ТУРБОМАШИНА С ПРЕДКРЫЛКОМ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА, ИМЕЮЩИМ ЗУБЧАТЫЙ ПРОФИЛЬ Российский патент 2022 года по МПК F01D9/04 F02C7/45 

Изобретение относится к области аэроакустического управления неподвижными лопатками в турбомашине летательного аппарата или в испытательном стенде для такой турбомашины.

Данный тип неподвижной лопатки встречается, например, в выходных направляющих лопатках (OGV) или спрямляющих устройствах, расположенных ниже по потоку от вращающегося тела для спрямления воздушного потока. Выражение «неподвижная лопатка» или «направляющая лопатка» используется для обозначения неподвижных лопаток в противопоставление вращающимся лопаткам.

В качестве примера рассмотрен турбовентиляторный двигатель, содержащий (расположенный спереди) вентилятор и направляющую лопатку, расположенную ниже по потоку во вспомогательном воздушном канале.

В некоторых турбовентиляторных двигателях, в частности в турбовентиляторных двигателях с очень высокой степенью двухконтурности (UHBR; конфигурация турбовентиляторного двигателя с очень высоким отношением массы вторичного воздуха к массе сгоревших газов, составляющим более 15) предусмотрено увеличение диаметра вентилятора и уменьшение длины подвесной гондолы, с помощью которой турбомашина подвешена в летательном аппарате, с обеспечением тем самым уменьшения расстояния между вентилятором и входными направляющими лопатками входного направляющего аппарата (IGV), выходными направляющими лопатками и предкрылком. В двигателе такого типа взаимодействие вихревого следа, созданного вентилятором, с выходными направляющими лопатками, выходными направляющими лопатками и предкрылком является одним из основных источников широкополосного шума. Следовательно, для поддержания и уменьшения существующих уровней шума должны быть опробованы новые технические решения.

Таким образом, изобретение относится к турбомашине, содержащей (расположенный спереди) вентилятор и имеющей общую ось (X), вокруг которой может вращаться указанный вентилятор, причем турбомашина содержит:

- кольцевую разделительную стенку, содержащую предкрылок, предназначенный для разделения воздушного потока на первичный и вторичный потоки ниже по потоку от вентилятора и имеющий переднюю кромку,

- первые направляющие лопатки (IGV), предназначенные для направления первичного потока,

- вторые направляющие лопатки (OGV), предназначенные для направления вторичного потока.

Взаимодействие между потоком, приводимым во вращение вентилятором, и спрямляющим устройством, расположенным во вспомогательном канале, является источником шума, который предположительно преобладает над общим шумом, создаваемым турбомашиной или даже летательным аппаратом, в зависимости от рабочих режимов.

В этой связи для по меньшей мере ограничения всех или некоторых из вышеуказанных проблем предложено выполнение передней кромки предкрылка кольцевой разделительной стенки с зубчатым профилем, содержащим последовательность зубцов и впадин.

Другими словами, в данном случае для уменьшения шума, обусловленного взаимодействием между вихревым следом лопатки вентилятора и предкрылком, предложено использовать предкрылок с волнообразной передней кромкой. В данной связи следует отметить, что осевое расстояние между предкрылком и задней кромкой лопаток вентилятора относительно невелико, и поэтому предкрылок может подвергаться воздействию более высоких уровней турбулентности воздуха, чем те, которые наблюдаются на выходных и входных направляющих лопатках.

Для аэродинамических профилей, имеющих зубчатую, т.е. волнообразную, переднюю кромку, независимо от формы волнистостей (см. ниже), указанный шум от взаимодействия, представляющий турбулентное течение, образуется, в частности, во впадинах волнистостей, где имеют место более сильные колебания давления.

Следовательно, целью является оптимизация волнообразной геометрии для уменьшения шума, исходящего от предкрылка с волнистой передней кромкой, путем минимизации корреляции между источниками шума и дном впадин.

Чтобы уменьшить данную корреляцию, были учтены все или некоторые из трех критериев для определения волнообразных конфигураций, которые в том числе могут быть синусоидальными или треугольными.

Более конкретно, предложено рассмотреть профиль, имеющий зубцы, представляющие собой волнистости:

- которые имеют:

- вдоль направления протяженности передней кромки элементарную геометрическую конфигурацию, повторяющую саму себя (таким образом, профиль указанной конфигурации подчиняется периодической закономерности), при этом две одинаковые волнистости двух последовательных элементарных геометрических конфигураций вдоль указанного направления расположены друг от друга на расстоянии λ (в метрах) в данном направлении, и

-- максимальную амплитуду h (в метрах), перпендикулярную данному направлению L, и

- которые удовлетворяют по меньшей мере одному из следующих условий а), b), с):

а) максимальная амплитуда задается в соответствии с соотношением:

в пределах 40%, согласно формуле:

где

(в м/с) - скорость воздушного потока в направлении i, между вентилятором и первыми направляющими лопатками (5, IGV),

- расстояние (в метрах) между двумя точками в вихревом следевентилятора в k-м направлении,

- интегральный масштаб воздушного потока, создаваемого вентилятором:

направлении (параллельно) общей оси турбомашины (ось X на фиг.2) или

направлении хорды зубчатого профиля (если такая хорда существует, см. номер 40 позиции на фиг.3),

b) указанное расстояние (X) (то есть периодичность или промежуток между двумя последовательными зубцами) соответствует следующему соотношению:

при этом:

представляет ширину (в метрах), определяющую недостаточность вихревого следа (воздушного потока), создаваемого вентилятором ниже по потоку от лопатки вентилятора, причем указанную ширину рассчитывают в точке, где на соответствующую часть создаваемого воздушного потока приходится половина максимальной кинетической энергии K_max турбулентности, следовательно, в указанном следе; при этом величина е может быть оценена исходя из условия (где - интегральный масштаб воздушного потока, создаваемого вентилятором в окружном направлении), в пределах 40%, и

представляет расстояние (в метрах) между двумя лопатками вентилятора, расположенными последовательно в окружном направлении (см. фиг.13),

c) число зубцов, впадин или периодов повторения элементарной геометрической конфигурации вдоль длины передней кромки зубчатого профиля составляет 40% или менее от количества первых направляющих лопаток (IGV).

В данном тексте:

- размерные параметры (амплитуда, расстояние, скорость и др.) следует рассматривать в единицах СИ (Международная система единиц), и

- диапазон «в пределах 40%» при необходимости может быть уменьшен до значения 10%. Это приведет к дополнительному снижению шума, испускаемого указанным предкрылком с волнообразной передней кромкой при постоянной скорости вращения расположенного спереди вентилятора.

Более того, что касается индексов или показателей (i, j, k) в формулах, приведенных в данном описании, следует отметить, что, например, для показанных на фиг.13 профилей лопаток 140 вентилятора, а также расположенного ниже по потоку вихревого следа и предкрылка 16, если индексы (i, j, k):

- равны 1, то они соответствуют направлению «X» (общая ось турбомашины),

- равны 2, то они соответствуют направлению «Y» (окружное направление).

Таким образом, на фиг.13 направление протяженности передней кромки предкрылка 16 (L на фиг.2 или 13) соответствует окружному направлению «Y» или показателю «2» в

Следует также понимать, что «r» - это переменная интегрирования в вышеприведенном уравнении, относящемся к для расчета интегрального масштаба.

Если не существует собственно «хорды», как в случае предкрылка (обозначенного ниже номером 16 позиции), разделяющего воздушный поток на указанные первичный поток и вторичный поток, то выражение «в направлении хорды профиля (обозначенной ниже номером 40 позиции)» в данном случае соответствует направлению указанной общей оси.

Обычно при наличии по меньшей мере профиля с периодической элементарной геометрической конфигурацией, которая не является чрезмерно сложной, воздушный поток или струя, создаваемая вентилятором, должна обходить волнистую переднюю кромку у (вершин) зубцов и ускоряться вблизи впадин.

В данном случае, для исключения наличия чрезмерно больших областей турбулентности и/или превышения скорости на уровне зоны корпуса у передней кромки первых направляющих лопаток (IGV), предложено выполнение по меньшей мере некоторых впадин зубчатого профиля вокруг общей оси (X) с угловым смещением относительно углового положения первых направляющих лопаток (IGV) так, чтобы указанные (по меньшей мере некоторые) впадины были расположены под углом между двумя первыми направляющими лопатками (IGV), следующими друг за другом в окружном направлении.

Воздушный поток, создаваемые в осевом направлении ниже по потоку от вентилятора, закручивается и сильно зависит от направления вращения и скорости вентилятора.

Для учета этих явлений и обеспечения максимально возможной эффективности поверхностей зубцов при ожидаемом акустическом воздействии, предложено выполнение отдельных зубцов проходящими под наклоном относительно параллели к указанной общей оси (X) так, чтобы они были ориентированы в направлении вращения (в целом под наклоном относительно оси X) потока, создаваемого при вращении вентилятора.

Другими словами:

- вентилятор выполнен с обеспечением вращения в заданном направлении вокруг общей оси (X) таким образом, что воздушный поток после вентилятора ориентирован в целом наклонно относительно указанной оси (X), и

- зубцы в этом случае могут быть расположены под наклоном по окружности вокруг общей оси (X), навстречу по существу наклонной ориентации воздушного потока после вентилятора, в целом навстречу указанному потоку.

Также возможно выполнение зубцов с наклоном в направлении изгиба профиля входной направляющей лопатки, так как направление воздушного потока может изменяться в зависимости от скорости вращения вентилятора.

В обоих случаях отдельные зубцы фактически являются несимметричными в осевом направлении относительно параллели к указанной общей оси (X), проходящей через вершину рассматриваемого зубца.

В принципе, наклон является одинаковым для всех зубцов, хотя возможны и разные наклоны зубцов.

Кроме того, чтобы учесть влияние вращения вентилятора и ограничить акустическое воздействие указанного закрученного воздушного потока на входные направляющие лопатки, предложено следующее:

- а) вторые направляющие лопатки (IGV) имеют общую среднюю линию кривизны, при этом по меньшей мере некоторые зубцы, расположенные по окружности вокруг общей оси (X), ориентированы в целом в направлении касательной к средней линии кривизны указанных лопаток на их передних кромках, причем касательная может образовывать ненулевой угол (β) с направлением общей оси (X) турбомашины, и/или

- б) в направлении общей оси (X) по меньшей мере некоторые из днищ впадин зубчатого профиля лежат на первой поверхности, которая поперечна указанной оси (X) и расположена дальше вниз по потоку или вверх по потоку, чем вторая поверхность, которая поперечна общей оси (X) и в которой лежат по меньшей мере некоторые передние кромки вторых направляющих лопаток (IGV).

Условие (а) обеспечивает благоприятную угловую ориентацию воздушного потока по отношению к форме входных направляющих лопаток, а условие (b) обеспечивает непрерывное направление воздушного потока далее относительно входных направляющих лопаток, так что воздушный поток налетает на указанные лопатки, продолжая при этом скользить вдоль зубцов и, следовательно, направляться непосредственно указанными зубцами.

С точки зрения формы предложено выполнение отдельных зубцов и впадин зубчатого профиля с волнообразной формой с закругленными или острыми вершинами.

Преимущество закругленных вершин заключается в локальном исключении слишком высоких концентраций механического напряжения и, таким образом, обеспечении более высокой прочности с течением времени. Преимущество острых вершин заключается в том, что они обладают повышенным потенциалом шумоподавления.

Еще одним фактором является выполнение отдельных зубцов и впадин зубчатого профиля с частично прямолинейными боковыми стенками, что обеспечивает то же самое преимущество.

Несмотря на то, что характеристики турбомашины представлены применительно к двигательной установке летательного аппарата, они могут касаться и других областей применения как на суше, так и на море.

При необходимости изобретение станет более понятным, а другие детали, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными при прочтении нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает продольный разрез (по оси X) типичной турбомашины для летательного аппарата,

фиг. 2 изображает верхнюю по потоку зону (предкрылок) разделительной стенки между первичным и вторичным потоками, выполненный в соответствии с изобретением,

фиг. 3 соответствует фрагменту III фиг.2,

фиг. 4 соответствует фрагменту IV фиг.1,

фиг. 5 и 8 изображают различные формы зубчатых профилей согласно изобретению,

фиг. 9-11 схематически изображают зубчатые профили согласно изобретению и линии воздушного потока,

фиг. 12 изображает кривую роста кинетической энергии К турбулентности первичного воздушного потока, следующего за лопаткой вентилятора на постоянной высоте лопатки в окружном направлении Y, и, в частности,

фиг. 13 изображает кривую интенсивности турбулентного воздушного потока вдоль окружного направления Y между лопатками расположенного спереди вентилятора, а также пример ужатых профилей предкрылка для разделения потока, причем на чертеже представлен предкрылок в сечении постоянного радиуса.

На фиг.1 схематически изображен турбореактивный двигатель 10 летательного аппарата 100, описанный ниже.

Гондола 12 используется в качестве наружного кожуха для различных компонентов, в том числе для расположенного спереди (слева на фиг.1) и выше по потоку (отметка AM) вентилятора 14.

Ниже по потоку (отметка AV) от вентилятора 14 воздушный поток (часть которого схематически показана под номером 38 позиции на фиг.4) разделяется с помощью разделительного предкрылка 16 кольцевой стенки 160 на первичный воздушный поток и вторичный воздушный поток. Первичный воздушный поток проходит через внутренний кольцевой воздушный канал или первичный патрубок 18 при поступлении в компрессор 22 низкого давления у впускных направляющих лопаток 24, также называемых первыми лопатками. Вторичный воздушный поток отклоняется разделительным предкрылком 16 в наружный кольцевой воздушный канал 20 (вторичный патрубок) по направлению к выходным направляющим лопаткам 26, также называемым вторыми лопатками, а затем к выпуску двигателя.

На фиг.2 более подробно показана передняя часть 161 разделительного предкрылка 16, которая имеет переднюю кромку 164, расположенную дальше всего вверх по потоку, и у которой наружная стенка 162 предкрылка 16 сходится с его внутренней стенкой 163, при этом верхняя стенка 162 образует внутреннюю границу вторичного патрубка 20.

В данном описании понятие «осевой» относится ко всему, что проходит вдоль продольной оси (X) вращения рассматриваемой части турбомашины или параллельно ей, при этом данная ось в целом является главной осью вращения турбомашины. Радиальным (ось Z) и окружным называется все, что проходит соответственно в радиальном направлении относительно оси X и вокруг нее. Все, что расположено радиально относительно оси X, является внутренним и наружным, или внешним. Таким образом, внутренняя стенка 163 является радиально внутренней стенкой разделительного предкрылка 16. Кроме того, выражения «выше по потоку» и «ниже по потоку» должны рассматриваться применительно к потоку газов в рассматриваемом турбинном двигателе (его части): данные газы входят выше по потоку и выходят ниже по потоку, в целом циркулируя параллельно вышеуказанной продольной оси вращения.

Кроме того, прилагаемые чертежи и относящиеся к ним описания выполнены применительно к обычной ортогональной системе отсчета X-Y-Z с осью X, определенной выше.

Разделительный предкрылок 16 является полым: наружная поверхность стенки 162 служит радиально внутренней границей наружного кольцевого воздушного канала 20, в который поступает вторичный поток, а внутренняя поверхность стенки 163 служит радиально внешней границей внутреннего кольцевого воздушного канала 18, в который поступает первичный поток.

Нижняя стенка 163 предкрылка 16 образует наружную оболочку компрессора 22 низкого давления.

Хотя осевое смещение (X) впускных направляющих лопаток 24 вниз по потоку от передней кромки 164 предкрылка 16 меньше, чем осевое смещение выпускных направляющих лопаток 26 от указанной кромки 164, участок передней части 161, непосредственно прилегающий к кромке 164 предкрылка 16, является свободным.

Таким образом, для обеспечения эффекта аэроакустического управления путем ограничения шума, создаваемого данной областью, предполагается, что указанная передняя кромка 164 имеет профиль 28 с последовательностью зубцов 30 и впадин 32.

Для уменьшения корреляции между источниками шума вдоль передней кромки зубчатого профиля 28, предлагается учесть некоторые или все из трех критериев для зубцов, которые могут быть, среди прочего, синусоидальными или треугольными, как показано на чертежах.

• Первый критерий: Полная шкала турбулентности.

Предложено оценивать длину X размаха зубцов и амплитуду h, исходя из интегральных масштабов турбулентности.

Более конкретно, будем считать, что зубчатый профиль 28 представляет собой волнообразные элементы, которые:

- вдоль направления (L) протяженности передней кромки 164 (фиг.2-3) имеют элементарную геометрическую конфигурацию, которая повторяет саму себя, при этом две одинаковые (или почти одинаковые, когда два последовательных зубца имеют небольшие отклонения в геометрии, составляющие до +/-15%) волнистости двух последовательных элементарных геометрических конфигураций, таких как конфигурации 34, 36 на фиг.5-6, вдоль указанного направления L расположены друг от друга на расстоянии λ, (в метрах) в данном направлении, и

-- имеют максимальную амплитуду h (в метрах), перпендикулярную данному направлению L.

Максимальная амплитуда h определяется как максимальное расстояние вдоль оси X между вершиной наиболее выступающего, если таковой имеется, зубца 30 и дном наиболее глубоких, если таковые имеются, впадин 32, как показано на фиг.3, исходя из предположения элементарной геометрической конфигурации с несколькими, предпочтительно двумя волнистостями - двумя различными зубцами 30 и двумя различными впадинами 32, в этом случае λ=λ1+λ2.

В соответствии с данным первым критерием максимальная амплитуда h задана в соответствии с соотношением:

в пределах 40%, согласно общей формуле:

где

(в м/с) - скорость воздушного потока в направлении i, между вентилятором 14 и входными направляющими лопатками 24,

- расстояние (в метрах) между двумя точками в вихревом следе вентилятора в k-м направлении, и

- интегральный масштаб воздушного потока 38 (фиг.4), создаваемого вентилятором 14 в направлении общей оси машины (фиг.2) или хорды 40 профиля (фиг.3).

(*): Для получения более подробной информации или пояснений следует обратиться к формуле (5) и связанными с ней данными, опубликованными в документе конференции Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA) «Взаимодействие аэродинамических профилей, имеющих волнообразную переднюю кромку и анизотропную турбулентность» («Wavy Leading Edge Airfoils Interacting having Anisotropic Turbulence»), AIAA 2017-3370; стр. 4/16. В документе указано, что: представляет собой i-ю составляющую скорости воздушного потока, r представляет расстояние между двумя точками в k-м направлении, n_k представляет единичный вектор в k-м направлении, а является оператором усреднения по ансамблю. Следовательно, - это интегральная шкала длины i-й и j-й составляющих указанной скорости в k-м пространственном направлении.

На основании данных определений размер зубчатости, используемый для оптимизации широкополосного шума профиля 28, должен удовлетворять условиям:

где представляют интегральные масштабы турбулентного воздушного потока 38 соответственно в направлениях хорды 40 профиля (таким образом, по существу вдоль указанной общей оси) и направлении L протяженности передней кромки 164 (см. фиг.5-8 и 13).

Данные значения используются для оптимизации снижения широкополосного шума, создаваемого предкрылком 16 в присутствии изотропного турбулентного воздушного потока.

Однако можно считать, что это не относится к воздушному потоку или вихревому следу 38 вентилятора 14, фактически не являющемуся изотропно турбулентным при работе вентилятора.

Таким образом, может быть принято решение применить следующий, второй критерий, отдельно или в комбинации с первым критерием, для эффективной адаптации к эксплуатационным особенностям предкрылка, такого как предкрылок 164.

• Второй критерий: уменьшение впадин с максимальным акустическим излучением.

Соответственно, предложено уменьшить количество впадин 32 на передних кромках 164, на которые одновременно воздействуют отдельные вихревые следы 38. Таким образом, на фиг.13 можно видеть, что максимальные уровни (зоны I_m) интенсивности (или скорости) I воздушного потока 38 находятся в вихревых следах каждой лопатки 140 вентилятора 14. Данные максимальные уровни непосредственно связаны с амплитудой акустического излучения от предкрылка 16.

Для уменьшения числа впадин 32 предложено, во-первых, применить дополнительное условие к проектированию и конструкции передней кромки 164 зубчатого профиля, чтобы предотвратить по существу одновременное столкновение единичного вихревого следа лопатки 140 вентилятора с двумя впадинами 32, расположенными последовательно в окружном направлении.

Данное условие имеет вид λ>е, где е соответствует ширине вихревого следа (воздушного потока 38, создаваемого вентилятором) вниз по потоку от лопатки 140, примерно на ее продолжении (см. фиг.13). Указанную локальную ширину следа вычисляют в точке, соответствующей половине максимальной кинетической энергии Kmax турбулентности, в вихревом следе данной лопатки, обращенной к передней кромке 164 предкрылка 16, как показано на фиг.12. Значение е может быть оценено на основании данных, полученных при испытаниях, или на основании условия в пределах 40%.

Интегральные масштабы турбулентности также могут быть оценены, исходя из расчетов вычислительной гидродинамики (CFD).

Во-вторых, предложено дополнительно применить еще одно условие, учитывающее промежуток или расстояние d между двумя лопатками 140 вентилятора, расположенными последовательно в окружном направлении; см. фиг.13, на которой расстояние d определено, как расстояние между двумя задними кромками двух последовательных лопаток вентилятора. Задача состоит в исключении максимального звукового излучения от нескольких впадин 32, обусловленного одновременным воздействием вихревого следа от нескольких лопаток 140 вентилятора. Снижение шума будет менее эффективным, если число лопаток равно числу впадин, излучающих максимальный шум.

Таким образом, в качестве другого условия для периодичности или промежутка между двумя последовательными зубцами 30, т.е. для указанного расстояния (λ), предложено следующее соотношение:

при этом:

- е представляет ширину (в метрах) турбулентного воздушного потока 38 (в техническом лексиконе называемого «вихревым следом вентилятора»), создаваемого вентилятором ниже по потоку от лопатки 140, причем указанную ширину рассчитывают в точке, где на соответствующую часть образуемого воздушного потока приходится половина максимальной кинетической энергии K_max турбулентности, предпочтительно обращенной (или близкой) к передней кромке предкрылка, см. фиг.13; при этом величина е может быть оценена исходя из условия в пределах 40% (см. вышеприведенную общую формулу), и

- d представляет расстояние (в метрах) между двумя лопатками 140 вентилятора, расположенными последовательно в окружном направлении, предпочтительно на передней кромке предкрылка (или вблизи нее), см. фиг.13.

Параметр «е» предпочтительно вычисляют в точке, наиболее близкой к передней кромке предкрылка.

• Третий критерий: расположение впадин по отношению к входным направляющим лопаткам.

Обычно поток 38 обходит переднюю кромку 164 по вершинам зубцов 30 и ускоряется вблизи дна впадин 32, см. линии потока, показанные на фиг.9-11.

Таким образом, вместо всех или некоторых из предыдущих условий или в дополнение к ним предложено применить другое условие к проектированию и конструкции передней кромки 164, имеющей зубчатый профиль, а именно условие, заключающееся в том, что число зубцов 30, впадин 32 или периодов (см. λ на фиг.5-8) повторений элементарной геометрической конфигурации по длине (направление L; соответственно, в данном случае периметр) передней кромки 164 зубчатого профиля равно, в пределах 40%, числу первых направляющих лопаток 24.

Как показано на фиг.9-11, расположение в аэродинамическом выравнивании входных направляющих лопаток 24 с зубцами 30 при условии, что число лопаток 24 и зубцов 30 у передней кромки 164 соответствует вышеуказанному соотношению, также является благоприятным.

Таким образом, для предотвращения влияния значительных зон турбулентности на переднюю кромку входных направляющих лопаток в зоне корпуса предложено выполнение по меньшей мере некоторых из впадин 32 зубчатого профиля 28 вокруг оси X смещенными под углом (в окружном направлении) относительно углового положения входных направляющих лопаток 24 так, что данные впадины 32 расположены между двумя первыми лопатками 24, следующими друг за другом в окружном направлении, как показано на фиг.9-11.

Как изображено на указанных чертежах, лопатки 24 равномерно расположены в осевом направлении (X) в последовательной группе зубцов 30, более конкретно, каждая лопатка 24 расположена по существу на одной линии вдоль оси X с вершиной зубца 30, который находится перед ней выше по потоку.

На фиг.9 данное выравнивание выполнено параллельно общей оси X. При этом отдельные зубцы 30, каждый из которых имеет вершину 31, симметричны относительно параллели к оси X, причем данная параллель проходит через вершину 31 рассматриваемого зубца 30 (см., например, параллель X1).

На фиг.10-11 входные направляющие лопатки 24 наклонены в плоскости X-Y относительно оси X под углом р. Таким образом, зубцы 30, расположенные по окружности вокруг данной оси X, могут быть наклонены под тем же углом β и в том же направлении, что и общая с зубцом лопатка 24. Как вариант, при учете влияния вращения вентилятора 14 (см. стрелку в примере, показанном на фиг.2) зубцы могут быть наклонены в направлении потока, следующего после вентилятора (который, как показано на фиг.10-11, может образовывать угол α с осью X).

С учетом первоначальных результатов проведенных испытаний предпочтительным значением угла α и/или β может быть значение от 15° до 60°. Следовательно, значение угла не является ограничением.

Таким образом, как лопатки 24 (их передние кромки), так и зубцы 30 (их передние кромки) фактически в целом обращены к воздушному потоку 38, общая наклонная ориентация U которого является результатом его составляющей Ux в направлении X и составляющей Uy в направлении Y, учитывая заданное направление вращения вентилятора 14 (стрелка S).

Кроме того, отдельные зубцы 30 являются несимметричными в осевом направлении относительно параллели (см. X'1 и Х'2 на фиг.10-11), проведенной к общей оси X также через вершину 31 рассматриваемого зубца.

Можно считать, что такое расположение имеет двойную цель. Во-первых, оно исключает взаимодействие между ускоренным и турбулентным потоком, возникающим во впадинах 32 и у передней кромки 25 входных направляющих лопаток (фиг.14-16), которое может вносить значительный вклад в широкополосной шум компрессора 22 низкого давления. Во-вторых, данное техническое решение может использоваться для оптимизации воздухозаборника данного компрессора 22 и снижения любых аэродинамических потерь.

Как изображено на фиг.10-11, отдельные первые входные направляющие лопатки/IGV 24 могут иметь среднюю линию 240 кривизны, проходящую вдоль их хорды, для учета влияния вращения вентилятора 14.

В изображенном примере верхняя поверхность 241 обращена в положительном направлении Y, а нижняя поверхность находится с противоположной стороны.

При данных условиях, а также для ограничения акустического воздействия на входные направляющие лопатки 24 закрученного воздушного потока, создаваемого, таким образом, вентилятором 14 ниже по потоку, также предложено (как показано на фиг.10-11) ориентировать зубцы 30, расположенные по окружности вокруг общей оси X, в целом в направлении касательной 42 к указанной линии 240 средней кривизны лопаток 24 у их передних кромок 25, чтобы улучшить угол атаки соответствующего потока, находящего на входные направляющие лопатки в непосредственной близости от корпуса главного канала и тем самым ограничить возможные негативные воздействия с точки зрения расслоений и/или падение энергетических показателей указанных лопаток. Под словом «общий» подразумеваются одинаковые углы, с точностью до 40%. Как показано на фиг.10-11, указанная касательная может образовывать ненулевой угол (β) с направлением общей оси (X) турбомашины, которая направлена вниз по потоку, причем указанный угол является острым в направлении потока.

Как видно из чертежей, зубцы 30 систематизированы вдоль общей оси X с их расположением выше по потоку от передних кромок 2 входных направляющих лопаток 24.

Однако для увеличения размера зубцов 30 предложено расположение (все в том же направлении оси X) по меньшей мере некоторых из днищ 320 впадин 32 зубчатого профиля 28 на первой поверхности, которая поперечна указанной оси X, обозначена Y1 на фиг.10 и Y2 на фиг.11 и расположена на том же уровне (фиг.10) или смещена дальше вверх по потоку (AM) или вниз по потоку (AV на фиг.11) относительно второй поверхности, которая также поперечна оси X и обозначена Y1 на фиг.10 и Y'2 на фиг.11 и в которой лежат по меньшей мере некоторые передние кромки 25 лопаток 24. Несмотря на приведенные изображения, все вышесказанное априори не зависит от формы вершин зубцов 30 и днищ 320 впадин 32. Также возможно расположение еще дальше вверх по потоку с обеспечением эффекта, сопоставимого с упомянутым выше.

В связи с этим отдельные зубцы 30 и впадины 32 зубчатого профиля 28 имеют волнистую форму с закругленными (фиг.10) или острыми (фиг.11) вершинами для содействия снижению ударного шума от воздушного потока, создаваемого лопастями вентилятора, а в случае волнистой формы - локальному уменьшению концентраций напряжения.

Что касается формы боковых стенок данных зубцов 30 и впадин 32, обозначенных номером 300 позиции на фиг.11, указанные стенки могут в отдельности и частично являться прямолинейными (фиг.11), что соответствует еще одному потенциально эффективному процессу изготовления. Это может обеспечить определенную декорреляцию или фазовый сдвиг между источниками шума вдоль передней кромки.

Изобретение относится к области аэроакустического управления неподвижными лопатками в турбомашине летательного аппарата или в испытательном стенде для такой турбомашины. Турбомашина с расположенным спереди вентилятором имеет кольцевую стенку (160), содержащую предкрылок (16), предназначенный для разделения потока на первичный поток и вторичный поток и имеющий переднюю кромку, входные направляющие лопатки, предназначенные для направления первичного потока, и выходные направляющие лопатки, предназначенные для направления вторичного потока. Передняя кромка предкрылка (16) имеет зубчатый профиль (28), содержащий последовательность зубцов и впадин. Изобретение обеспечивает уменьшение шума, обусловленного взаимодействием между вихревым следом лопатки вентилятора и предкрылком. 6 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Турбомашина, содержащая расположенный спереди вентилятор (14) и обеспечивающая циркуляцию в ней воздушного потока сверху вниз по потоку, причем турбомашина имеет общую ось (X), вокруг которой может вращаться указанный вентилятор, образующий при вращении вихревой след ниже по потоку, при этом турбомашина содержит:

- кольцевую разделительную стенку (160), содержащую предкрылок (16), предназначенный для разделения воздушного потока после вентилятора (14) на первичный поток и вторичный поток и имеющий переднюю кромку,

- первые направляющие лопатки (IGV 24), предназначенные для направления первичного потока (Fp),

- вторые направляющие лопатки (OGV 26), предназначенные для направления вторичного потока (Fs),

отличающаяся тем, что передняя кромка предкрылка (16) кольцевой разделительной стенки (160) имеет зубчатый профиль (28), содержащий последовательность волнистостей, содержащих зубцы (30) и впадины (32):

- которые имеют:

- элементарную повторяемую геометрическую конфигурацию вдоль направления (L) протяженности передней кромки, при этом две одинаковые волнистости двух последовательных элементарных геометрических конфигураций (34, 36) вдоль указанного направления расположены друг от друга на расстоянии (λ) в данном направлении, и

- максимальную амплитуду (h), перпендикулярную указанному направлению (L) протяженности передней кромки, и

- которые удовлетворяют по меньшей мере одному из следующих условий а), b), с):

а) максимальная амплитуда задается в соответствии с соотношением:

в пределах 40%, согласно формуле:

где

-- - интегральная шкала длины воздушного потока (3 8), создаваемого расположенным спереди вентилятором (14) в направлении хорды (40) профиля, или в направлении, параллельном общей оси (X) турбомашины,

-- - скорость воздушного потока (38) в направлении i (j), между расположенным спереди вентилятором (14) и первыми направляющими лопатками (24, IGV),

-- X - расстояние вдоль общей оси (X),

-- r - расстояние между двумя точками в вихревом следе расположенного спереди вентилятора (14), в k-м направлении,

-- n_k - единичный вектор в k-направлении,

b) расстояние (λ) соответствует следующему соотношению:

е < λ ≤ d - е, где d/λ ≠ 1, 2, 3, …, при этом:

-- e представляет ширину воздушного потока (38), создаваемого расположенным спереди вентилятором (14), в вихревом следе одной из лопаток (140) указанного вентилятора (14),

-- d представляет расстояние между двумя лопатками (140) расположенного спереди вентилятора (14), расположенными последовательно в окружном направлении,

причем указанная ширина е рассчитывается в точке, соответствующей половине максимальной кинетической энергии K_max турбулентности, образованной в указанном следе; при этом величина е оценивается исходя из условия , в пределах 40%, где

- интегральная шкала длины воздушного потока (38), создаваемого расположенным спереди вентилятором (14) в окружном направлении профиля, или вентилятором в направлении (L) протяженности передней кромки (164),

c) число зубцов (30), впадин (32) или периодов повторения элементарной геометрической конфигурации вдоль длины передней кромки равно, в пределах 40%), числу первых направляющих лопаток (24, IGV).

2. Турбомашина по п. 1, в которой:

- первые направляющие лопатки (24, IGV) наклонены относительно общей оси (X) под углом β), и

- по меньшей мере некоторые впадины (32) зубчатого профиля (28) вокруг общей оси (X) смещены под углом относительно углового положения (β) первых направляющих лопаток (24, IGV) так, что указанные по меньшей мере некоторые впадины (32) расположены под углом между двумя указанными первыми направляющими лопатками (24, IGV), следующими друг за другом в окружном направлении.

3. Турбомашина по одному из предыдущих пунктов, в которой:

- расположенный спереди вентилятор (14) выполнен с обеспечением вращения в заданном направлении (Y) вокруг общей оси (X) таким образом, что воздушный поток (38) после вентилятора ориентирован в целом наклонно относительно указанной оси (X) под углом (α), и

- зубцы расположены под наклоном по окружности вокруг общей оси (X), навстречу по существу наклонной ориентации (α) воздушного потока после расположенного спереди вентилятора (14), в целом навстречу указанному потоку.

4. Турбомашина по одному из предыдущих пунктов, в которой:

- отдельные первые направляющие лопатки (24, IGV) имеют среднюю линию (240) кривизны и переднюю кромку (25), и

- отдельно взятые зубцы 30, расположенные по окружности вокруг общей оси (X), ориентированы в целом в направлении касательной (42) к указанной средней линии (240) кривизны первых направляющих лопаток (24, IGV), проходя по передней кромке (25), причем указанная касательная образует ненулевой угол (β) относительно направления общей оси (X) турбомашины.

5. Турбомашина по одному из предыдущих пунктов, в которой:

- впадины (32) зубчатого профиля (28) имеют днища (320), и

- в направлении общей оси (X), по меньшей мере некоторые из днищ (320) впадин лежат на первой поверхности (Y1, Y2), поперечной указанной общей оси (X) и расположенной дальше вниз по потоку или вверх по потоку, чем вторая поверхность (Y'1, Y'2), которая поперечна общей оси (X) и в которой лежат по меньшей мере некоторые из передних кромок (25) первых направляющих лопаток (24, IGV).

6. Турбомашина по одному из предыдущих пунктов, в которой отдельные зубцы (30) и впадины (32) зубчатого профиля имеют волнообразную форму с закругленными или острыми вершинами (31).

7. Турбомашина по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она предназначена для приведения в движение летательного аппарата (100).