ЛОПАСТЬ ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА ТУРБОМАШИНЫ, В ЧАСТНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРА БЕЗ ОБТЕКАТЕЛЯ, И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2017 года по МПК B64C11/18 

Настоящее изобретение касается лопасти для воздушного винта турбомашины, в частности вентилятора без обтекателя, и соответствующих воздушного винта и турбомашины.

Хотя настоящее изобретение главным образом предназначено для турбомашин с вентилятором без обтекателя («open rotor», либо также «unducted fan»), но не ограничивается таким применением.

Известно, что, турбомашина с вентилятором без обтекателя может содержать два внешних коаксиальных воздушных винта противовращения, соответственно входной (передний) и выходной (задний), каждый из которых приводится во вращение турбиной и которые расположены, по существу радиально, снаружи гондолы турбомашины. Каждый винт содержит обычно ступицу, концентричную с продольной осью турбомашины, на которой закреплены лопасти.

Однако аэродинамическое взаимодействие между входным и выходным винтами противовращения с вентилятором без обтекателя вызывает повышенный уровень акустических шумов. Действительно, вращение лопастей входного и выходного винтов противовращения вызывает:

- вихревой след вдоль размаха крыльев на выходе последних;

- концевые завихрения на свободных концах лопастей; и

- завихрения в основаниях лопастей.

Такие аэродинамические возмущения на выходе входного воздушного винта являются источником аэродинамического шума взаимодействия, когда они сталкиваются с выходным воздушным винтом или проходят вблизи него.

В частности, в процессе фаз работы при низких скоростях турбомашины с вентилятором без обтекателя (когда она установлена на летательном аппарата, при рулении, взлете, приземлении и подходе), основная составляющая излучаемого шума происходит в полосах взаимодействия выходного винта, который работает в потоке входного винта, пересекающего возмущенные слои, образованные вихревыми следами и концевыми завихрениями, образованными входным винтом (также образованными входными лопастями). Когда концевое завихрение входных лопастей взаимодействует с лопастями выходного винта (иначе называемыми выходными лопастями), взаимодействие выходная лопасть – концевое завихрение преобладает в акустическом спектре, излучаемом в большинстве направленностей.

Таким образом, для уменьшения нежелательных звуковых излучений таких турбомашин и обеспечения соответствия критериям акустических требований авиационных властей необходимо уменьшить шум, излучаемый при малой скорости при уменьшении взаимодействия выходная лопасть – концевое завихрение.

Обычно наиболее распространенным известным решением, называемым подавлением («clipping»), является уменьшение диаметра выходного воздушного винта таким образом, чтобы заставить проходить концевые завихрения, вызываемые входными лопастями, снаружи выходных лопастей для ограничения взаимодействия последних с концевыми завихрениями. Это обычно влечет за собой увеличение хорды выходных лопастей для удержания желаемой тяги и отношения момента между входным и выходным воздушными винтами. Такое решение может довести до крайности, сильно нагружая концы входных лопастей так, чтобы разгрузить оставшуюся часть каждой из входных лопастей для уменьшения воздействия вихревого следа входного воздушного винта на выходной винт, что также является источником нежелательного шума.

Однако такое решение может быть приемлемым только для изолированной конструкции турбомашины (то есть без внешнего элемента, связанного с ней) и без последствий. При наличии элементов (стойка, фюзеляж) или последствий противодействие и асимметрия потока воздуха за входным воздушным винтом изменяются таким образом, что осуществляемое подавление не предотвращает больше взаимодействия выходных лопастей и концевых завихрений, вызываемых входными лопастями. Значительное уменьшение высоты выходных лопастей (соответствующее значительному подавлению) вызывает увеличение соответствующей хорды выходных лопастей для сохранения тяги, что ухудшает кпд соответствующей турбомашины и, таким образом, не является удовлетворительным.

Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка и уменьшение, по существу, шума, создаваемого турбомашиной с вентилятором без обтекателя с двумя винтами противовращения путем ослабления взаимодействия выходной лопасти с вихревым следом.

Для достижения этой цели в соответствии с изобретением лопасть воздушного винта турбомашины, в частности, вентилятора без обтекателя, отличается тем, что она содержит единично размещенное средство для локального нарушения распределения циркуляции вокруг лопасти в процессе вращения винта так, чтобы образовать на выходе два основных независимых турбулентных потока, при этом средства для нарушения содержат единичное расширение, образованное на передней кромке лопасти, и характеризуются тем, что единичное расширение определяется его положением по ширине h лопасти таким образом, что 0,75H<h<0,85H, где Н составляет высоту лопасти.

Таким образом, благодаря изобретению изменяют распределение циркуляции вокруг лопасти так, чтобы вызвать два основных турбулентных потока:

- первый естественный турбулентный поток (или концевое завихрение), образующийся на свободном конце лопасти;

- второй отдельный форсированный турбулентный поток (или дополнительный основной турбулентный поток), образующийся вблизи средства нарушения распределения.

Концевые завихрения и дополнительные турбулентные потоки являются вращающимися вместе (то есть они имеют одно и то же направление вращения) и остаются независимыми одни от других до выходного воздушного винта.

Благодаря изобретению реализуют модификацию распределения циркуляции вокруг единичного локального положения и достигают формирования двух вихревых потоков меньшей интенсивности, чем единое обычно наблюдаемое концевое завихрение, которые не объединяются вместе. Кроме того, кпд входного воздушного винта, содержащего лопасти по изобретению, не изменяется по отношению к входному винту, снабженному лопастями, лишенными средств нарушения потока по изобретению.

В соответствии с настоящим изобретением средства нарушения потока содержат единичное расширение, образованное на передней кромке лопасти, что обеспечивает создание противовращающихся концевых завихрений (то есть они имеют инверсное направление вращения потока по отношению к двум вращающимся вместе завихрениям), введенных между двух вращающихся вместе завихрений, что предотвращает их слияние и удерживает независимыми один от другого до лопасти выходного воздушного винта. Следует отметить, что использование дополнительного расширения приводит к быстрому слиянию двух – концевого и дополнительного – завихрений, что является нежелательным.

Предпочтительно единичное расширение определяется:

- его положением по ширине h таким образом, что выражение 0,75Н<h<0,85H, где Н является высотой лопасти,

- и, при необходимости:

- его высотой по ширине d таким образом, что 0,05Н<d<0,2H;

- его шириной хорды l таким образом, что с/16<1<с/8, где с является локальной длиной хорды лопасти в положении ширины лопасти h упомянутого расширения.

В варианте изобретения лопасть может содержать вырез, который выполнен в передней кромке упомянутой лопасти и расположен около упомянутого расширения.

Кроме того, настоящее изобретения касается также воздушного винта для турбомашины с открытым ротором, которая содержит множество лопастей описанного выше типа.

Также настоящее изобретение, кроме того, касается турбомашины, содержащей, по меньшей мере, воздушный винт упомянутого выше типа.

В частности, когда турбомашина имеет вентилятор без обтекателя и содержит два коаксиальных и противовращающихся винта, то, по меньшей мере, входной винт, предпочтительно, выполнен описанным выше образом.

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

- Фиг.1 схематично изображает вид в продольном разрезе турбомашины с вентилятором без обтекателя, снабженный входными лопастями, выполненными в соответствии с изобретением.

- Фиг.2 схематично изображает в увеличенном масштабе вид спереди входной лопасти по фиг.1.

- Фиг.3–5, подобные фиг.2, представляют три варианта реализации входной лопасти по фиг.2 в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 схематично изображена турбомашина 1 с вентилятором без обтекателя, которая содержит с входа на выход в направлении потока газов (обозначенном стрелкой F) внутри турбомашины по продольной оси L-L компрессор 2, кольцевую камеру сгорания 3, турбину высокого давления 4 и две турбины низкого давления 5 и 6, которые являются противовращающимися, то есть вращаются в двух противоположных направлениях вокруг продольной оси L-L.

Каждая из турбин 5 и 6 жестко соединена во вращении с внешним винтом 7, 8, расположенным радиально снаружи гондолы 9 турбомашины 1, при этом гондола 2 является, по существу, цилиндрической и простирается вдоль оси L-L вокруг компрессора 2, камеры сгорания 3 и турбин 4, 5 и 6. Сгоревшие газы, выходящие из турбин, выбрасываются через сопло 10 для увеличения тяги.

Винты 7 и 8 расположены коаксиально один за другим и содержат множество лопастей 11А и 11В, равноугольно распределенных вокруг продольной оси L-L. Лопасти 11А и 11В простираются, по существу, радиально и выполнены с изменяемым углом установки, то есть они могут поворачиваться вокруг продольной оси так, чтобы оптимизировать их угловое положение в зависимости от желаемых условий работы турбомашины 1. Разумеется, как вариант, лопасти могут быть выполнены с фиксированным углом установки.

Каждый входной 7 или выходной 8 воздушный винт содержит вращающуюся ступицу 12, 13, несущую лопасти 11А, 11В, и расположен концентрично продольной оси L-L турбомашины 1 перпендикулярно этой оси.

Входная 11А и выходная 11В лопасти образованы каждая корпусом лопасти 14 и ножкой лопасти 15, установленной с возможностью поворота в соответствующей ступице 12, 13.

В выполнении изобретения по фиг.2 каждая лопасть 11А содержит единичное расширение 16, образованное на передней кромке 17 упомянутой рассматриваемой лопасти 11А.

Кроме того, единичное расширение 16 скругленной формы определяется следующими параметрами:

- его положением по ширине h, которое составляет от 0,75Н до 0,85Н, где Н является высотой входной лопасти 11А;

- его высотой по ширине d, которая составляет от 0,05Н до 0,2Н; и

- его шириной хорды l, которая составляет от с/16 до с/8, где с является длиной локальной хорды лопасти в положении по ширине h упомянутого расширения 16.

Таким образом, единичное расширение позволяет осуществить возмущение распределения циркуляции вокруг входной лопасти 11А, что вызывает образование двух основных противовращающихся турбулентных потоков:

- первого естественного турбулентного потока (или концевого завихрения), образующегося на свободном конце 18 входной лопасти 11А;

- второго отдельного форсированного потока (или главного дополнительного завихрения), образующегося вблизи единичного расширения 16.

Кроме того, единичное расширение 16 вызывает также образование дополнительных противовращающихся завихрений (то есть в направлении, противоположном двум – основному и дополнительному – завихрениям), которые проникают между двумя основными противовращающимися завихрениями, мешая, таким образом, их слиянию.

Другими словами, в процессе вращения входного воздушного винта 7 единичное расширение 16 локально возмущает распределение циркуляции вокруг входной лопасти 11А таким образом, чтобы сформировать два независимых турбулентных потока к выходу до выходного воздушного винта 8.

Кроме того, на фиг.3–5 представлены три варианта выполнения расширения входной лопасти 11А в соответствии с изобретением.

В частности, расширение 16А и 16В на фиг.3 и 4 имеет соответственно треугольную и прямоугольную формы. Соответствующие параметры h, d и l подобны тем же параметрам расширения 16 по фиг.2.

Кроме того, в другом варианте по изобретению, как показано на фиг.5, вырез 19, выполненный в передней кромке 17 входной лопасти 11А, сочленен с расширением 16. Вырез 19 вблизи расширения 16 выполнен между этим расширением и свободным концом 18 входной лопасти 11А. Как вариант, можно представить, что расширение выполнено между вырезом и свободным концом входной лопасти.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям лопастей воздушных винтов. Турбомашина с вентилятором без обтекателя содержит два коаксиальных и противовращающихся воздушных винта (7, 8), имеющих множество лопастей (11А, 11В). Лопасти входного вентилятора (11А) содержат средства (16, 16А, 16В), предназначенные для единичного расположения для осуществления локального возмущения в процессе вращения винта (7), распределения циркуляции вокруг лопастей (11А). Средства возмущения содержат единичное расширение (16, 16А, 16В), выполненное на передней кромке (17) лопасти (11А), при этом положение единичного расширения (16, 16А, 16В) определено его положением по ширине h таким образом, что 0,75Н<h<0,85Н, где Н является высотой лопасти (11А). Достигается снижение шума, создаваемого турбомашиной. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбомашина с вентилятором без обтекателя, содержащая два коаксиальных и противовращающихся воздушных винта (7, 8), при этом упомянутые воздушные винты содержат множество лопастей (11А, 11В), отличающаяся тем, что лопасти входного вентилятора (11А) содержат средства (16, 16А, 16В), предназначенные для единичного расположения для осуществления локального возмущения в процессе вращения винта (7), распределения циркуляции вокруг лопастей (11А), причем средства возмущения содержат единичное расширение (16, 16А, 16В), выполненное на передней кромке (17) лопасти (11А), при этом положение единичного расширения (16, 16А, 16В) определено его положением по ширине h таким образом, что 0,75Н<h<0,85Н, где Н является высотой лопасти (11А).

2. Турбомашина по п.1, в которой единичное расширение (16, 16А, 16В) определено его высотой d по ширине таким образом, что 0,05Н<d<0,2Н, где Н является высотой лопасти (11А).

3. Турбомашина по п.1, в которой единичное расширение (16, 16А, 16В) определено его шириной l по хорде таким образом, что с/16<l<c/8, где с является локальной длиной хорды лопасти (11А) в положении ширины h упомянутого расширения (16, 16А, 16В).

4. Турбомашина по п.1, содержащая вырез (19), который выполнен в передней кромке (17) упомянутой лопасти (11А) вблизи упомянутого расширения (16).