ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРОФИЛЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИМ УЛУЧШЕННЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Российский патент 2017 года по МПК F04D29/38 F01D5/14 F01D9/02 

ОБЩАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области лопаток газотурбинного двигателя и находит применение, в частности, для металлических лопаток вентилятора, компрессора высокого давления или компрессора низкого давления газотурбинного двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Лопатки газотурбинного двигателя вращаются с высокими скоростями; следовательно, аэродинамические и механические характеристики лопаток являются первостепенными для обеспечения нормальной работы газотурбинного двигателя.

С целью улучшения характеристик лопаток было предложено несколько решений, связанных с их геометрической формой.

В частности, можно сослаться на документ FR 2908152, зарегистрированный на имя заявителя, в котором предложено изменять геометрию лопатки вдоль ее высоты.

В частности, в этом документе предложено улучшить аэродинамические характеристики лопатки за счет придачи ей геометрической формы, представленной как комбинация относительно низкой и выраженной выпуклости с сильно выраженным задним прогибом в продольных и тангенциальных направлениях.

Однако, несмотря на улучшение аэродинамических характеристик, полученных при помощи такой лопатки, ее эксплуатация остается проблематичной по причине влияния этой особой геометрии на ее механическую прочность и, в частности, по причине влияния этой геометрии на некоторые резонансные моды лопатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение призвано решить эту проблему и предложить лопатку, объединяющую в себе улучшенные аэродинамические и механические характеристики.

В связи с этим объектом изобретения является лопатка газотурбинного двигателя, имеющая множество секций лопатки, упакованных вдоль радиальной оси, при этом каждая секция лопатки расположена вдоль продольной оси между передней кромкой и задней кромкой и вдоль тангенциальной оси между стороной корытца и стороной спинки, при этом секции лопатки распределены в соответствии с правилами продольного Xg и тангенциального Yg распределения, определяющими положение их соответствующих центров тяжести по отношению к упомянутым продольной и тангенциальной осям по высоте лопатки, проходящей от ножки лопатки до вершины лопатки, отличающаяся тем, что в секции вершины лопатки, расположенной между 90 и 100% высоты Н лопатки:

- существует первая высота, начиная от которой правило продольного распределения Xg определяет поворот к передней кромке лопатки,

- существует вторая высота, начиная от которой правило тангенциального распределения Yg определяет поворот к спинке лопатки.

В варианте упомянутые первая и вторая высоты заключены между 90% и 95% высоты Н лопатки.

Согласно частному варианту выполнения, упомянутые первая и вторая высоты равны.

Как правило, упомянутую лопатку выполняют из металлического материала.

Объектами изобретения являются также вентилятор газотурбинного двигателя, компрессор низкого давления или компрессор высокого давления, содержащие множество вышеуказанных лопаток.

Кроме того, объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий множество вышеуказанных лопаток.

ОПИСАНИЕ ФИГУР

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает частичный вид в продольном разрезе известного вентилятора газотурбинного двигателя.

Фиг. 2 и 3 изображают примеры кривых, отображающих изменение правил Xg и Yg соответственно на части высоты лопатки в соответствии с изобретением.

Фиг. 4 и 5 - примеры кривых, отображающих изменение правил Xg и Yg соответственно по высоте лопатки в соответствии с изобретением.

Фиг. 6 изображает график, отображающий выигрыш в КПД, полученный при помощи заявленной лопатки, по сравнению с известными лопатками.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг. 1 схематично и частично показан вентилятор 2 газотурбинного двигателя, как правило турбореактивного двигателя, применяемого в авиации.

Вентилятор 2 содержит множество лопаток 4, равномерно распределенных вокруг диска 6 (обычно называемого ступицей) ротора с центром на продольной оси Х-Х вентилятора 2.

Как известно, каждая лопатка 4 содержит перо 8, ножку 10 и вершину 12. Ножка 10 лопатки установлена на диске 6 ротора и соединена с пером 8 через площадку 14, ограничивающую газовый поток 16, проходящий через вентилятор 2. Диск 6 ротора вращается вокруг продольной оси Х-Х в направлении, показанном стрелкой 18.

Что касается вершины 12 лопатки, то она расположена напротив внутренней стороны 20 неподвижного картера вентилятора, причем эта сторона 20 ограничивает также канал 16, заключенный между площадкой 14 и внутренней стороной 20 картера.

Перо 8 состоит из множества секций 22 лопатки, упакованных вдоль радиальной оси Z-Z, перпендикулярной к оси Х-Х. Секции 22 лопатки находятся на возрастающих радиальных расстояниях от продольной оси Х-Х. Получаемый в результате набор образует аэродинамическую поверхность, которая проходит вдоль продольной оси Х-Х между передней кромкой 24 и задней кромкой 26 и вдоль тангенциальной оси Y-Y вентилятора между стороной корытца, противоположной к тяге, и стороной спинки со стороны тяги (на фигурах не показаны).

Лопатка имеет высоту Н, измеренную от ножки 10 к вершине 12 лопатки вдоль радиальной оси Z-Z. Согласно определению, секция лопатки, находящаяся на 0% высоты Н, соответствует радиусу пересечения между передней кромкой 24 и внутренним каналом прохождения газового потока, а секция, находящаяся на 100% высоты Н, соответствует точке на радиусе пересечения между передней кромкой 24 и внутренним каналом прохождения газового потока.

Определенные таким образом продольная ось Х-Х, тангенциальная ось Y-Y и радиальная ось Z-Z вентилятора образуют прямой ортонормированный трехгранный угол.

Настоящее изобретение можно применять для различных типов подвижных лопаток газотурбинного двигателя; например, для подвижных лопаток вентилятора, компрессора высокого давления, то есть компрессора, находящегося на входе в направлении прохождения потока, и компрессора высокого давления, то есть компрессора, находящегося на выходе в направлении прохождения потока.

На фиг. 1 вентилятор показан частично исключительно в качестве примера, чтобы определить различные оси газотурбинного двигателя.

Понятно, что нижеследующее описание можно также транспонировать на лопатки газотурбинного двигателя, отличные от лопаток вентилятора, в частности на лопатки компрессора низкого давления и/или компрессора высокого давления.

На фиг. 2 и 3 представлены примеры кривых, отображающих изменение правил Xg и Yg соответственно на части высоты лопатки в соответствии с изобретением.

Эти две кривые показывают изменение правил продольного Xg и тангенциального Yg распределения, определяющих положение соответствующих центров тяжести упакованных секций лопатки, образующих лопатку, по отношению к продольной Х-Х и тангенциальной Y-Y осям. На оси ординат показано соотношение h/H, где Н является определенной выше общей высотой лопатки, и h является высотой рассматриваемого центра тяжести, измеренной от основания 10 лопатки.

Как показано на этих кривых, настоящим изобретением предложено изменять направление наклона правил распределения Xg и Yg в участке вершины лопатки, то есть в верхних 10% лопатки, образующих вершину 12.

Здесь наблюдается изгиб этих двух правил распределения, происходящий при значениях высоты, заключенных между 90 и 100% высоты Н лопатки, начиная от ее основания.

В целом, для каждого из правил распределения Xg и Yg существует высота, которая заключена между 90% и 100% высоты Н лопатки и начиная от которой эти два правила распределения уменьшаются.

Обычно эти высоты заключены между 90% и 95% высоты Н лопатки.

Значение высоты, заключенной между 90% и 100% высоты Н лопатки, начиная от которой уменьшается правило распределения Xg, и значение высоты, заключенной между 90% и 100% высоты Н лопатки, начиная от которой уменьшается правило распределения Yg, могут быть одинаковыми или разными.

Правила продольного Xg и тангенциального Yg распределения, определяющие положение соответствующих центров тяжести образующих лопатку упакованных секций относительно продольной Х-Х и тангенциальной Y-Y осей, как правило, предопределяют единое изменение направления их наклона при значениях высоты, заключенных между 90 и 100% высоты Н лопатки от ее основания.

Таким образом, лопатка в соответствии с изобретением имеет профиль, который между 90 и 100% высоты от ее основания проходит вперед в направлении передней кромки 24 и в сторону спинки, что соответствует повороту вперед и в сторону спинки участка вершины лопатки.

На фиг. 3 и 4 представлен соответственно пример правила продольного Xg и тангенциального Yg распределения по всей высоте лопатки.

Как и на фиг. 2 и 3, здесь происходит изменение направления наклона этих правил распределения Xg и Yg в участке вершины лопатки, то есть в верхних 10% лопатки, образующих вершину 12. Это изменение направления наклона правил распределения Xg и Yg в участке вершины лопатки не зависит от изменения правил Xg и Yg на остальной части высоты лопатки.

На фиг. 6 представлен график выигрыша в КПД, получаемого для лопатки в соответствии с изобретением, по сравнению с известными лопатками.

Учитываемый выигрыш оценивают между входом и выходом лопатки с учетом входных и выходных давлений и температур. На этой фигуре показано его изменение на верхней половине лопатки, то есть для высот от Н/2 до Н, где Н является общей высотой лопатки.

На этой фигуре показаны три кривые 100, 102 и 104, которые иллюстрируют КПД, соответственно полученный с лопаткой в соответствии с изобретением, с известной лопаткой, не имеющей изгиба в вершине, и с известной лопаткой, имеющей изгиб правила продольного распределения Xg в вершине.

Как видно на этом графике, настоящее изобретение позволяет повысить КПД в верхней части лопатки. Кроме того, отмечается, что изменение вершины лопатки приводит к изменению КПД в намного более обширном диапазоне высот; изменение геометрии 10% лопатки влияет на аэродинамической КПД более 50% лопатки.

Кроме того, в отличие от известных решений, за счет одновременного изменения правила продольного распределения Xg и тангенциального распределения Yg изобретение позволяет повысить механическую прочность лопатки.

Действительно изгиб правила продольного распределения Xg позволяет уменьшить статические напряжения в лопатке. Кроме того, хотя этот изгиб по Xg приводит к соответствующему уменьшению частоты собственной моды лопатки, в данном случае моды 4, это уменьшение компенсируется изгибом правила тангенциального распределения Yg, которое приводит по существу к эквивалентному увеличению частоты этой же моды.

Влиянием изгибов по Xg и Yg на другие собственные моды можно пренебречь.

Таким образом, это изменение правил продольного Xg и тангенциального Yg распределения позволяет улучшить механические характеристики за счет уменьшения статических напряжений, не затрагивая при этом динамические характеристики.

Настоящее изобретение находит свое предпочтительное применение для лопаток, выполненных из металлического материала, например для лопаток небольшого размера, как правило от 40 до 50 дюймов, то есть от 101,60 см до 127 см.

Лопатка газотурбинного двигателя, имеющая множество секций лопатки, упакованных вдоль радиальной оси (Z-Z). Каждая секция лопатки расположена вдоль продольной оси (Х-Х) между передней кромкой и задней кромкой и вдоль тангенциальной оси (Y-Y) между стороной корытца и стороной спинки. Секции лопатки распределены в соответствии с правилами продольного Xg и тангенциального Yg распределения, определяющими положение их соответствующих центров тяжести по отношению к упомянутым продольной (Х-Х) и тангенциальной (Y-Y) осям по высоте лопатки, проходящей от ножки лопатки до вершины лопатки. Каждое из упомянутых правил продольного Xg и тангенциального Yg распределения имеет изменение направления наклона между 90 и 100% высоты лопатки. Позволяет повысить КПД в верхней части лопатки, улучшить механические характеристики за счет уменьшения статических напряжений, не затрагивая при этом динамические характеристики. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лопатка газотурбинного двигателя, имеющая множество секций лопатки, упакованных вдоль радиальной оси (Z-Z), при этом каждая секция лопатки расположена вдоль продольной оси (Х-Х) между передней кромкой и задней кромкой и вдоль тангенциальной оси (Y-Y) между стороной корытца и стороной спинки, при этом секции лопатки распределены в соответствии с правилами продольного Xg и тангенциального Yg распределения, определяющими положение их соответствующих центров тяжести по отношению к упомянутым продольной (Х-Х) и тангенциальной (Y-Y) осям по высоте лопатки, проходящей от ножки лопатки до вершины лопатки, отличающаяся тем, что в секции вершины лопатки, расположенной между 90 и 100% высоты (Н) лопатки:

- существует первая высота (Нх), начиная от которой правило продольного распределения Xg определяет поворот к передней кромке лопатки,

- существует вторая высота (Hy), начиная от которой правило тангенциального распределения Yg определяет поворот к спинке лопатки.

2. Лопатка газотурбинного двигателя по п. 1, в которой упомянутые первая и вторая высоты (Нх и Hy) заключены между 90% и 95% высоты H лопатки.

3. Лопатка газотурбинного двигателя по п. 1, в которой упомянутые первая и вторая высоты (Нх и Hy) равны.

4. Лопатка газотурбинного двигателя по п. 1, в которой упомянутая лопатка выполнена из металлического материала.

5. Вентилятор газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит множество лопаток по п. 1.

6. Компрессор низкого давления газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит множество лопаток по п. 1.

7. Компрессор высокого давления газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит множество лопаток по п. 1.

8. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит множество лопаток по п. 1.