ДЕТАЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С НЕОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
TURBOMACHINE COMPONENT WITH NON-AXISYMMETRIC SURFACE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к детали газотурбинного двигателя, содержащей лопатки и площадку, имеющую неосесимметричную поверхность.
Уровень техники
Вентилятор (или "fan") является вращающейся деталью большого диаметра на входе в двухконтурный газотурбинный двигатель, образованной по существу конической ступицей ("spinner"), на которой закреплены расположенные радиально лопатки, как показано слева на фиг. 1 (позиция 1). Вентилятор сжимает большую массу холодного воздуха, частично нагнетаемую в компрессор, при этом остальная часть образует цилиндрический поток, огибающий двигатель и направляемый в заднем направлении для создания тяги.
Оптимизация КПД и характеристик вентилятора состоит, в частности, в увеличении массового расхода потока воздуха, проходящего через лопатки.
Для увеличения этого массового расхода можно изменить параметры лопатки вентилятора или изменить стенки проточного тракта, то есть совокупность каналов между лопатками для потока текучей среды (иначе говоря, межлопаточные сечения), в частности, на уровне ступицы («ножки вентилятора», то есть части вентилятора, которая находится напротив первого колеса бустера, иначе говоря части лопатки вентилятора, которая питает воздухом напрямую компрессор низкого давления и которая, следовательно, образует его первое подвижное колесо).
Действительно, было установлено, что эти геометрические формы (пример которых показан на фиг. 2а) еще можно усовершенствовать: поиск оптимальной аэромеханической геометрии на «ножках вентилятора» (то есть в основании лопаток на сопряжении со ступицей) приводит сегодня к получению деталей, имеющих локально неосесимметричную стенку (то есть не круглое сечение в плоскости, перпендикулярной к оси вращения) на уровне проточного тракта, учитывая особые условия на этом уровне. Неосесимметричный проточный тракт образует в основном кольцевую поверхность трехмерного пространства («срез» газотурбинного двигателя).
Так, в документе ЕР 1126132 предложена геометрия неосесимметричного проточного тракта (см. фиг. 2b), в котором стенка площадки лопатки (иначе говоря, локальная поверхность ступицы вентилятора, на уровне которой закреплена лопатка) имеет, в частности, выемку, проходящую вдоль лопаток.
Вместе с тем, оказалось, что неосесимметричный проточный тракт ухудшает характеристики потока, проходящего через вентилятор. Действительно, если рассматривать «нормальную» ситуацию с осесимметричным трактом, после вычислений типа Навье-Стокса 3D выполнение неосесимметричного проточного тракта показало большие аэродинамические срывы потока у ножки вентилятора на передней кромке лопаток. Кроме этого отрицательного аэродинамического эффекта, характеристики вентилятора ухудшились, и этот аэродинамический срыв оказался очень вредным для работоспособности вентилятора (в частности, для КПД, степени сжатия и питания бустера).
Поэтому желательно получить новую геометрическую форму проточного тракта у ножки вентилятора, которая не имеет проблем срыва потока, характерных для известных решений, и которая обеспечивает максимальные КПД и производительность.
Раскрытие изобретения
Таким образом, настоящим изобретением предложена деталь или узел газотурбинного двигателя, содержащая по меньшей мере первую и вторую лопатки и площадку, от которой отходят лопатки, согласно изобретению, площадка имеет неосесимметричную поверхность, ограниченную первой и второй крайней плоскостью и образованную по меньшей мере двумя кривыми построения класса С1, каждая из которых отображает значение радиуса указанной поверхности в зависимости от положения между корытцем первой лопатки и спинкой второй лопатки по плоскости, по существу параллельной крайним плоскостям, в том числе:
- по меньшей мере одной входной кривой;
- выходной кривой, расположенной между первой кривой и задней кромкой первой и второй лопаток и связанной с осевым положением, находящимся между 50% и 80% относительной длины хорды лопатки, проходящей от передней кромки к задней кромке лопатки;
при этом каждая кривая построения образована по меньшей мере одной крайней контрольной точкой корытца и одной крайней контрольной точкой спинки соответственно на каждой из первой и второй лопаток, между которыми расположена указанная поверхность, при этом:
- касательная к выходной кривой в крайней контрольной точке спинки наклонена не более чем на 5°;
- любая другая касательная к кривой построения в крайней контрольной точке наклонена не менее чем на 5°.
Эта особая неосесимметричная геометрия поверхности детали с более пологим наклоном позволяет избегать аэродинамического срыва.
Это же позволяет повысить КПД и степень сжатия у ножки вентилятора.
Согласно другим предпочтительным и не ограничительным отличительным признакам:
- касательная к выходной кривой в крайней контрольной точке спинки наклонена не более чем на 2°;
- каждая входная кривая связана с осевым положением вдоль хорды лопатки, при котором кривые расположены через равномерные промежутки с точки зрения относительной длины хорды лопатки;
- поверхность образована четырьмя входными кривыми, в том числе первой кривой атаки, второй кривой атаки, первой центральной кривой и второй центральной кривой;
- касательные к кривым построения в крайних контрольных точках имеют наклоны:
- от 5° до 20° для первой кривой атаки;
- от 10° до 30° для второй кривой атаки;
- от 10° до 25° для первой центральной кривой;
- от 5° до 20° в крайней контрольной точке корытца и от 5° до 15° в крайней контрольной точке спинки для второй центральной кривой;
- от 5° до 10° в крайней контрольной точке корытца для выходной кривой;
- касательные к кривым построения в крайних контрольных точках имеют наклоны:
- от 10° до 15° для первой кривой атаки;
- от 20° до 25° для второй кривой атаки;
- от 15° до 20° для первой центральной кривой;
- от 10° до 15° в крайней контрольной точке корытца и от 5° до 10° в крайней контрольной точке спинки для второй центральной кривой;
- от 5° до 10° в крайней контрольной точке корытца для выходной кривой;
- каждая кривая построения образована также промежуточной контрольной точкой корытца и промежуточной контрольной точкой спинки, соответственно вблизи первой и второй лопаток, между которыми расположена указанная поверхность, при этом:
- крайняя и промежуточная контрольные точки спинки выходной кривой имеют разность абсциссы не менее 15 мм;
- все другие крайние и промежуточные контрольные точки спинки или корытца кривой построения имеют разность абсциссы не более 20 мм;
- деталь или узел выполнена таким образом, что:
- все крайние и промежуточные контрольные точки спинки или корытца входной кривой имеют разность абсциссы, составляющую от 5 до 15 мм;
- крайние и промежуточные контрольные точки спинки выходной кривой имеют разность абсциссы, составляющую от 15 до 30 мм;
- крайние и промежуточные контрольные точки корытца выходной кривой имеют разность абсциссы, составляющую от 5 до 15 мм;
- каждая кривая построения полностью определена восемью параметрами, в том числе:
- наклоном касательной к кривой в крайней контрольной точке спинки;
- наклоном касательной к кривой в крайней контрольной точке корытца;
- разностью абсциссы между крайней и промежуточной контрольными точками спинки кривой;
- разностью абсциссы между крайней и промежуточной контрольными точками корытца кривой;
- коэффициентом натяжения левой полукасательной к кривой в промежуточной контрольной точке спинки;
- коэффициентом натяжения правой полукасательной к кривой в промежуточной контрольной точке спинки или в крайней контрольной точке спинки;
- коэффициентом натяжения левой полукасательной к кривой в промежуточной контрольной точке корытца или в крайней контрольной точке корытца;
- коэффициентом натяжения правой полукасательной к кривой в промежуточной контрольной точке корытца;
- каждая кривая построения смоделирована при помощи средств обработки данных в ходе следующих этапов:
1
(а) Параметризация кривой построения в качестве кривой класса С, отображающей значение радиуса указанной поверхности в зависимости от положения между корытцем первой лопатки и спинкой второй лопатки, при этом кривая образована:
- двумя крайними контрольными точками соответственно на каждой из двух лопаток, между которыми расположена указанная поверхность;
- по меньшей мере одним сплайном;
при этом параметризацию осуществляют по одному или нескольким параметрам, определяющим по меньшей мере одну из контрольных точек;
(b) Определение оптимизированных значений указанных параметров указанной кривой.
- деталь или узел является вентилятором для двухконтурного газотурбинного двигателя.
Вторым объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий деталь, являющуюся первым объектом изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 (уже описана) показан пример газотурбинного двигателя;
на фиг. 2а-2b (уже описаны) показаны два примера известной геометрии ножки вентилятора с неосесимметричной площадкой и без нее;
на фиг. 3а-3b показан предпочтительный вариант осуществления детали в соответствии с изобретением;
на фиг. 4 показан предпочтительный вариант осуществления детали в соответствии с изобретением;
на фиг. 5а-5с представлено отображение отрицательных осевых скоростей для нескольких геометрий.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 3а, настоящая деталь 1 (или узел, если деталь не является моноблочной) газотурбинного двигателя содержит по меньшей мере две последовательные лопатки 3Е, 3I и площадку 2, от которой отходят лопатки 3Е, 3I. В данном случае термин «площадка» следует понимать в широком смысле, и он обозначает в целом любой элемент газотурбинного двигателя, на котором можно установить (в радиальном направлении) лопатки 3Е, 3I и который имеет стенку, вдоль которой проходит воздух.
В частности, площадка 2 может быть моноблочной или может быть образована множеством элементов, на каждом из которых установлена одна лопатка 3Е, 3I («ножка» лопатки), образуя единую лопатку, показанную на фиг. 3а. В представленном примере речь идет о «присоединяемых» площадках, то есть разделенных лопатками (они являются независимыми деталями). Существуют также «интегрированные» площадки (которые будут упомянуты ниже), при которых каждая лопатка связана с «половиной» площадки, и соединение между двумя соседними площадками находится в этом случае посередине проточного тракта. Понятно, что настоящее изобретение не ограничивается какой-либо частной конструкцией площадки 2.
Кроме того, площадка 2 ограничивает радиально внутреннюю стенку детали 1 (воздух проходит вокруг), образующую ступицу. Понятно, что, как было указано выше, деталь 1 или узел предпочтительно является вентилятором.
Поверхность площадки
Настоящая деталь 1 отличается особой (неосесимметричной) геометрией поверхности S площадки 2 детали 1, предпочтительный пример моделирования которой представлен на фиг. 3а и 3b.
Поверхность S проходит между двумя лопатками 3Е, 3I, которые ее ограничивают в тангенциальном направлении (показаны на фиг. 3а, но не на фиг. 3b, чтобы лучше видеть поверхность S. Тем не менее, видно их основание).
Действительно, поверхность S является частью более значительной поверхности, образующей по существу форму тора вокруг детали 1. При предположении (но не ограничительном) наличия периодичности по окружности детали 1 (то есть, если лопатки 3Е, 3I являются идентичными и равномерно распределены) стенка образована множеством идентичных поверхностей, повторяющихся между каждой парой лопаток 3Е, 3I.
Таким образом, поверхности S’, тоже показанные на фиг. 2, являются копией поверхности S.
На этой же фигуре показана линия, делящая каждую из поверхностей S и S’ на две половины. Эта конструкция соответствует варианту осуществления типа вышеупомянутых «интегрированных площадок», в котором площадка 2 состоит из множества элементов. Каждый из этих элементов образует проточный тракт у ножки вентилятора. Таким образом, проточный тракт у ножки вентилятора расположен с двух сторон от лопатки 3Е, 3I, поэтому поверхность S содержит две расположенные рядом поверхности, связанные с двумя разными ножками лопаток (узел лопатка/проточный тракт у ножки лопатки). Как было указано выше, понятно, что настоящее изобретение не ограничивается какой-либо одной частной конструкцией площадки 2.
На входе поверхность S ограничена первой крайней плоскостью, то есть плоскостью раздела» PS, и на выходе второй крайней плоскостью, то есть «плоскостью сопряжения» PR, каждая из которых образует осесимметричный контур, который является сплошным и имеет сплошную производную (кривую, соответствующую пересечению между каждой из плоскостей PR и PS, и поверхность детали 1 в целом является замкнутой и образует петлю). Поверхность S имеет по существу форму «параллелограмма» и проходит в осевом направлении (вдоль оси двигателя) между двумя крайними плоскостями PS, PR и в тангенциальном направлении между двумя лопатками 3Е, 3I пары последовательных лопаток. Одна из лопаток этой пары лопаток является первой лопаткой 3I или лопаткой корытца. Действительно, ее корытце находится на поверхности S. Другая лопатка является второй лопаткой 3Е или лопаткой спинки. Действительно, ее спинка находится на поверхности S. Каждая «вторая лопатка» 3Е является «первой лопаткой» 3I соседней поверхности, такой как поверхность S’ на фиг. 2 (поскольку каждая лопатка 3Е, 3I имеет корытце и спинку).
Предпочтительно поверхность S образована кривыми построения, называемыми также «плоскостями построения». Для получения геометрии настоящей поверхности S необходимо иметь по меньшей мере две, предпочтительно три, даже четыре, предпочтительно пять (и даже больше) кривых построения PCI, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5. В дальнейшем будет рассмотрен предпочтительный пример с пятью кривыми (в том числе с четырьмя «входными» кривыми (первая кривая атаки РС-1, вторая кривая атаки РС-2, первая центральная кривая РС-3 и вторая центральная кривая РС-4) и с одной «выходной» кривой РС-5), однако понятно, что только одна входная кривая среди кривых РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 и одна выходная кривая РС-5 (см. ниже) необходимы для образования неосесимметричной поверхности S.
Во всех случаях каждая кривая PC построения является кривой класса С1, отображающей значение радиуса указанной поверхности S (значение этого переменного радиуса по определению неосесимметричной площадки) в зависимости от положения между корытцем первой лопатки 31 и спинкой второй лопатки 3Е по плоскости, по существу параллельной крайним плоскостям PS, PR.
Под радиусом следует понимать расстояние между точкой поверхности и осью детали 1, как показано, например, на фиг. 4, где представлен пример кривой построения, который будет подробно описан ниже. Таким образом, осесимметричная поверхность по определению имеет постоянный радиус.
Кривые построения
Как было указано выше, неосесимметричные геометрические формы ножки вентилятора (как настоящая геометрия, так и известные геометрии) образуют «выемку» площадки. Иначе говоря, эти кривые построения имеют U-образную форму с 3 частями: 2 «боковины» (корытце и спинка) и «дно» неосесимметричного проточного тракта, которое представляет собой наиболее полую часть проточного тракта. Эта геометрия показана на фиг. 4.
Авторы изобретения обнаружили, что проблемы срыва при известных геометриях были связаны со слишком крутыми «наклонами» на уровне боковин, в частности, вблизи задней кромки лопатки спинки. Следовательно, настоящая геометрия отличается меньшим наклоном в этом месте.
Кривые построения расположены на по существу параллельных плоскостях, которые образуют «осевые» плоскости, так как они являются ортогональными к оси детали 1. Первая кривая или первые кривые РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 являются «входными» кривыми, так как расположены вблизи передней кромки ВА лопаток 3Е, 3I, между которыми они находятся (даже если эта совокупность включает в себя как кривые атаки (расположенные очень близко к передней кромке ВА), так и центральные кривые, расположенные в промежуточной части лопаток 3I, 3Е). Последняя кривая РС-5 является «выходной» кривой или кривой «схода», так как она расположена вблизи задней кромки BF лопаток 3Е, 3I, между которыми она находится.
Иначе говоря, текучая среда, проходящая в проточном тракте, последовательно встречает до двух кривых атаки и две центральные кривые РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, затем выходную кривую РС-5. Их положения не фиксированы, но каждая кривая построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 определена, в частности, осевым положением воль хорды лопатки 3Е, 3I, проходящей от передней кромки ВА до задней кромки BF лопатки 3Е, 3I. Понятно, что. в данном случае речь идет об «осевой» хорды, то есть учитывают только осевую составляющую реальной хорды: например, осевое положение, находящееся на 0% по относительной длине хорды лопатки, расположено в осевой плоскости, проходящей через переднюю кромку ВА, осевое положение, находящееся на 100% по относительной длине хорды лопатки, расположено в осевой плоскости, проходящей через заднюю кромку BF, и осевое положение, находящееся на 50% по относительной длине хорды лопатки, расположено на срединной осевой плоскости среди двух вышеупомянутых осевых плоскостей.
В такой системе координат выходная кривая РС-5 связана с осевым положением, находящимся между 50% и 80% по относительной длине хорды лопатки 3Е, 3I.
Входная кривая или входные кривые РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 связаны с осевым положением, находящимся на относительной длине хорды лопатки 3Е, 3I, меньшей относительной длины хорды лопатки выходной кривой РС-5.
Предпочтительно все кривые построения связаны с осевыми положениями, расположенными через равномерные промежутки вдоль хорды лопатки 3Е, 3I, например, через каждые 25% в случае четырех кривых или 20% в случае пяти кривых, чтобы можно было прочертить формы боковин, которых добивается проектировщик площадки (слишком малое число кривых построения ограничивает возможные формы).
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления, представленном на фиг. 3а и 3b, первая кривая атаки РС-1 связана с осевым положением, находящимся на 0% относительной длины хорды лопатки 3Е, 3I, вторая кривая атаки РС-2 связана с осевым положением, находящимся примерно на 20% относительной длины хорды лопатки 3Е, 3I, первая центральная кривая РС-3 связана с осевым положением, находящимся примерно на 40% относительной длины хорды лопатки 3Е, 3I, вторая центральная кривая РС-4 связана с осевым положением, находящимся примерно на 60% относительной длины хорды лопатки 3Е, 3I, и выходная кривая РС-5 связана с осевым положением, находящимся примерно на 80% относительной длины хорды лопатки 3. Вместе с тем, понятно, что входные кривые РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 могут быть расположены в любом месте передней части проточного тракта.
Как показано на тех же фиг. 3а и 3b, каждая кривая имеет специфическую геометрию, предусмотренную для ограничения наклона на уровне задней кромки BF, в частности, выходная кривая РС-5.
Как правило, каждая кривая построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 является сплайном, состоящим из 3 частей: 2 боковин и дна проточного тракта, как было указано выше.
Сплайны являются параметрическими полиномиальными кривыми, среди которых предпочтительно можно указать кривые Безье, определяемые как комбинации из N+1 элементарных полиномов, называемых полиномами Бернштейна: кривую Безье определяют по совокупности точек , при этом  представляет собой N+1 полиномов Бернштейна степени N.
0
1
N
Точки {Р, P…P} называются «имплицитными» контрольными точками кривой и представляют собой переменные, при помощи которых можно параметрировать кривую построения.
Эти точки называются «имплицитными», так как кривую Безье можно рассматривать как совокупность барицентров N+1 контрольных точек, взвешенных на весовой коэффициент, равный значению полинома Бернштейна, связанного с каждой контрольной точкой. Иначе говоря, эти точки действуют как локальные массы, притягивающие кривую в целом, но которая при этом через них не проходит (кроме первой и последней, соответственно на t=0 и t=1, и кроме некоторых случаев расположения точек на одной линии).
Таким образом, каждая кривая построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 образована по меньшей мере одной крайней контрольной точкой корытца и одной крайней контрольной точкой спинки, соответственно на каждой из первой и второй лопаток 3I, 3Е, между которыми расположена указанная поверхность S. Как будет показано ниже, каждая кривая построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 предпочтительно также образована одной промежуточной контрольной точкой корытца и одной промежуточной контрольной точкой спинки, соответственно вблизи первой и второй лопаток 3I, 3Е, между которыми проходит указанная поверхность S, при этом каждая из них находится между крайними контрольными точками кривой построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5. Это определение кривой по четырем точкам позволяет создавать геометрические U-образные формы, показанные на фигурах и, в частности, на фиг. 4.
Таким образом, параметр или параметры, определяющие контрольную точку, выбирают среди абсциссы точки, ординаты точки, ориентации касательной к кривой на уровне точки и одного (в случае крайней контрольной точки можно учитывать только полукасательную в области образования кривой слева или справа в зависимости от точки) или двух (в случае промежуточной контрольной точки) коэффициентов натяжения, каждый из которых связан с полукасательной к кривой на уровне точки.
Положения крайних контрольных точек заданы лопатками 3. С другой стороны, ориентации касательной к кривой в этих точках (иначе говоря, производные) позволяют контролировать наклоны поверхности S. Кривые являются такими, что:
- касательная к выходной кривой РС-5 в крайней контрольной точке спинки наклонена не более чем на 5°;
- любая другая касательная к входной кривой РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 и даже любая другая кривая касательная к кривой построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 (иначе говоря, в том числе касательная к выходной кривой РС-5 в крайней контрольной точке корытца) в крайней контрольной точке наклонена не менее чем на 5° (и предпочтительно не более чем на 30°).
Касательная к выходной кривой РС-5 в крайней контрольной точке спинки может быть даже наклонена, если это возможно, не более чем на 2°. Эта явно выраженная асимметрия выходной кривой РС-5 выражается постепенным возвращением и на большем расстоянии к почти осесимметричной геометрии на последней части проточного тракта, что ограничивает и даже устраняет аэродинамический срыв. Действительно, это постепенное возвращение к осесимметричному проточному тракту ограничивает эффект кривизны и, следовательно, ограничивает слишком резкое замедление текучей среды.
Кроме того, по меньшей мере одна входная кривая РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 имеет касательные в своих крайних контрольных точках, наклоненные по меньшей мере на 20°. В случае четырех входных кривых речь идет о второй кривой атаки РС-2 (которая имеет наиболее крутые наклоны из всех кривых построения).
Что касается касательной к выходной кривой РС-5 в крайней контрольной точке корытца, она тоже является ограниченной, в частности, до 10°. Таким образом, даже если ее наклон превышает наклон касательной к выходной кривой РС-5 в крайней контрольной точке спинки, он остается незначительным в отличие от того, что иногда встречается для проточных трактов компрессора (см. патентную заявку ЕР 2085620), где этот угол стремится к 90° (вертикальная касательная) на выходе проточного тракта.
Предпочтительно любая касательная к входной кривой РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 в крайней контрольной точке корытца больше наклонена, чем касательная к выходной кривой РС-5 в крайней контрольной точке корытца. В частности, наклон корытца может уменьшаться вдоль проточного тракта (тогда как известно, что он увеличивается) или может увеличиваться, а затем уменьшаться.
В этом последнем предпочтительном случае по меньшей мере две входные кривые РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 являются такими, что наклон касательных к каждой кривой построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 в крайней контрольной точке корытца увеличивается, затем уменьшается вдоль кривых построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 от передней кромки (ВА) к задней кромке лопатки 3I, 3Е. Иначе говоря, максимальный наклон касательной в крайней контрольной точке корытца достигается для кривой, отличной от первой кривой атаки РС-1 и от выходной кривой РС-5. На практике этот максимум достигается на уровне второй кривой атаки РС-2 (см. ниже).
Это же предпочтительно относится к наклону спинки, который может уменьшаться вдоль проточного тракта или предпочтительно увеличиваться и затем уменьшаться (наклон касательных к каждой кривой построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 в крайней контрольной точке спинки увеличивается, затем уменьшается вдоль кривых построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 от передней кромки ВА к задней кромке лопатки 3I, 3Е, при этом максимум может находиться на уровне второй кривой атаки РС-2.
Как показано на фиг. 3а и 3b, касательные к кривым построения в крайних контрольных точках предпочтительно имеют следующие наклоны:
- от 5° до 20° и предпочтительно от 10° до 15° для первой кривой атаки РС-1;
- от 10° до 30° и предпочтительно от 20° до 25° для второй кривой атаки РС-2;
- от 10° до 25° и предпочтительно от 15° до 20° для первой центральной кривой РС-3;
- от 5° до 20° и предпочтительно от 10° до 15° в крайней контрольной точке корытца; и от 5° до 15° и предпочтительно от 5° до 10° в крайней контрольной точке спинки для второй центральной кривой РС-4 (это постепенное уменьшение наклона на спинке позволяет уменьшить общий наклон проточного тракта для ограничения и даже устранения рисков срыва у ножки лопатки на задней кромке BF);
- от 5° до 10° в крайней контрольной точке корытца и около 1° в крайней контрольной точке спинки для выходной кривой РС-5.
Каждая кривая построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 определена в общей сложности восемью параметрами среди вышеуказанных параметров. Кроме наклонов касательной в каждой из крайних контрольных точек (два параметра), можно указать абсциссу каждой из промежуточных контрольных точек (два параметра) и коэффициент натяжения, связанный с каждой из полукасательных в каждой из промежуточных и/или крайних контрольных точек (четыре параметра из шести возможных полукасательных).
На практике, как показано на фиг. 4, четырьмя последними параметрами являются коэффициент натяжения левой полукасательной к кривой в промежуточной контрольной точке спинки, коэффициент натяжения правой полукасательной к кривой в крайней контрольной точке спинки, коэффициент натяжения левой полукасательной к кривой в промежуточной точке корытца и коэффициент натяжения правой полукасательной к кривой в промежуточной контрольной точке корытца.
Все коэффициенты натяжения, связанные с полукасательной в контрольной точке, могут быть равными на всех кривых построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5.
Что касается абсцисс промежуточных контрольных точек, они позволяют определить длину боковин "U", образуемых каждой кривой. Они являются такими, что:
- крайняя и промежуточная контрольные точки корытца выходной кривой РС-5 имеют разность абсциссы не менее 15 мм;
- все другие крайние и промежуточные контрольные точки спинки или корытца кривой построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 (в том числе крайняя и промежуточная контрольные точки корытца выходной кривой РС-5) имеют разность абсциссы не более 20 мм и предпочтительно не более 15 мм.
Тот факт, что боковина U является удлиненной по краю задней кромки BF, позволяет сделать наклон еще более пологим и, следовательно, еще больше ограничить эффекты срыва у ножки лопатки.
Как показано на фиг. 3а и 3b, предпочтительно:
- все крайние и промежуточные контрольные точки спинки или корытца входной кривой РС-1, РС-2, РС-3, РС-4 имеют разность абсциссы, составляющую от 5 до 15 мм и предпочтительно от 10 до 15 мм;
- крайние и промежуточные контрольные точки спинки выходной кривой РС-5 имеют разность абсциссы, составляющую от 15 до 25 мм и предпочтительно от 15 до 20 мм;
- крайние и промежуточные контрольные точки корытца выходной кривой РС-5 имеют разность абсциссы, составляющую от 5 до 15 мм и предпочтительно от 5 до 10 мм.
Моделирование поверхности
Определение поверхности через 2-5 кривых построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 облегчает автоматическую оптимизацию неосесимметричного проточного тракта и, следовательно, детали 1.
Таким образом, каждую кривую построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 можно моделировать путем осуществления следующих этапов:
(a) Параметризация кривой построения РС-1, РС-2, РС-3, РС-4, РС-5 в качестве кривой класса С1, отображающей радиус указанной поверхности S в зависимости от положения между корытцем первой лопатки 31 и спинкой второй лопатки 3Е, при этом кривая образована:
- двумя крайними контрольными точками соответственно на каждой из двух лопаток 3Е, 3I, между которыми расположена указанная поверхность S (и предпочтительно двумя промежуточным контрольными точками соответственно вблизи двух лопаток 3I, 3Е, при этом каждая из них находится между крайними контрольными точками);
- по меньшей мере одним сплайном;
при этом параметризацию осуществляют по одному или нескольким параметрам, определяющим по меньшей мере одну из крайних контрольных точек;
(b) Определение оптимизированных значений указанных параметров указанной кривой.
Эти этапы осуществляют при помощи компьютерного оборудования, содержащего средства обработки данных (например, суперЭВМ с программой САПР).
Некоторые параметры крайних или промежуточных контрольных точек, например, интервалы наклона касательных, устанавливают таким образом, чтобы соблюдать необходимые условия наклона.
В качестве критериев, оптимизируемых во время моделирования каждой кривой, можно выбрать самые разные критерии. Например, можно попробовать максимизировать механические свойства, такие как стойкость к механическим напряжениям, частотные Ответные реакции, перемещения лопаток 3Е, 3I, аэродинамические свойства, такие как КПД, повышение давления, пропускная способность или предел помпажа и т.д.
Для этого необходимо произвести параметризацию закономерности, которую необходимо оптимизировать, то есть сделать из нее функцию N входных параметров. При этом оптимизация состоит в изменении (как правило, произвольном) этих различных параметров под напряжением вплоть до определения их оптимальных значений для заранее определенного параметра. Затем получают «сглаженную» кривую путем интерполяции при помощи определенных проходных точек.
Количество необходимых вычислений при этом напрямую связано с количеством входных параметров задачи. Действительно, чаще всего количество вычислений для правильной поверхности ответа равно квадрату числа параметров.
Известны многие методы, но предпочтительно применять метод, подобный описанному в патентной заявке FR 1353439, который обеспечивает высокое качество моделирования без чрезмерного потребления вычислительной мощности и с одновременным ограничением феномена Рунге (чрезмерная «волнистость» поверхности).
Необходимо отметить, что лопатка 3Е, 3I соединена с площадкой 2 через кривую сопряжения (показана на фиг. 2b), которая может быть объектом специального моделирования, в частности, через использование сплайнов и контрольных точек пользователя.
Эффект геометрий
Тесты анализа отрицательных осевых скоростей (характеристики явлений срыва) вдоль лопатки спинки ЗЕ были проведены для трех геометрий: осесимметричная геометрия (фиг. 5а), неосесимметричная геометрия из известного технического решения (фиг. 5b) и настоящая неосесимметричная геометрия (фиг. 5с).
На фиг. 5b ясно видно появление «кармана» отрицательной осевой скорости на задней кромке BF, отображающее феномен срыва.
С другой стороны, на фиг. 5с этот феномен практически пропал, и произошло возвращение к качеству потока осесимметричной геометрии (фиг. 5а).