ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА КОМПРЕССОРА С ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЛИПТИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЕМ
IMPELLER BLADE OF COMPRESSOR WITH VARIABLE ELLIPTICAL CONNECTION

Настоящее изобретение относится к области газовых турбин, таких как газовые турбины, установленные в турбинных двигателях воздушного судна. Более конкретно настоящее изобретение относится к ступени сжатия такой газовой турбины.
Ступень сжатия газовой турбины обычно содержит центробежный компрессор, предназначенный для сжатия наружного воздуха, входящего в газовую турбину. Среди множества известных типов компрессора, можно проводить различие между компрессорами центробежного типа и компрессорами осевого типа. В отличие от осевого компрессора, центробежный компрессор изменяет направление движения воздушного потока: на выходе компрессора воздушный поток обычно протекает в направлении, которое по существу ортогонально оси вращения компрессора и, в частности, угол наклона между потоком воздуха (т.е. потоком воздуха на задней кромке рабочего колеса) и направлением, ортогональным оси вращения компрессора, находится в диапазоне 0-30°.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к рабочему колесу компрессора, имеющему по меньшей мере одну лопатку, присоединенную к ступице рабочего колеса посредством галтели или соединения изогнутой формы, при этом лопатка продолжается вдоль хорды, образованной между передней кромкой и задней кромкой лопатки, причем соединение имеет форму, которая изменяется непрерывно вдоль хорды.
Обычно поток воздуха, входящий в рабочее колесо центробежного компрессора, входит сначала в контакт с передней кромкой лопатки и, затем, проходит вдоль хорды лопатки прежде чем выйти из рабочего колеса через заднюю кромку.
В настоящем изобретении под соединением подразумевается геометрическая линия, соединяющая лопатку со ступицей на участке хвостовика лопатки, при этом хвостовик образует соединение между лопаткой и ступицей. Соединение имеется на каждой стороне лопатки, на стороне нагнетания и на засасывающей стороне.
При работе, лопатки рабочего колеса компрессора подвергаются высоким степеням механической нагрузки, что, при определенных условиях, может повреждать их (возникновение трещины, развитие трещины, утрата фрагмента или лопатки).
Таким образом, применение соединения, которое является изогнутым по форме позволяет, при определенных условиях и в зависимости от того, как задана выбранная криволинейная форма, повышать или понижать механическую прочность лопаток, в частности, в области хвостовика лопатки.
В зависимости от области лопатки (заданной вдоль ее хорды) можно или повысить механическую прочность лопатки или понизить механическую прочность лопатки. Это применяется, в частности, на задней кромке рабочего колеса. Следствием снижения механической прочности лопатки на задней кромке рабочего колеса является обеспечение усовершенствования в отношении механической прочности диска в области задней кромки. Это может быть необходимо для того, чтобы соответствовать техническим нормам. Технические нормы рекомендуют критерий для последовательности повреждений, согласно которому лопатка должна повреждаться прежде, чем диск (ступица). Другими словами, лопатка действует как предохранитель. Учитывая центробежную силу и силу инерции ступицы, повреждение в ступице может вызывать возникновение обломков с большей кинетической энергией, чем энергия, вызываемая обломком от повреждения лопатки. В частности, задняя кромка рабочего колеса обеспечивается этим критерием, поскольку толщина лопатки и ступицы (материала) имеют величину одного порядка в этой области.
В DE 10 16 888 описывается соединение между лопаткой и ступицей, которое изменяется вдоль хорды.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного рабочего колеса, в котором механическая прочность лопатки изменяется вдоль хорды.
Настоящее изобретение решает эту задачу посредством того, что соединение имеет форму, которая изменяется непрерывно вдоль хорды, при этом соединение представляет собой участок эллипса.
Это изменение формы выбирается как функция изменения механической прочности, которую необходимо получить вдоль хорды, или в пределах лопатки или между лопаткой и диском.
Другими словами, изменение формы изгиба, который образует соединение, является непрерывным вдоль хорды, что, тем самым, также обуславливает непрерывное изменение механической прочности лопатки вдоль хорды.
Предпочтительно, это может представлять собой тот же эллипс или это может представлять собой эллипс, имеющий большую и малую оси, которые изменяются при перемещении вдоль хорды.
В другом варианте осуществления изогнутое соединение образовано двумя участками, имеющими два различных радиуса, которые непрерывно изменяются вдоль хорды и становятся взаимозаменяемыми между передней кромкой и задней кромкой.
Предпочтительно, эллипс имеет большую ось и малую ось, при этом соединение имеет такую форму, что на передней кромке большая ось эллипса является по существу параллельной боковой поверхности лопатки, а на задней кромке большая ось эллипса является по существу перпендикулярной боковой поверхности лопатки.
Эта непрерывно изменяющаяся эллиптическая форма имеет несколько преимуществ: первым преимуществом является увеличение механической прочности лопатки на ее передней кромке за счет поддержания одинаковой толщины для лопатки (уменьшая коэффициент концентрации напряжений Kt в области соединения лопатки). Вторым преимуществом является уменьшение толщины лопатки на ее передней кромке, при этом поддерживая одинаковую механическую прочность, тем самым предпочтительно уменьшая вес рабочего колеса.
Кроме того, уменьшение толщины лопатки на ее передней кромке служит предпочтительно для улучшения рабочих характеристик компрессора.
Третьим преимуществом является обеспечение лопатки, имеющей механическую прочность на ее задней кромке, которая значительно уменьшена по сравнению с конфигурацией, в которой соединение на задней кромке является идентичным соединению на передней кромке. Более конкретно, механическая прочность лопатки относительно материала ступицы уменьшена на задней кромке. Посредством настоящего изобретения механическая прочность лопатки (около малой оси эллипса соединения) уменьшается и одновременно механическая прочность материала (около большой оси эллипса соединения) повышается. Это позволяет рабочему колесу компрессора согласно настоящему изобретению удовлетворять вышеупомянутым нормативным требованиям, согласно которым лопатка деформируется раньше диска ступицы рабочего колеса.
Четвертым преимуществом является то, что эллиптическое соединение на задней кромке, где большая ось является по существу перпендикулярной боковой поверхности лопатки, служит для уменьшения величины следа в потоке, который образуется у хвостовика лопатки, тем самым дополнительно улучшая рабочие характеристики компрессора.
Предпочтительно, отношение большой оси к малой оси составляет от 1,1 до 4.
Предпочтительно, отношение по существу равно 2. В случае этой величины авторы обнаружили значительное улучшение механической прочности для данной толщины передней кромки, при этом достаточно уменьшая механическую прочность лопатки на задней кромке для того, чтобы соответствовать действующим техническим нормам (документ EASA «Сертификационные характеристики двигателей», параграф AMC E 520).
Предпочтительно, соединение изменяется посредством непрерывного изменения величин осей эллипса.
Таким образом, при перемещении вдоль хорды от передней кромки к задней кромке, малая ось эллипса возрастает, при этом его большая ось уменьшается так, чтобы эллипс на задней кромке соответствовал эллипсу на передней кромке, повернутому на 90°.
Другими словами, путем изменения осей эллипса вдоль хорды, они оказываются взаимозаменяемыми.
Эллипс данного соединения имеет большую ось вдоль лопатки и малую ось вдоль ступицы на передней кромке, и большую ось вдоль ступицы и малую ось вдоль лопатки на задней кромке. В общем случае, величины большой оси и малой оси могут быть различны на передней кромке и на задней кромке, при этом их величины изменяются непрерывно между передней кромкой и задней кромкой.
В результате, при рассмотрении вдоль хорды лопатки, участок эллипса, который образует соединение, изменяется непрерывно между передней кромкой и задней кромкой.
В настоящем изобретении также предлагается центробежный компрессор, содержащий рабочее колесо компрессора в соответствии с настоящим изобретением.
В объеме настоящего изобретения термин «центробежный компрессор» используется для обозначения компрессоров, в которых направление потока выходящего газа имеет наклон относительно направления, ортогонального к оси вращения рабочего колеса, с углом, составляющим в диапазоне 0-30°.
Наконец, в настоящем изобретении предлагается турбомашина, содержащая компрессор центробежного или комбинированного типа, в котором задняя кромка является наклонной относительно ортогонального направления оси вращения рабочего колеса в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение может стать более ясным для понимания и его преимущества будут более очевидными при прочтении приведенного ниже описания варианта осуществления, изложенного в качестве неограничивающего примера. Данное описание ссылается на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой общий вид вертолетного газотурбинного двигателя, содержащего центробежный компрессор, имеющий рабочее колесо согласно настоящему изобретению;
Фиг.2А представляет собой вид в перспективе рабочего колеса центробежного компрессора согласно фиг.1;
Фиг.2В представляет собой половинный вид в осевом разрезе рабочего колеса, изображенного на фиг.2А;
Фиг.3 представляет собой схематичное изображение передней кромки лопатки рабочего колеса, изображенного на фиг.2, рассматриваемого в плоскости, которая является ортогональной хорде лопатки; и
Фиг.4 представляет собой схематичное изображение задней кромки лопатки, изображенной на фиг.3, рассматриваемой в плоскости, которая является ортогональной хорде лопатки.
Рабочее колесо компрессора согласно настоящему изобретению может быть использовано или в компрессоре комбинированного типа или в компрессоре центробежного типа. Однако в данном документе настоящее изобретение, в качестве примера, проиллюстрировано на основании центробежного компрессора в газовой турбине вертолета.
На фиг.1 показана газовая турбина 10 вертолета (не показан), содержащая впуск 12 для внешнего воздуха для обеспечения ступени 14 сжатия. Более конкретно, ступень сжатия образована одним компрессором 16, содержащим рабочее колесо 18 и центробежный диффузор 19, который сам по себе является известным.
Рабочее колесо 18 установлено на валу 20, который приводится во вращение турбиной 22. Обычно рабочее колесо 18 выполняется в виде цельной детали и получается в результате механической обработки исходного блока, обычно выполненного из титана или из инконеля.
Как лучше видно на фиг.2А и 2В, рабочее колесо 18 имеет множество основных лопаток 24, продолжающихся от диска 26а до ступицы 26. Более конкретно, каждая лопатка 24 содержит элемент 24с лопатки, который продолжается между хвостовиком 24а лопатки и венцом 24b лопатки.
Кроме того, каждая лопатка 24 продолжается вдоль хорды 25, образованной между передней кромкой 28 и задней кромкой 30. Рабочее колесо 18 также имеет дополнительные лопатки 24', которые короче, чем основные лопатки 24, и которые имеют передние кромки, установленные позади передних кромок основных лопаток 24.
Соединение между каждой лопаткой 24 и ступицей 26 рабочего колеса 18 имеет место на участке хвостовика 24а лопатки посредством соединения 27, которое образует изгиб. Это соединение соответствует локальной форме хвостовика лопатки, где элемент лопатки соединяется со ступицей 26.
Со ссылкой на фиг.3 и 4, далее приведено более подробное описание переменного соединения в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 показан схематичный вид в разрезе передней кромки 28 одной из лопаток 24, изображенной в плоскости, которая является ортогональной хорде 25. Данный вид является схематичным, поскольку, из соображений простоты, лопатка показана как размещенная прямо, в то время как обычно лопатки центробежного компрессора являются наклонными. Кроме того, высота передней и задней кромок лопатки и толщина лопатки и ступицы показаны схематично и не являются характерными.
Как видно на чертеже, соединение 27 на стороне 32 нагнетания имеет изогнутую форму, и более конкретно, форму первого участка Р эллипса Е1, который начерчен пунктирными линиями. Таким образом, эллипс лежит в плоскости фиг. 3.
Как видно, эллипс Е1 является касательным как к ступице 26, так и к боковой поверхности 24d лопатки 24, так, что соединение 27, как таковое, является касательным как к лопатке 24, так и к ступице 26.
Кроме того, эллипс Е1 имеет центр О и большую ось а и малую ось b, которые являются взаимно ортогональными.
Согласно настоящему изобретению соединение 27 имеет такую форму, что большая ось а эллипса Е1 является по существу параллельной боковой поверхности 24d лопатки 24 в области передней кромки 28.
На фиг. 3 точка А является точкой касания эллипса Е1 с лопаткой 24, при этом точка В является точкой касания эллипса Е1 со ступицей 26.
Было обнаружено, что посредством этой формы для соединения 27 механическая прочность лопатки 24 на этом участке хорды 25 является очень хорошей по сравнению с обычной конфигурацией с использованием соединения с постоянным радиусом.
Если лопатка 24 не ортогональна ступице 26, первый участок Р эллипса Е1 однако выбирается так, чтобы соединение 27 было касательным к ступице 26 и к боковой поверхности 24d лопатки 24.
На фиг.4 показан схематичный вид в разрезе задней кромки 30 одной из лопаток 24, изображенной на фиг.3, видимой в плоскости, которая является ортогональной хорде 25.
Как видно на этом чертеже, соединение 27 на стороне 32 нагнетания (здесь также, предпочтительно, и на засасывающей стороне) имеет форму кривой, и более конкретно, второго участка Q эллипса Е2. Таким образом, этот эллипс лежит в плоскости фиг.4. Как видно, эллипс Е2 соответствует эллипсу Е1, повернутому на 90°.
Эллипс Е2 является касательным как к ступице 26, так и к боковой поверхности 24d лопатки 24, так, что соединение 27, само по себе, является касательным к лопатке 24 и к ступице 26.
На фиг.4 точка А является точкой касания эллипса Е2 с лопаткой 24, а точка В является точкой касания эллипса Е2 со ступицей 26.
В отличие от фиг.3, большая ось а является по существу перпендикулярной боковой поверхности 24d лопатки 24. Благодаря соединению 27, имеющему такую форму, механическая прочность на этом участке хорды 25 является менее высокой, чем ее прочность на передней кромке 28 лопатки 24.
В результате, на передней кромке 28 (фиг.3) область, расположенная вокруг точки А, обеспечивает повышенную механическую прочность, а механическая прочность области, расположенной вокруг точки В, уменьшена. Тем не менее, это уменьшение механической прочности не имеет значения, поскольку у передней кромки 28 ступица является толстой и подвергается очень слабому воздействию.
Наоборот, на задней кромке 30 (фиг.4) область, расположенная вокруг точки А, обеспечивает уменьшенную механическую прочность, а область, расположенная вокруг точки В, обеспечивает увеличенную механическая прочность.
Следовательно, предпочтительным образом достигаются как увеличенная механическая прочность на передней кромке 28 (по сравнению с обычной конфигурацией, имеющей соединение с постоянным радиусом и постоянным проходным сечением), так и усовершенствованная последовательность повреждений на задней кромке 30 (лопатка повреждается раньше диска).
Если лопатка 24 не ортогональна ступице 26, второй участок Q эллипса Е2 однако выбирается так, чтобы соединение 27 было касательным к ступице 26 и к боковой поверхности 24d лопатки 24.
Предпочтительно, отношение большой оси а к малой оси b составляет от 1,1 до 4, и, в частности, около 2.
Таким образом, следует понимать, что на фиг.3 и 4 показана форма соединения 27 в двух крайних точках лопатки 24, т.е. на ее передней кромке 28 и на ее задней кромке 30.
Между этими двумя крайними положениями форма соединения непрерывно изменяется, обеспечивая непрерывное изменение величин осей a и b эллипса для получения плавного перехода между двумя соединительными формами, которые значительно различаются.
Для этого соединение 27 изменяется посредством непрерывного изменения величин осей эллипса между передней кромкой 28 и задней кромкой 30. Другими словами, в каждой точке хорды 25 соединение 27 образует участок эллипса. Следовательно, непрерывное изменение в величинах осей эллипса ведет к непрерывному изменению в эллиптическом соединении 27 вдоль хорды.
По меньшей мере соединение 27 имеет такую форму, чтобы быть касательным как к боковой поверхности 24d лопатки 24, так и к ступице 26, и это справедливо для всех точек вдоль хорды 25, как на стороне нагнетания, так и на засасывающей стороне.
Предпочтительно, чтобы для данной хорды соединительный эллипс для засасывающей стороны был идентичным соединительному эллипсу для стороны нагнетания.
Другие преимущества, связанные с настоящим изобретением, приведены ниже.
Во-первых, конкретная форма на задней кромке 30, как показано на фиг.4, предназначена предпочтительно для улучшения возможности противостояния рабочего колеса эрозии за счет увеличения количества материла у хвостовика лопатки, где имеет место эрозия.
Во-вторых, конкретная форма на передней кромке 28 (фиг.3) предназначена для уменьшения коэффициента концентрации напряжений с тем, чтобы лопатки 24, 24' обеспечивали улучшенную способность противостояния потенциально возможному введению инородных тел в рабочее колесо.
В-третьих, форма соединения лопатки рабочего колеса предназначена для уменьшения осевой толщины материала 26b ступицы 26, тем самым увеличивая срок действия и запас прочности на разрыв диска 26а.