ВХОДНАЯ ЛОПАСТЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЕНТИЛЯТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE INLET BLADE; GAS TURBINE ENGINE FAN AND GAS TURBINE ENGINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области подвижных лопастей газотурбинного двигателя, таких как лопасти вентилятора газотурбинного двигателя.
Предшествующий уровень техники
Лопасти вентилятора газотурбинного двигателя вращаются со скоростями, которые вызывают дозвуковые и сверхзвуковые скорости вращения газового потока, проходящего через вентилятор. Несмотря на то, что повышенные скорости потока позволяют, в частности, увеличить производительность газотурбинного двигателя, они вместе с тем вызывают неудобства, связанные с высоким уровнем шума. Высокий уровень шума обусловлен, помимо прочего, «ультразвуковым ударом», соответствующим переходу от сверхзвуковых скоростей к дозвуковым скоростям газового потока. Другие процессы взаимодействия, являющиеся причиной турбулентности газового потока вблизи вентилятора (широкополосный шум), также являются источниками шума.
Постоянно ведутся работы по усовершенствованию лопастей вентилятора, которые позволили бы повысить производительность при уменьшении шума, вызываемого газовым потоком. Более того, при разработке таких лопастей должны быть учтены многие другие параметры, такие как аэродинамические и механические характеристики лопастей. Действительно, лопасти должны быть выполнены таким образом, чтобы оптимизировать расход и давление проходящего через них газового потока с сохранением высокой механической прочности. В частности, при повышенных скоростях вращения механические напряжения, испытываемые лопастями, являются очень высокими из-за повышенного уровня вибраций и центробежной силы, прикладываемых к лопастям.
Известны лопасти вентилятора с различными геометриями. Они принципиально характеризуются законами наборов лопастных секций, их общей кривой и возможным наличием изгибов для улучшения аэродинамических свойств и уменьшения шума, создаваемого вентилятором. Однако ни одна из этих лопастей не позволяет добиться эффективного аэродинамического функционирования при всех условиях использования газотурбинного двигателя, в частности, при высоком режиме (например, при взлете и окончании набора высоты самолета) и частном режиме (например, при заходе на посадку самолета), учитывая нормы шума, которые становятся все более и более жесткими.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков: за счет новой геометрии лопасти газотурбинного двигателя, которая позволяет гарантировать оптимальное аэродинамическое функционирование во всех режимах работы газотурбинного двигателя при уменьшении создаваемого шума.
Эта задача решается благодаря лопасти, выполненной с набором секций, уложенных по радиальной оси, при этом каждая секция простирается в направлении продольной оси между ребром атаки и задней кромкой лопасти, а по тангенциальной оси - между нижней поверхностью и спинкой попасти, при этом набор секций лопасти разделен по радиальной оси на нижний, средний и верхний наборы, причем нижний набор простирается от основания лопасти до нижней границы среднего набора, средний набор простирается от нижней границы до своей верхней границы, и верхний набор простирается от верхней границы среднего набора до верхнего края лопасти, в которой согласно изобретению:
проекция линии, связывающей ребра атаки секций лопасти нижнего набора на меридиональную плоскость, образованную продольной осью и радиальной осью, образует с радиальной осью первый угол наклона в сторону ребра атаки, составляющий от 10 до 25°;
проекция линии, связывающей ребра атаки секций лопасти среднего набора на меридиональную плоскость, образует с радиальной осью второй угол наклона в сторону задней кромки лопасти, составляющий от 10 до 25°;
проекция линии, связывающей ребра атаки секций лопасти верхнего набора на меридиональную плоскость, образует с радиальной осью третий угол наклона в сторону задней кромки лопасти, составляющий от 20 до 50°; и
нижняя граница среднего набора секций лопасти составляет от 30 до 40% общей радиальной высоты набора секций лопасти, измеренной от основания лопасти.
Заявителем установлено, что наличие выпуклости (соответствующей нижней границе среднего набора) на высоте, составляющей от 30 до 40% общей высоты лопасти, сочетающейся с углами наклона линии ребра жесткости, определенными выше, позволяет значительно улучшить аэродинамические эксплуатационные качества газотурбинного двигателя, в частности, на высоком режиме. При повышенной мощности это выражается в резком повышении производительности вентилятора газотурбинного двигателя, снабженного такими лопастями. Акустические характеристики лопасти также улучшаются. Кроме того, лопасть по изобретению удовлетворяет критериям механического равновесия и технологичности при изготовлении из композитных материалов.
Предпочтительно, чтобы в нижнем наборе была предусмотрена линия, связывающая центры тяжести секций лопасти, проекция которой на тангенциальную плоскость, образованную тангенциальной осью и радиальной осью, образует с радиальной осью первый тангенциальный угол наклона, расположенный между -10 и 10°; в среднем наборе была предусмотрена линия, связывающая центры тяжести секций лопасти, проекция которой на тангенциальную плоскость образует с радиальной осью второй тангенциальный угол наклона, расположенный между -20 и 0°, а в верхнем наборе была предусмотрена линия, связывающая центры тяжести секций лопасти, проекция которой на тангенциальную плоскость образует с радиальной осью третий тангенциальный угол наклона, расположенный между -40 и -20°.
Предпочтительно, чтобы проекция линии, связывающей ребра атаки секций лопасти верхнего края верхнего набора секций, на меридиональную плоскость формировала с радиальной осью Z-Z четвертый угол наклона в сторону ребра атаки.
Средний и верхний наборы секций могут иметь одинаковую высоту в радиальном направлении.
Объектом изобретения является также вентилятор и газотурбинный двигатель, снабженные множеством описанных выше лопастей.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
фиг.1 изображает вид в продольном и частичном разрезе вентилятора газотурбинного двигателя, снабженного лопастями согласно изобретению;
фиг.2А и 2В изображают виды лопасти в меридиональной плоскости и тангенциальной плоскости;
фиг.3 изображает вид в меридиональной плоскости лопасти согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.4 изображает кривую, показывающую увеличение производительности, получаемой с помощью лопасти согласно изобретению, по сравнению с производительностью лопасти из известного уровня техники.
Фиг.1 изображает в схематическом виде вентилятор 2 газотурбинного двигателя самолета. Он состоит из множества лопастей 4, равномерно распределенных вокруг диска 6 (или ступицы) ротора, отцентрованного по продольной оси Х-Х вентилятора.
Как известно, каждая лопасть содержит тело лопасти 8, основание 10 и верхний край 12. Основание 10 лопасти установлено на диске 6 ротора и соединено с телом лопасти 8 посредством платформы 14, ограничивающей нижнюю струю 16 газового потока, проходящего через вентилятор. Диск 6 ротора приводится во вращение вокруг продольной оси Х-Х в направлении, показанном стрелкой 18. Верхний край 12 лопасти размещен вблизи внутренней поверхности 20 неподвижного кольцевого корпуса вентилятора, при этом поверхность 20 ограничивает струю 16 сверху.
Тело лопасти 8 выполнено с набором секций 22 лопасти по радиальной оси Z-Z, перпендикулярной оси Х-Х. Секции 22 лопасти размещены на возрастающих радиальных промежутках по продольной оси Х-Х. В результате набор секций формирует аэродинамическую поверхность, которая простирается по продольной оси Х-Х между ребром атаки 24 и задней кромкой 26 лопасти и по тангенциальной оси Y-Y вентилятора между нижней поверхностью и спинкой лопасти (эти поверхности не показаны на чертежах).
Следует отметить, что продольная ось Х-Х, тангенциальная ось Y-Y и радиальная ось Z-Z вентилятора образуют, таким образом, прямой ортонормальный трехгранник.
Как показано на фиг.2А и 2В, набор секций 22 лопасти разделен по радиальной оси Z-Z на нижний набор 28, средний набор 30 и верхний набор 32.
Начиная от основания 10 лопасти, нижний набор 28 простирается по радиальной оси Z-Z от основания до нижней границы 34 среднего набора 30. Проекция линии 28а, связывающей ребра атаки 24 секций лопасти нижнего набора 28, на меридиональную плоскость, образованную продольной осью Х-Х и радиальной осью Z-Z и представленную на фиг.2А, образует с радиальной осью первый угол α наклона в сторону ребра 24 атаки лопасти (то есть к передней части вентилятора).
Средний набор 30 простирается по радиальной оси Z-Z между нижней границей 34 и верхней границей 36. Проекция линии 30а, связывающей ребра атаки 24 секций лопасти среднего набора 30, на меридиональную плоскость образует с радиальной осью второй угол β наклона в сторону задней кромки 26 лопасти (то есть к задней части вентилятора).
Верхний набор 32 простирается по радиальной оси Z-Z между верхней границей 36 среднего набора 30 и верхним краем 12 лопасти. Предпочтительно, чтобы средний набор 30 и верхний набор 32 простирались на одинаковую радиальную высоту. Проекция линии 32а, связывающей ребра атаки 24 секций лопасти нижнего набора 32, на меридиональную плоскость образует с радиальной осью третий угол γ наклона в сторону задней кромки 26 лопасти.
Таким образом, линия 28а, 30а, 32а, связывающая ребра атаки всех секций лопасти, образует с проекцией на меридиональную плоскость профиль, имеющий минимальную продольную точку абсциссы, называемую «выпуклостью лопасти», которая расположена на уровне нижней границы 34 среднего набора 30.
Согласно изобретению выпуклость лопасти (или нижняя граница 34 среднего набора 30 секций лопасти) размещается между 30 и 40% общей высоты h набора секций лопасти; эта высота измеряется от основания 10 до верхнего края 12 лопасти по радиальной оси Z-Z.
По определению считают, что секция лопасти, размещенная на 0% от высоты h, соответствует линии пересечения ребра атаки 24 и нижней струи газового потока, а секция на 100% - верхней точке газового потока, взятой на той же продольной абсциссе, как и сечение, взятое на 0% высоты h.
Первый угол наклона α проекции линии 28а, соединяющей ребра атаки нижнего набора 28 секций к радиальной оси Z-Z, находится в пределах от 10 до 25°, второй продольный угол наклона β проекции линии 30а, связывающей ребра атаки среднего набора 30 к радиальной оси, находится в пределах от 10 до 25°, и третий продольный угол наклона γ, связывающий ребра атаки верхнего набора 32 к радиальной оси, находится в пределах от 20 до 50°.
Как показано на фиг.2В, нижний набор 28 содержит линию 28b, связывающую центры тяжести секций лопасти, проекция которой на тангенциальную плоскость (образованную тангенциальной осью Y-Y и осью Z-Z) образует с радиальной осью Z-Z первый тангенциальный угол наклона β, который находится в пределах от -10 до 10°.
Аналогично, средний набор 30 содержит линию 30b, связывающую центры тяжести секций лопасти, проекция которой на тангенциальную плоскость образует с радиальной осью Z-Z второй тангенциальный угол наклона ε, который составляет от -20 до 0°.
Наконец, верхний набор 32 содержит линию 32b, связывающую центры тяжести секций лопасти, проекция которой на тангенциальную плоскость образует с радиальной осью Z-Z третий тангенциальный угол наклона ζ, составляющий от -40 до -20°.
Следует отметить, что для линий 28b, 30b, 32b, связывающих центры тяжести секций лопасти, отрицательный тангенциальный наклон соответствует наклону в направлении, противоположном направлению вращения лопасти, тогда как положительный тангенциальный наклон выполнен в направлении вращения лопасти.
Выполненная таким образом лопасть характеризуется комбинацией малой выпуклости с выступающей назад значительной выпуклостью в продольном и тангенциальном направлениях.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, представленном на фиг.3, небольшой выступ вперед секций верхнего края лопасти может быть добавлен к предложенной геометрии лопасти.
Такой выступ образуется за счет того, что проекция линии 32а, связывающей ребра атаки секций лопасти верхнего края 38 верхнего набора 32, на меридиональную плоскость образует с радиальной осью Z-Z четвертый угол θ наклона в сторону ребра атаки 24.
Под секцией верхнего края подразумевают секции 38 лопасти, составляющие от 80 до 100% общей высоты h набора секций лопасти 22.
Такой угол наклона θ соответствует выступу вперед секций верхнего края 38, позволяющему, в частности, улучшить механическую характеристику - лопасти. Действительно, наклон секций верхнего края улучшает балансировку лопасти, уменьшая отклонения между центрами тяжести секций лопасти без влияния на аэродинамические рабочие характеристики лопасти.
В качестве примера четвертый продольный угол наклона θ к ребру атаки может составлять от 5 до 20°.
Фиг.4 представляет выигрыш в производительности лопасти по изобретению по сравнению с известной лопастью.
На этом чертеже представлены кривая 100, показывающая производительность вентилятора газотурбинного двигателя, снабженного лопастями согласно настоящему изобретению, и кривая 102, показывающая производительность вентилятора с лопастями известной конструкции. Производительность выражена в функции от удельного расхода вентилятора.
Заявителем установлено, что производительность, достигаемая благодаря лопастям по изобретению, значительно выше производительности с известными лопастями. В частности, при высоком удельном расходе лопасть по изобретению позволяет получить резкий подъем производительности вентилятора газотурбинного двигателя. Сравнение кривых 100 и 102 фиг.4 подтверждает этот вывод.