РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использована в турбомашинах авиационных двигателей.
Известна рабочая лопатка турбомашины газотурбинного двигателя (ГТД) (патент US 6071077, МПК F04D 29/34, опубл. 2000.06.06), перо которой имеет входную кромку с углом наклона образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка разделена на три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В привтулочной области образующая входной кромки наклонена против потока, а в средней и периферийной областях - по потоку. Угол наклона образующей входной кромки в периферийной области составляет 20°-50°, в средней от 5° до 20° а в привтулочной от 5° до 15°. Граница между привтулочной областью и средней расположена на высоте 0,4-0,75 общей высоты лопатки.
При такой форме входной кромки рабочая лопатка имеет неблагоприятный характер колебаний и пониженную степень аэродинамического демпфирования. Это влечет за собой возникновение областей лопатки с высоким уровнем динамических напряжений, для снижения уровня которых необходимо уменьшать величину окружной скорости вращения рабочих лопаток с одновременным обеспечением высокой степени повышения полного давления, что приводит к увеличению изгиба лопаток и увеличению доли кручения при колебаниях, что снижает запасы устойчивости к флаттеру. Увеличение аэродинамической нагруженности рабочего колеса снижает прочность лопаток. Кроме того, изготовление такой лопатки представляет значительные трудности из-за резких изменений направления и углов наклона образующей входной кромки, особенно в периферийной области.
Также известна рабочая лопатка турбомашины газотурбинного двигателя, перо которой имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка имеет три области: привтулочную, среднюю и периферийную, граница между средней и привтулочной областями лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки. В средней и периферийной областях образующая наклонена по потоку: в средней области угол наклона составляет до 20°, в периферийной - до 50°. Привтулочная область содержит два участка, на участке, прилегающем к средней области образующая наклонена против потока, а на участке, прилегающем к втулочному сечению - по потоку на 20° (Патент РФ №2381388, МПК F04D 29/38, заявл. 07.07.2008 г., опубл. 10.02.2010 г.)
Эта лопатка лишена некоторых недостатков предыдущей. Такая форма входной кромки способствует изменению характера колебаний рабочих лопаток, что приводит к некоторому снижению уровня динамических напряжений в них и увеличению аэродинамического демпфирования, что улучшает прочностные характеристики лопатки и повышает запасы устойчивости к флаттеру.
Однако, такая криволинейная кромка, как и у предыдущей лопатки, является инициатором образования вихря, особенно в периферийной зоне, где наклон составляет 50°, что вызывает значительные потери коэффициента полезного действия (КПД) рабочего колеса турбомашины. Кроме того, прочность такой лопатки снижена из-за концентрации напряжений в местах перегиба, где происходит резкое изменение направлений и углов наклона образующей входной кромки, особенно в периферийной области. По этой же причине технологичность изготовления такой лопатки низкая.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков, а именно: повышение прочности рабочей лопатки за счет плавных сопряжений образующей входной кромки между областями и монотонным увеличением ее угла наклона, что исключает образование вихрей в периферийной области, повышает КПД рабочего колеса и улучшает технологичность изготовления
Заявляемый технический результат достигается тем, что у рабочей лопатки турбомашины газотурбинного двигателя, перо имеет входную кромку с углом наклона ее образующей к радиальной оси, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения до периферийного. Входная кромка имеет три области: привтулочную, среднюю и периферийную. В средней и периферийной областях образующая наклонена по потоку. Привтулочная область содержит два участка, на одном из которых входная кромка наклонена по потоку, а на другом - против потока.
Новым в полезной модели является то, что в привтулочной области против потока образующая наклонена на участке, прилегающем к втулочному сечению, а по потоку - на участке, прилегающем к средней области входной кромки, при этом сопряжения всех областей входной кромки выполнены плавными и угол наклона образующей по потоку изменяется по высоте лопатки монотонно.
В оптимальном варианте выполнения лопатки граница между средней и привтулочной областями лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а граница между участками привтулочной области лежит на высоте не более 0,5 от общей высоты привтулочной области. Величина угла наклона образующей по потоку не более 15°, а угол наклона образующей против потока в привтулочной области не более 10°.
На прилагаемом чертеже изображена заявляемая рабочая лопатка турбомашины.
Рабочая лопатка турбомашины (компрессора, турбины или вентилятора) содержит перо 1, имеющее входную кромку с углом наклона ее образующей 2 к радиальной оси 3 лопатки, изменяющимся по высоте лопатки от ее втулочного сечения 4 до периферийного 5. Входная кромка имеет три области: периферийную 6, среднюю 7, и привтулочную, состоящую из участка 8, прилегающего к средней области 7, и участка 9, прилегающего к втулочному сечению 4 лопатки.
В периферийной области 6 образующая наклонена по потоку под углом α к радиальной оси 3, в средней области 7 - под углом β. В привтулочной области образующая 2 на участке 8 наклонена по потоку под углом γ, а на участке 9 - против потока под углом δ к радиальной оси 3.
Углы α, β,γ, наклона образующей 2 по потоку монотонно изменяются от 0° до максимального значения (оптимально 15°) в периферийной области 6. Сопряжения образующей 2 во всех областях выполнены плавными.
Угол δ наклона образующей 2 против потока на участке 9 привтулочной области не более 10°.
Граница между средней 7 и участком 8 привтулочной области лежит на высоте 0,4-0,75 от общей высоты лопатки, а граница между участками 8 и 9 привтулочной области лежит на высоте не более 0,5 от общей высоты привтулочной области.
При работе осевой турбомашины под воздействием вынужденных колебаний вибронапряжения в рабочих лопатках могут достигать критической величины, что приводит к их разрушению. Использование в лопатке входной кромки с плавным переходом наклона образующей 2 против потока на участке 9 привтулочной области в наклон образующей 2 на участке 8 по потоку и дальнейшим монотонным увеличением наклона образующей 2 по потоку в областях 6 и 7, исключает наличие концентраторов напряжений, снижающих прочность лопатки, а также повышает технологичность ее изготовления.
Благодаря тому, что направление наклона образующей 2 входной кромки изменяется только один раз от наклона против потока на участке 9 привтулочной области на направление наклона по потоку на остальной части лопатки, происходит благоприятное распределение скоростей в межлопаточных каналах рабочего колеса и аэродинамические характеристики улучшаются.
Отсутствие резкого изменения угла α в периферийной области 6 исключает образование вихрей, что повышает КПД рабочего колеса.
Данная форма входной кромки лопатки получена в процессе проектирования и достижение технического результата подтверждено в процессе изготовления и испытаний.