кромку с задней кромкой, причем передняя кромка имеет латеральный профиль, который является S-образным, где самая передняя часть передней кромки находится на высоте, заключенной в пределах 3-20% высоты лопасти, и/или самая задняя часть передней кромки находится на высоте, заключенной в пределах 85-97% высоты лопасти.

[0007] Рассматриваемым профилем лопасти является профиль, латерально расположенный в средней плоскости лопасти.

[0008] Высотой лопасти является высота ее аэродинамической части, иначе говоря, без учета ее средств крепления.

[0009] Самая передняя и/или самая задняя части могут быть заостренными или почти прямыми.

[0010] Термины ″самая передняя″ и ″самая задняя″ должны пониматься относительно главного направления течения текучей среды по аэродинамическим поверхностям лопасти.

[0011] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, самая передняя часть передней кромки находится на высоте, заключенной в пределах 5-17% высоты лопасти, предпочтительно в пределах 7-15% высоты лопасти, и/или самая задняя часть передней кромки находится на высоте, заключенной в пределах 87-95% высоты лопасти, предпочтительно в пределах 90-95% высоты лопасти.

[0012] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, профиль передней кромки содержит, от своего внутреннего конца до своего внешнего конца, первую выпуклую часть, содержащую самую переднюю часть, и вторую вогнутую часть, содержащую самую заднюю часть.

[0013] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, первая и/или вторая часть передней кромки находится на максимальном расстоянии от прямой, проходящей через внутренний и внешний концы передней кромки, то есть в пределах 5-15% длины хорды соответствующей лопасти. Длиной хорды является осевая длина хорды по направлению, перпендикулярному главной оси лопасти, и/или в направлении течения текучей среды по аэродинамическим поверхностям.

[0014] Первая и вторая части передней кромки таковы, что их соответственные максимальные расстояния от прямой, проходящей через внутренний и внешний концы передней кромки, отличаются не больше, чем на 40%, предпочтительно 30%, более предпочтительно на 20% друг от друга.

[0015] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, профиль передней кромки включает область или точку перегиба между первой и второй частями, причем указанная область или точка находится в пределах 40-60%, предпочтительно в пределах 45-55% по высоте лопасти.

[0016] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, профиль передней кромки содержит или соответствует полиномиальной функции, проходящей через внутренний и внешний концы указанной кромки и через точку или точку передней области и точку или точку самой задней области.

[0017] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, профиль передней кромки содержит или включает либо функцию Безье, либо В-сплайн, определенные по отношению к внутреннему и внешнему концам указанной кромки и проходящие через точку или точку самой передней области и точку или точку самой задней области.

[0018] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, задняя кромка имеет профиль, в целом параллельный передней кромке, причем расстояние между указанными кромками не варьируется больше чем на 10%, предпочтительно 5%.

[0019] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, высота самой передней части передней кромки больше, предпочтительно на 50%, чем общая высота лопасти минус высота самой задней части передней кромки.

[0020] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, наклон передней кромки на ее внешнем конце больше, предпочтительно на 20%, более предпочтительно на 35%, еще более предпочтительно на 50%, чем наклон указанного профиля на его внутреннем конце.

[0021] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, максимальный наклон профиля передней кромки лежит между самой задней частью профиля и его внешним концом.

[0022] Согласно выгодному варианту осуществления изобретения, передняя кромка и/или задняя кромка лежит(-ат) в плоскости, соответствующей средней плоскости лопасти, и это в пределах допуска 10%, предпочтительно 5%, более предпочтительно 1% высоты лопасти.

[0023] Изобретение также относится к компрессору осевой турбомашины, содержащему ротор, по меньшей мере, с одной ступенью лопастей ротора и статор по меньшей мере с одной ступенью лопастей статора, где лопасти по меньшей мере одной из ступеней ротора и статора отвечают изобретению.

[0024] Изобретение также относится к осевой турбомашине, такой как реактивный двигатель, содержащей компрессор, где компрессор отвечает изобретению.

Заявляемые выгоды

[0025] Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя, в котором применяются лопасти, путем снижения потерь от завихрений вокруг конца лопасти, а также путем снижения вторичных потерь. Так называемый ″стреловидный″ профиль изобретения может порождать радиальные составляющие скорости в текучей среде вдоль лопасти, особенно на передней кромке. Эти радиальные составляющие могут повторно распределять течение текучей среды по той части лопасти, которая заключена, в целом, в пределах 20-80% ее высоты.

[0026] Специальный профиль передней кромки, особенно его асимметрия, делает возможным оптимальное повторное распределение течения по центральной части лопасти.

Краткое описание графических материалов

[0027] Фигура 1 представляет собой схематическое изображение осевой турбомашины.

[0028] Фигура 2 представляет собой вид в разрезе секции компрессора низкого давления осевой турбомашины, такой как на фигуре 1, в которой могут использоваться лопасти изобретения.

[0029] Фигура 3 представляет собой диаграмму, показывающую лопасти ротора и статора одной ступени осевого компрессора, а также векторные диаграммы скоростей текучей среды.

[0030] Фигура 4 представляет собой вид в разрезе лопасти в соответствии с изобретением.

[0031] Фигура 5 представляет собой увеличенное изображение профиля лопасти на фигуре 4, иллюстрирующее его геометрию.

Описание вариантов осуществления

[0032] Фигура 1 схематически иллюстрирует осевую турбомашину 2. В данном случае это двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 состоит, в общем, из первой ступени компрессора, называемой компрессором 8 низкого давления, второй ступени компрессора, называемой компрессором 10 высокого давления, камеры 12 сгорания и одной или более ступеней 14 турбины. В работе механическая энергия турбины 14 передается через центральный вал на ротор 4 и приводит в действие две ступени 8 и 10 сжатия. Эти последние включают множество рядов лопастей ротора, связанных с рядами лопастей статора. Вращение ротора, таким образом, порождает поток воздуха и постепенно сжимает его до входа в камеру 12 сгорания. Приточный вентилятор, часто называемый турбовентилятором 6, взаимно соединен с ротором 4 и порождает воздушный поток, который разделяется на первичный поток 16, проходящий через различные ступени вышеупомянутой турбомашины, и вторичный поток 18, проходящий через кольцевой канал (показано частично), идущий по длине машины, который затем воссоединяется с главным потоком на выходе турбины.

[0033] Количество воздуха, обходящего двигатель, варьируется в зависимости от двигателя. Оно больше, если двигатель сконструирован для полетов на низких скоростях. Эту пропорцию называют степенью двухконтурности, соотношение потока холодной массы (называемого вторичным) к потоку горячей массы (называемому первичным). Военные двигатели, оптимизированные для сверхзвукового полета, могут достигать степени двухконтурности ниже 1, тогда как авиационные двигатели для пассажирских самолетов, оптимизированные курсировать при числе Маха около 0,8, имеют степени двухконтурности от 5 до 10. Такие двигатели берут большую часть своей тяги от холодного потока (80%), при этом горячая струя представляет 20% тяги.

[0034] Фигура 2 представляет собой вид в разрезе компрессора низкого давления осевой турбомашины, такой как на фигуре 1. Диаграмма показывает часть приточного вентилятора или турбовентилятора 6 и носовой части 20 разделителя потока, отделяющего первичный поток 16 от вторичного потока 18. Ротор 4 включает несколько рядов лопастей ротора 22. Корпус поддерживает несколько рядов лопастей 24 статора. Каждая пара рядов лопастей ротора и связанного с ним статора образует одну компрессорную ступень компрессора 8.

[0035] На фигуре 3 показаны векторные диаграммы скорости для текучей среды, проходящей через компрессорную ступень. Роторная ступень 22 ускоряет поток текучей среды, возникающий от энергии, передаваемой передаточным валом. Статорная ступень 24 преобразует кинетическую энергию в давление из-за формы статора. Векторная диаграмма слева от роторной ступени 22 соответствует текучей среде, входящей в указанную ступень. Вектор U₁=ωR соответствует скорости вращения лопастей ротора. Вектор W₁ представляет относительную скорость вхождения в ротор текучей среды, а вектор V₁ представляет абсолютную скорость вхождения в ротор текучей среды, и является векторной суммой векторов U₁ и W₁. Векторная диаграмма справа от роторной ступени 22 соответствует текучей среде, покидающей указанную ступень. Вектор U₂, скорость вращения лопастей ротора, идентичен вектору U₁. Можно видеть, что текучая среда ускоряется, причем выходной вектор V₂, в целом, длиннее, чем входной вектор V₁. Также можно видеть, что изменение направления вектора W₁ порождает изменение направления вектора V₂ скорости выхода текучей среды. Выходной угол α_2; в целом, больше, чем входной угол α₁. Поэтому выходной вектор V₂ проходит, в целом, в том же направлении, что и угол передней кромки лопастей 24 статора. Лопасти 24 статора преломляют и замедляют ускоренную текучую среду, и это замедление преобразуется в повышение давления. Скорость V₃ на выходе из статора меньше, и угол α₃ узкий.

[0036] В следующем описании термины ″внешний(-ие)″ и ″внутренний(-ие)″ будут использоваться, чтобы описывать позицию составляющих в струе текучей среды. Эти термины относятся к, в целом, круглому поперечному сечению струи текучей среды; ″внешний(-ие)″ относится к позиции дальше от центра круга, т.е. оси вращения машины, а ″внутренний(-ие)″ относится к позиции ближе к центру.

[0037] Фигура 4 показывает лопасть в соответствии с изобретением и ее влияние на поток. Это может быть либо лопасть ротора, либо лопасть статора. Фигура 4 показывает лопасть ротора. Ее ″стреловидный″ профиль, т.е. относительно ее помещенных друг над другом секций в направлении, в целом, соответствующем ее хорде, ясно виден. Можно видеть, что обе кромки, передняя 26 и задняя 28, имеют подобный S-образный профиль. S-образный профиль таков, что внутренняя половина передней кромки является выпуклой, а внешняя половина является вогнутой. Профиль передней кромки и тело лопасти имеют эффект порождения радиальной составляющей скорости в струе текучей среды, ограниченной внутренней стенкой 36 и внешней стенкой 30. Эта составляющая порождается, главным образом, для текучей среды, которая движется рядом со стенками, и цель заключается в том, чтобы отвести движущуюся текучую среду от указанных стенок. Концентрация потока текучей среды в струе снижает потери от утечек при завихрениях на конце лопасти. Эти потери, главным образом, являются результатом механического зазора между концами лопастей ротора и соответствующей стенкой статора. Они проиллюстрированы завихрением 32, поднимающимся из механического зазора между концом 22 лопасти и стенкой 30.

[0038] Концентрирование потока текучей среды в струе может так же снизить вторичные потери, связанные с градиентом скорости по фиксированным стенкам. Это проиллюстрировано для стенки 36. Это порождает завихрения 34, которые составляют так называемые вторичные потери. Эти потери, как правило, присутствуют на внутренней стенке 36 и на внешней стенке 30.

[0039] На фигуре 5 более подробно проиллюстрированы профили 22, 24 лопасти. Передняя кромка 26 характеризуется некоторым количеством различных точек. Точка А находится на внешнем конце конца лопасти. Точка В крайняя нижняя точка по ходу потока. Точка D крайняя верхняя точка по ходу потока, и точка Е является внутренним концом передней кромки, на комле лопасти. Точка С является точкой перегиба между выпуклой внутренней частью и внешней вогнутой частью. Здесь передняя кромка 26 изменяет кривизну.

[0040] Передняя кромка 26 имеет высоту Н. Точка D находится на высоте Н₁ и точка В находится на высоте Н₂. Н₁ составляет 3-20% общей высоты Н. Н₂ составляет 85-97% общей высоты Н. Как видно на фигуре 5, точка В ближе к внешнему концу в точке А, чем точка D к внутреннему концу в точке Е.

[0041] Амплитуды выпуклой части C-D-E и вогнутой части С-В-А передней кромки могут быть выражены расстояниями S₁ и S₂, соответственно, в сравнении с прямой, проходящей через точки А и Е. Эти расстояния предпочтительно составляют от 5 до 15% средней ширины лопасти.

[0042] Профилем передней кромки 26 может быть полиномиальная функция, проходящая через точки А, В, D и Е, предпочтительно, степени большей или равной 3. Им также может быть функция Безье или В-сплайн, определенные четырьмя вышеупомянутыми точками.

[0043] Профиль задней кромки 28 может быть подобен профилю передней кромки 26, в частности из-за пространственных ограничений, и когда лопасти статора и ротора отвечают изобретению.

[0044] Параметры, характеризующие профиль передней кромки, также применимы к задней кромке. Те же буквы используются, чтобы характеризовать эти буквы, и отличаются от обозначений передней кромки добавлением символа штриха (′). Все замечания, сделанные о передней кромке, могут также применяться к задней кромке.

[0045] Увеличение производительности, обеспеченное конструкцией изобретения, по сравнению с уже оптимизированной ступенью, составляет порядка одного процента или нескольких десятых процента.

Дозвуковая лопасть осевой турбомашины, предназначенная располагаться радиально на указанной машине, содержит переднюю кромку, заднюю кромку и две аэродинамические поверхности. Аэродинамические поверхности расположены на противоположных друг к другу сторонах и проходят по длине лопасти, причем каждая соединяет переднюю кромку с задней кромкой. Передняя кромка лопасти имеет S-образный латеральный профиль. Самая передняя часть передней кромки находится на высоте, заключенной в пределах 3-20% длины лопасти, и/или самая задняя часть передней кромки находится на высоте, заключенной в пределах 85-97% высоты лопасти. Другое изобретение группы относится к компрессору осевой турбомашины, содержащему ротор по меньшей мере с одной ступенью лопастей ротора и статор по меньшей мере с одной ступенью лопастей статора, причем лопасти по меньшей мере одной из ступеней ротора и статора выполнены как указано выше. Еще одно изобретение группы относится к осевой турбомашине, содержащей указанный компрессор. Группа изобретений позволяет повысить производительность двигателя по сравнению с оптимизированной ступенью, имеющей лопатки с передними кромками S-образного профиля, на величину порядка одного процента. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Дозвуковая лопасть (22, 24) осевой турбомашины (2), предназначенная располагаться радиально на указанной машине, содержащая
переднюю кромку (26);
заднюю кромку (28);
две аэродинамические поверхности на противоположных друг к другу сторонах, проходящие по длине лопасти, причем каждая соединяет переднюю кромку с задней кромкой;
при этом передняя кромка (26) имеет S-образный латеральный профиль; и
причем
самая передняя часть (D) передней кромки (26) находится на высоте (Н₁), заключенной в пределах 3-20% длины лопасти, и/или самая задняя часть (В) передней кромки (26) находится на высоте (Н₂), заключенной в пределах 85-97% высоты лопасти (Н).

2. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что самая передняя часть (D) передней кромки (26) находится на высоте (H₁), заключенной в пределах 5-17% высоты (Н) лопасти, и/или самая задняя часть (В) передней кромки (26) находится на высоте (Н₂), заключенной в пределах 87-95% высоты (Н) лопасти.

3. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что самая передняя часть (D) передней кромки (26) находится на высоте (Н₁), заключенной в пределах 5-17% высоты лопасти (Н), и/или самая задняя часть (В) передней кромки (26) находится на высоте (Н₂), заключенной в пределах 90-95% высоты (Н) лопасти.

4. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, где профиль передней кромки (26) содержит, от своего внутреннего конца (Е) до своего внешнего конца (А), первую выпуклую часть (C-D-E), содержащую самую переднюю часть (D), и вторую вогнутую часть (А-В-С), содержащую самую заднюю часть (В).

5. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 4, отличающаяся тем, что первая и/или вторая часть (C-D-E, А-В-С) передней кромки (26) находится на максимальном расстоянии (S₁ S₂) от прямой (А-Е), проходящей через внутренний и внешний конец (А, Е) передней кромки (26), то есть в пределах 5-15% соответствующей длины лопасти.

6. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 4, отличающаяся тем, что профиль передней кромки (26) включает область или точку перегиба (С) между первой и второй частями (C-D-E, А-В-С), причем указанная область или точка (С) находится на расстоянии от 40% до 60% по высоте (Н) лопасти.

7. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 6, отличающаяся тем, что область или точка перегиба (С) находится на расстоянии от 45% до 55% по высоте (Н) лопасти.

8. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что профиль передней кромки (26) соответствует полиномиальной функции, проходящей через внутренний (Е) и внешний (А) концы указанной кромки, через точку или точку самой передней области (D) и точку или точку самой задней области (В).

9. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что профиль передней кромки (26) соответствует функции Безье или В-сплайну, определенным по отношению к внутреннему (Е) и внешнему (А) концам указанной кромки (26), через точку или точку самой передней области (D) и точку или точку самой задней области (В).

10. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что задняя кромка (28) имеет профиль, в целом параллельный передней кромке (26), причем расстояние между указанными кромками не варьируется более чем на 10%.

11. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 10, отличающаяся тем, что расстояние между задней и передней кромками не варьируется более чем на 5%.

12. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что высота (H₁) самой передней части (D) передней кромки (26) больше на 50%, чем общая высота (Н) лопасти минус высота (Н₂) самой задней части передней кромки (26).

13. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что наклон передней кромки (26) на ее внешнем конце (А) больше на 20%, чем наклон указанного профиля на его внутреннем конце (Е).

14. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что наклон передней кромки (26) на ее внешнем конце (А) больше на 50%, чем наклон указанного профиля на его внутреннем конце (Е).

15. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что максимальный наклон профиля передней кромки (26) лежит между самой задней частью (В) профиля и его внешним концом (А).

16. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что передняя кромка (26) и/или задняя кромка (28) лежат в плоскости, соответствующей средней плоскости лопасти, находящейся в пределах допуска, составляющего 10% высоты (Н) лопасти.

17. Дозвуковая лопасть (22, 24) по п. 1, отличающаяся тем, что передняя кромка (26) и/или задняя кромка (28) лежат в плоскости, соответствующей средней плоскости лопасти, находящейся в пределах допуска, составляющего 5% высоты (Н) лопасти.

18. Компрессор (8) осевой турбомашины (2), содержащий ротор (4) по меньшей мере с одной ступенью (22) лопастей ротора и статор по меньшей мере с одной ступенью (24) лопастей статора; причем лопасти по меньшей мере одной из ступеней ротора и статора соответствуют одному из пп. 1-17.

19. Осевая турбомашина, содержащая компрессор, причем компрессор соответствует п. 18.