ЛОПАТКА ВЕНТИЛЯТОРА ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИЗОГНУТЫМ ПРОФИЛЕМ В СЕЧЕНИЯХ НОЖКИ Российский патент 2017 года по МПК F01D5/16 F04D29/66 F04D29/38 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к общей области лопаток вентилятора для авиационного турбореактивного двигателя и касается, в частности, профиля сечений ножки таких лопаток.

Разработки в области авиационных турбореактивных двигателей имеют, главным образом, целью достижение выигрыша в плане рабочих характеристик и массы. Точнее, что касается турбореактивных двигателей малого диаметра, известно, что выигрыш по массе может быть достигнут на уровне вентилятора за счет снижения числа ее лопаток, за счет увеличения относительного шага лопаток и за счет снижения коэффициента втулки вентилятора.

В частности, низкий коэффициент втулки позволяет увеличить удельный расход двигателя (при том же диаметре вентилятора) и, следовательно, его тягу, без ущерба, тем не менее, для массы. Однако снижение коэффициента втулки приводит к понижению первой моды перегиба лопаток вентилятора (называемой мода 1F). Но совпадение моды 1F и первой гармоники двигателя вызывает неустойчивое вибрационное поведение лопаток, которое может привести к их растрескиванию.

Для решения этой проблемы понижения моды 1F лопаток возможно увеличить либо их хорду (т.е. длину правого сегмента, соединяющего переднюю кромку с задней кромкой лопаток), либо толщину их сечения ножки.

Однако ни одно из этих решений не оказывается удовлетворительным. Увеличение хорды лопаток приводит, в частности, к увеличению длины и массы турбореактивного двигателя. Также увеличение толщины сечений ножки лопаток приводит к значительному росту массы вентилятора, а, следовательно, массы турбореактивного двигателя. Недостатками такого решения является также снижение технических характеристик турбореактивного двигателя и возникновение опасности блокировки в ножке вентилятора. GB 2106192 А и US 2007/158495 раскрывают лопатку, как она описана в ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения.

Предмет и краткое изложение изобретения

Существует, таким образом, потребность располагать по возможности такой геометрией лопатки вентилятора, которая позволяет добиться понижения ее первой моды перегиба без увеличения, тем не менее, массы и длины турбореактивного двигателя.

Эта цель достигается благодаря лопатке вентилятора для авиационного турбореактивного двигателя, содержащей перо, аксиально проходящее между передней кромкой и задней кромкой, и содержащей множество сечений пера, уложенных радиально между сечением ножки и сечением головки, и в которой, по изобретению, все сечения пера, заключенные между сечением ножки и сечением пера, расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера, имеют скелетную кривую, имеющей точки перегиба.

Скелетная кривая сечения пера образована изменениями скелетного угла в зависимости от положения вдоль хорды лопатки. Точнее, под скелетным углом подразумевают угол, образованный между касательной к каждой точке скелета лопатки и осью двигателя.

Изобретатели отметили, что примечательно наличие точки перегиба на уровне скелетных кривых для всех сечений пера, расположенных между 0% и 30% общей радиальной высоты пера, позволяет увеличить моду 1F лопатки без снижения при этом аэродинамических характеристик лопатки. Кроме того, такое придание жесткости перу лопатки осуществляется без увеличения хорды лопатки или толщины сечения ножки.

Предпочтительно точки перегиба скелетных кривых сечений пера, содержащихся между сечением ножки и сечением пера, расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера, располагаются между 25% и 75% длины хорды лопатки, измеряемой от передней кромки в сторону задней кромки.

Также предпочтительно эти точки перегиба расположены между 40% и 50% длины хорды лопатки, измеряемой от передней кромки в сторону задней кромки.

Еще предпочтительно угол наклона касательной в точке перегиба скелетной кривой непрерывно снижается между сечением ножки и сечением пера, расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера.

Изобретение касается также вентилятора авиационного турбореактивного двигателя, содержащего множество лопаток таких, как описанные выше. Оно касается еще авиационного турбореактивного двигателя, имеющего такой вентилятор.

Краткое описание чертежей

Прочие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут показаны в описании, сделанном со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие пример его осуществления, без всякого ограничения. На чертежах:

- фиг. 1 представляет собой частичный вид в продольном разрезе вентилятора турбореактивного двигателя, снабженного лопатками согласно изобретению;

- фиг. 2 представляет собой вид сечения пера лопатки согласно изобретению;

- фиг. 3 показывает пример скелетной кривой сечений пера лопатки согласно изобретению; и

- фиг. 4 изображает влияния на аэродинамический поток профиля лопатки согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

Изобретение применимо к любым вентиляторам авиационного турбореактивного двигателя и особенно к вентиляторам турбореактивных двигателей малого диаметра, таким как изображенные на фиг. 1.

На фиг. 1 изображен вентилятор 2 турбореактивного двигателя, содержащий множество лопаток 4 согласно изобретению, которые размещены на равном расстоянии друг от друга вокруг продольной оси Х-Х турбореактивного двигателя, причем эта ось X-X ориентирована в направлении F течения воздушного потока, проходящего через вентилятор.

Лопатки 4 предпочтительно выполнены из металлического сплава. Каждая лопатка 4 содержит перо 6 и ножку 8, установленную на диске (или втулке) 10, приводимом во вращение вокруг продольной оси Х-Х турбореактивного двигателя. Каждая лопатка может содержать также площадку 12, которая образует частично внутреннюю стенку, ограничивающую внутри тракт 14 течения воздушного потока F, проходящего через вентилятор. Стенка 16 корпуса, окружающего вентилятор, образует наружную стенку, которая ограничивает внутри тот же самый тракт течения.

Для последующего описания для каждой лопатки 4 определяют радиальную ось Z-Z как ось, перпендикулярную продольной оси Х-Х и проходящую через центр тяжести сечения, получающегося в результате пересечения лопатки с внутренней стенкой тракта холодного воздушного потока. Касательная ось Y-Y образует ортонормальный трехгранник непосредственно с осями Х-Х и Z-Z.

Как изображено на фиг. 1, перо 6 лопатки 4 содержит множество сечений пера S, центры тяжести которых уложены по линии центров тяжести L_g.

Сечения пера S располагаются на возрастающих радиальных расстояниях от продольной оси Х-Х и ограничены по радиальной оси Z-Z между сечением ножки S_pied и сечением головки на уровне вершины 17 лопатки. Сечение ножки S_pied располагается на 0% общей радиальной высоты пера, измеряемой от ножки лопатки в сторону ее вершины. Также сечение головки располагается на 100% общей радиальной высоты пера, измеряемой от ножки лопатки в сторону ее вершины.

В результате набора образуется аэродинамическая поверхность, проходящая по продольной оси Х-Х между передней кромкой 18 и задней кромкой 20 и по касательной оси Y-Y между поверхностью корытца 22 и поверхностью спинки 24 (фиг. 2).

Согласно изобретению предусматривается придание изогнутого профиля всем сечениям пера, расположенным между сечением ножки S_pied и сечением пера S₃₀, расположенным на 30% общей радиальной высоты пера, измеряемой от ножки лопатки в сторону ее вершины.

На фиг. 2 представлен профиль сечения пера S, изогнутый согласно изобретению, по сравнению с профилем сечения пера S' предыдущего уровня техники (т.е. неизогнутым).

Усиленная кривизна сечения пера определяется наличием точки перегиба на скелетной кривой данного сечения пера (речь идет также о скелетной кривой «в виде S»). Согласно изобретению все сечения пера, расположенные между сечением ножки S_pied и сечением пера S₃₀, имеют скелетные кривые, имеющие точку перегиба.

Под «скелетной кривой сечения пера» подразумевают в данном случае изменения, для заданного сечения пера, скелетного угла α в зависимости от положения вдоль хорды D лопатки (т.е. вдоль сегмента прямой, соединяющего переднюю кромку 18 с задней кромкой 20 соответствующего сечения пера).

Как представлено на фиг. 2, скелетный угол α образован между касательной Т в каждой точке Р скелета 26 лопатки и продольной осью Х-Х турбореактивного двигателя (причем скелет 26 лопатки является геометрической линией точек, расположенных на равном расстоянии от боковых поверхностей корытца 22 и спинки 24 лопатки).

Изменения этого скелетного угла вдоль хорды D лопатки образуют кривую, называемую скелетной кривой. Фиг. 3А-3С представляют собой различные примеры скелетных кривых для различных сечений пера лопатки согласно изобретению.

Так, фиг. 3 представляет собой скелетную кривую С₀ для сечения ножки (т.е. сечение пера, расположенного на 0% общей радиальной высоты пера) лопатки согласно изобретению в зависимости от процентного соотношения хорды лопатки (причем 0% от хорды соответствует передней кромке, а 100% - ее задней кромке). Для сравнения также представлена на фиг. 3 скелетная кривая С₀' для сечения ножки лопатки из предыдущего уровня техники (т.е. у которой профиль сечений ножки не изогнут).

На фиг. 3 отмечается, что скелетная кривая С₀ действительно имеет точку перегиба I₀ (т.е. точку, в которой касательная t₀ к кривой пересекает кривую). Для сравнения скелетная кривая С₀' для сечения ножки лопатки из предыдущего уровня техники не имеет никакой точки перегиба.

Преимущественно точки перегиба I всех скелетных кривых сечений пера, расположенных между сечением ножки S_pied и сечением пера S₃₀, и, в частности, точка перегиба I₀ позиционируются между 25% и 75% длины хорды лопатки, измеряемой от передней кромки в сторону задней кромки.

Предпочтительно эти точки перегиба позиционируются между 40% и 50% длины хорды лопатки. Так, в примере на фиг. 3 точка перегиба I₀ для сечения ножки располагается приблизительно на 40% длины хорды.

В то же время, согласно другому преимущественному расположению угол наклона касательной в точке перегиба скелетной кривой постоянно уменьшается между сечением ножки S_pied и сечением пера S₃₀, расположенным на 30% общей радиальной высоты пера.

Это уменьшение угла наклона касательной в точке перегиба скелетной кривой является постоянным и непрерывным между сечением ножки S_pied и сечением пера S₃₀. Вне сечения пера S₃₀ скелетные кривые сечений пера принимают классический вид, т.е. они не имеют более точки перегиба в указанной зоне.

Изобретатели отметили, что примечательно наличие изогнутого профиля на уровне всех сечений пера, расположенных между сечением ножки S_pied и сечением пера S₃₀, позволяет увеличить моду F1 лопатки без ухудшения, тем не менее, ее аэродинамического потока.

На фиг. 4 изображено такое преимущество. На этом чертеже изображены представительные кривые распределения по поверхностям корытца (кривая M_intra) и спинки (кривая M_extra) изоэнтропийной линии Маха для лопатки согласно изобретению и для лопатки согласно предыдущему уровню техники (кривые М'_intra и М'_extra).

Анализ этих представительных кривых аэродинамического потока этих лопаток показывает, что изоэнтропийная линия Маха по поверхности спинки (кривая M_extra) является приемлемым. В частности, его уровень эквивалентен уровню лопатки из предыдущего уровня техники (М'_extra).

Лопатка (4) вентилятора для авиационного турбореактивного двигателя, содержащая перо (6), аксиально проходящее между передней кромкой (18) и задней кромкой (20), и содержащая множество сечений пера (S), уложенных радиально между сечением ножки (S_pied) и сечением вершины (). Все сечения пера, заключенные между сечением ножки (S_pied) и сечением пера (S₃₀), расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера, имеют скелетную кривую, имеющую точку перегиба. Скелетная кривая сечения пера образована изменениями скелетного угла в зависимости от положения вдоль хорды лопатки, а скелетный угол представляет собой угол, образованный между касательной к каждой точке скелета лопатки и осью двигателя. Такая геометрия лопатки вентилятора позволяет добиться понижения ее первой моды перегиба без увеличения, тем не менее, массы и длины турбореактивного двигателя. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопатка (4) вентилятора для авиационного турбореактивного двигателя, содержащая перо (6), аксиально проходящее между передней кромкой (18) и задней кромкой (20), и содержащая множество сечений пера (S), уложенных радиально между сечением ножки (S_pied) и сечением вершины (), отличающаяся тем, что все сечения пера, заключенные между сечением ножки (S_pied) и сечением пера (S₃₀), расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера, имеют скелетную кривую, имеющую точку перегиба, при этом скелетная кривая сечения пера образована изменениями скелетного угла в зависимости от положения вдоль хорды лопатки, а скелетный угол представляет собой угол, образованный между касательной к каждой точке скелета лопатки и осью двигателя.

2. Лопатка по п. 1, в которой точки перегиба скелетных кривых сечений пера, заключенных между сечением ножки и сечением пера, расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера, расположены между 25% и 75% длины хорды лопатки, измеряемой от передней кромки в сторону задней кромки.

3. Лопатка по п. 2, в которой точки перегиба скелетных кривых сечений пера, заключенных между сечением ножки и сечением пера, расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера, расположены между 40% и 50% длины хорды лопатки, измеряемой от передней кромки в сторону задней кромки.

4. Лопатка по одному из пп. 1-3, в которой угол наклона касательной в точке перегиба скелетной кривой непрерывно уменьшается между сечением ножки и сечением пера, расположенным на радиальной высоте, соответствующей 30% общей радиальной высоты пера.

5. Лопатка по п. 1, в которой перо является металлическим.

6. Вентилятор (2) авиационного турбореактивного двигателя, содержащий множество лопаток (4) по одному из пп. 1-5.

7. Авиационный турбореактивный двигатель, содержащий вентилятор (2) по п. 6.