ЛОПАТКА КОМПРЕССОРА, ВЕНТИЛЯТОРА ИЛИ ТУРБИНЫ
COMPRESSOR BLADE, FAN OR TURBINE BLADE

Изобретение относится к области двигателестроения газотурбинных двигателей, вентиляторов, турбин, как самих газотурбинных двигателей, так и паровых турбин.
Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора патент US №6071077, МПК F04D 29/34, перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющийся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Недостатком является неблагоприятный характер колебаний и пониженная степень аэродинамического демпфирования.
Известна рабочая лопатка вентилятора или компрессора патент РФ №2381388, МПК F04D 29/38, в котором техническим результатом является изменение характера колебаний, снижение уровня динамических напряжений в них и улучшение аэродинамических и акустических характеристик. Общим недостатком обоих изобретений является незначительное увеличение эффективности рабочих лопаток.
Предлагаемый способ повышения эффективности рабочей лопатки вентилятора, компрессора или турбины позволяет не только значительно увеличить степень сжатия в каждой ступени или осуществить отбор энергии, но и уменьшить сопротивление потоку и нагрев воздуха в результате улучшения условий обтекания.
Целью изобретения является создание рабочей лопатки вентилятора, компрессора или турбины, которая имеет лучший КПД и высокое аэродинамическое качество. Поставленная цель достигается тем, что на нижней кромке лопатки создается система глухих отверстий, перпендикулярных хорде или наклоненных в сторону движения потока. Отверстия могут быть круглыми, эллипсоидными, коническими с основанием на нижнюю кромку, пирамидальными с основанием на нижнюю кромку или квадратными. Во всех случаях эффективность системы определяется отношением длины отверстий к площади сечения или средней площади сечения. Чем больше длина в «калибрах», тем выше эффективность отверстий. Эжектируемый движением потока, обтекающего нижнюю кромку лопатки, воздух, газ или пар отсасывается из заглушенных отверстий, тем самым снижая давление в отверстиях. Реакция среды на пустоты создает давление на нижнюю кромку, которое значительно превышает давление, вызванное разностью скоростей обтекания верхней и нижней кромки. Таким образом, подъемная сила создается не за счет разности скоростей потока, а за счет реакции среды на пустоты и так как она в несколько раз превышает подъемную силу стандартной лопатки, то при сложении она является основной результирующей подъемной силой.
Управление эффективностью (ее изменение) осуществляется изменением угла атаки лопатки на положительные или отрицательные углы.
При использовании обычной аэродинамической схемы лопатки с характерной кривизной на верхней кромке лопатки, увеличение подъемной силы происходит с увеличением угла атаки лопатки. На ней как обычно возникает разница давлений за счет разности скоростей обтекания и вызванная этой разностью подъемная сила, направленная вверх. Нижняя кромка, снабженная в большом количестве наклоненными в сторону движения потока глухими отверстиями, также обтекается набегающим потоком и за счет эжекторного эффекта в отверстиях создается разрежение, которое увеличивается с увеличением угла атаки, так как увеличивается угол эжектирования.
При варианте «перевернутой лопатки», то есть когда характерная кривизна находится на нижней кромке лопатки, и также на нижней кромке расположено большое количество глухих отверстий, перпендикулярных хорде или наклоненных в сторону потока, увеличение подъемной силы происходит при увеличении отрицательных углов атаки до срыва потока. Это происходит потому, что на нижней кромке за счет характерной кривизны при увеличении отрицательного угла атаки возрастает по сравнению с верхней кромкой скорость обтекания в пограничном слое и тем самым резко возрастает эжекторный эффект. Так как подъемная сила «перевернутой лопатки», создаваемая за счет разности обтекания потоками верхней и нижней кромок направлена в этом случае вниз, то при векторном сложении с результирующей силой, возникающей в глухих отверстиях, она вычитается из нее. Результирующая сила больше и тем самым мы получаем выигрыш в общей силе. Это можно использовать при малых скоростях обтекания лопаток на компрессорах или на турбинах низкого давления для увеличения КПД.
Работа лопатки иллюстрируется с помощью чертежей:
На фиг. 1 показана описываемая лопатка;
На фиг. 2 – вариант с выпуклой кривизной на верхней кромке;
На фиг. 3 – вариант с выпуклой кривизной на нижней кромке.
Описываемая лопатка 1 с глухими отверстиями 2 имеет нижнюю кромку 3 и верхнюю кромку 4.
Лопатка работает следующим образом. Для увеличения эффективности лопатки 1 она снабжена глухими отверстиями 2, расположенными на нижней кромке лопатки 3 перпендикулярно хорде или с наклоном в сторону потока. Нижняя кромка 3 лопатки обдувается набегающим потоком, при этом из отверстий 2 отсасывается (эжектируется) воздух, образуя суммарную зону пониженного давления. Чем больше угол атаки лопатки, тем больше эжектирующий эффект за счет большей скорости обтекания и соответственно больших углов эжектирования. Зоной создания подъемной силы лопатки с помощью глухих отверстий теоретически можно считать от 0 градусов до зоны срыва потока - это зависит от скорости набегающего потока и формы лопатки. Формирование подъемной силы зависит от глубины глухих отверстий, диаметра отверстий или их средней площади, их наклона по потоку, суммарной площади отверстий на нижней кромке, скорости потока и его угла по отношению к нижней кромке.
Так как эффективность лопатки формируется за счет эжекции воздуха, газа или пара из отверстий, нижняя кромка имеет суммарное давление, вызванное реакцией среды на пустоты, существенно больше верхней и создает существенно большую подъемную силу по отношению к обычной лопатке на тех же скоростях и углах атаки соответственно в минусовую и плюсовую сторону.
Таким образом, использование изобретения позволяет достичь существенного выигрыша в энергетике вентилятора, компрессора или отбора мощности в турбине за счет создания значительно большей подъемной силы при одинаковых затратах энергии.