УЗЕЛ СПРЯМЛЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЛУЧШЕННЫМИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
GAS TURBINE ENGINE AIR FLOW STRAIGHTENING UNIT WITH IMPROVED AERODYNAMIC CHARACTERISTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к узлу спрямления воздушного потока газотурбинного двигателя, содержащему спрямляющие лопатки и одну или несколько конструктивных стоек. Изобретение находит свое применение, в частности, для двухконтурного газотурбинного двигателя.
Уровень техники
P
Двухконтурный газотурбинный двигатель, используемый в качестве силовой установки в области авиации, показан на фиг. 1а. Он содержит вентилятор 10, выдающий воздушный поток, центральная часть которого, называемая потоком F первого контура, поступает на компрессор 12, который питает турбину 14, вращающую вентилятор.
S
Периферическая часть воздушного потока, называемая потоком F второго контура, выбрасывается в атмосферу, создавая основную часть тяги газотурбинного двигателя 1, пройдя перед этим через венец 20 с неподвижными лопатками 21, расположенный на выходе из вентилятора. Этот венец, называемый спрямляющей решеткой 20 (известной также под английским сокращением OGV от “Outlet Guide Vane”), позволяет спрямлять воздушный поток второго контура на выходе вентилятора, максимально ограничивая при этом потери.
На этой же фигуре показана конструктивная стойка 30, которая соединяет обечайку 16 промежуточного корпуса со ступицей 17 промежуточного корпуса, обеспечивая, таким образом, поддержание и удержание в положении приводного(ых) вала(ов) 18 и конструктивную прочность всего узла. Функцией конструктивной стойки является также обеспечение передачи движения или перемещение текучих сред между газотурбинным двигателем и остальной частью летательного аппарата, на котором он установлен. Для этого конструктивная стойка является полой и позволяет прокладывать в ней трубопроводы, трансмиссионные валы и т.д. Такой тип узла описан в документе FR2970302 А1.
Существуют несколько типов конструктивных стоек в зависимости от их роли и от их положения в газотурбинном двигателе.
Например, так называемые «главные» конструктивные стойки, основной функцией которых является крепление газотурбинного двигателя под крылом самолета, расположены на «6 часов» и на «12 часов», то есть вертикально относительно самолета, находящегося на горизонтальной площадке (терминология использована по аналогии с положением стрелок часов).
Основной функцией так называемых «вспомогательных» конструктивных стоек является не крепление газотурбинного двигателя, а передача мощности, и они являются полыми для прохождения трансмиссионного вала. Эти стойки расположены, например, на «8 часов», то есть под углом относительно вертикали.
Все типы конструктивных стоек служат также для прокладки вспомогательного оборудования от газотурбинного двигателя к остальной части самолета, то есть, например, масляных трубопроводов, топливных трубопроводов и т.д.
Чтобы уменьшить массу газотурбинного двигателя и улучшить его характеристики, было предложено объединить функции решетки спрямления потока второго контура и конструктивной стойки в одной детали, причем для всех типов конструктивных стоек.
Как показано на фиг. 1b, были предложены так называемые «интегрированные» спрямляющие лопатки, образованные конструктивной стойкой в данном случае вышеупомянутого вспомогательного типа, входная часть которой выполнена обтекаемой, чтобы иметь аэродинамический профиль спрямляющей лопатки.
Такая конструктивная стойка имеет части, которые обусловлены геометрической формой и которыми являются:
- входная концевая часть 31, геометрия которой должна быть геометрией спрямляющей лопатки, и
- полая зона 32 для прокладки вспомогательного оборудования, в которой расположены трубопроводы, соединения, в случае необходимости, трансмиссионные валы и т.д. Эта зона должна быть рассчитана с учетом большого числа условий, таких как габариты вспомогательного оборудования, функциональные и монтажные зазоры, толщина материала и т.д., и ее называют не подлежащей изменениям зоной (или в английской терминологии: “keep-out zone”), то есть она должна оставаться без изменений в случае изменения геометрии конструктивной стойки, и
- выходная часть 33, образующая собственно конструктивную стойку, то есть поддерживающая газотурбинный двигатель под крылом самолета, выдерживая при этом усилия, создаваемые весом газотурбинного двигателя.
Таким образом, конструктивная стойка, выполненная с соблюдением этих условий, имеет стенку 40 спинки, последовательно образованную:
- стенкой спинки входной концевой части, соответствующей стенке спинки спрямляющей лопатки,
- переходной стенкой, проходящей вдоль не подлежащей изменениям зоны 32, причем эту стенку можно выполнить из листового проката, чтобы облегчить газотурбинный двигатель, и
- стенкой спинки выходной части.
Стенка спинки должна, в частности, соблюдать требование непрерывности поверхностей и касательных на уровне переходов между различными частями.
Учитывая различия размеров входной концевой части 31 и выходной части 33 в направлении, поперечном к оси газотурбинного двигателя, стенка спинки полученной конструктивной стойки может иметь относительно выраженную вогнутость.
Однако с точки зрения аэродинамики - это решение не является удовлетворительным, так как является причиной замедления потока в вогнутой зоне стенки, образованной на уровне переходной зоны.
Как показано на фиг. 1с, где конструктивная стойка показана со стороны своей спинки, обращенной ко входу воздушного потока, в этой низкоскоростной зоне вторичные потоки Ес в углах, исходящие от ножки и вершины входной концевой части, имеющей форму спрямляющей лопатки, усиливаются и могут привести к срыву и/или к завихрениям.
В результате этого могут появляться значительные потери давления в потоке, а также нарушения статического давления на входе спрямляющей решетки, которые могут отрицательно повлиять на аэродинамические и аэроакустические характеристики вентилятора.
Существующие решения, например, такие как изменение профилей спрямляющих лопаток, расположение лопаток и т.д., имеют, каждое, ограничения, связанные с механической прочностью лопаток в статике и динамике, с возможностью изготовления лопаток и т.д. Кроме того, эти решения, если они организуют поток на входе стоек на уровне входной концевой части, не позволяют предупредить появление некоторых вторичных потоков, которые могут развиваться на уровне переходной стенки, проходящей вдоль не подлежащей изменениям зоны.
Следовательно, существует потребность в преодолении проблем, создаваемых этой геометрией.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в устранении недостатков, присущих известным техническим решениям, за счет создания узла для спрямления воздушного потока, имеющего улучшенные аэродинамические характеристики по сравнению с известными решениями.
Задача изобретения состоит в создании узла спрямления воздушного потока, геометрия которого позволяет устранить риски завихрения воздушного потока у стенки спинки конструктивной стойки, содержащей входной конец спрямляющей лопатки.
В связи с этим объектом изобретения является узел газотурбинного двигателя, содержащий:
- спрямляющую решетку, содержащую по меньшей мере одну лопатку, имеющую переднюю кромку и заднюю кромку, и
- конструктивную стойку,
в котором лопатка и стойка распложены радиально вокруг оси газотурбинного двигателя, и конструктивная стойка содержит:
- входную концевую часть относительно направления прохождения воздуха в газотурбинном двигателе, содержащую переднюю кромку, выравненную в окружном направлении с передней кромкой лопаток, имеющую профиль, идентичный входному концу лопатки, при этом входная концевая часть ограничена на выходе осевым положением, называемым входной крайней точкой,
- выходную часть, размеры которой рассчитаны таким образом, чтобы она образовала обтекатель пилона подвески газотурбинного двигателя, и
- промежуточную часть, соединяющую входную концевую часть с выходной частью, содержащую стенку спинки, расположенную между входной крайней точкой и выходной крайней точкой с определенным осевым положением,
при этом входная крайняя точка находится на расстоянии в осевом направлении от передней кромки стойки, составляющем от 0,2с до 0,5с, где с является длиной осевой хорды спрямляющей лопатки,
выходная крайняя точка находится на расстоянии в осевом направлении от передней кромки стойки, превышающем длину с осевой хорды спрямляющей лопатки,
а угол касательной к стенке спинки во входной крайней точке равен углу касательной к стенке в выходной крайней точке с точностью до одного градуса.
Предпочтительно, но факультативно заявленный спрямляющий узел дополнительно имеет по меньшей мере один из следующих отличительных признаков:
- входная крайняя точка находится на расстоянии в осевом направлении от передней кромки стойки, составляющем от 0,2 до 0,3 с, предпочтительно равном 0,3 с,
- выходная крайняя точка находится на расстоянии в осевом направлении от передней кромки стойки, превышающем длину с осевой хорды спрямляющей лопатки,
- узел содержит множество конструктивных стоек, имеющих идентичную геометрию.
Объектом изобретения является также двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий описанную выше спрямляющую решетку.
Предложенный узел спрямления воздушного потока имеет улучшенные аэродинамические характеристики.
Осевое положение входной крайней точки переходной зоны и угол касательной в этой точке позволяют уменьшить вогнутость стенки спинки конструктивной стойки на уровне этой переходной зоны.
За счет этого воздушный поток почти не замедляется или совсем не замедляется, что сдерживает развитие потоков в углах, отходящих от входной концевой части стойки, имеющей профиль спрямляющей лопатки.
Таким образом, зоны завихрения ослабляются и даже исчезают, что позволяет уменьшить потери общего давления в спрямляющей решетке примерно до 0,1%, а также снизить уровень нарушения статического давления в спрямляющей решетке примерно до 0,2%.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1а (уже описана) схематично показан двухконтурный газотурбинный двигатель;
на фиг. 1b (уже описана) представлен развернутый схематичный вид узла, содержащего конструктивную стойку между двумя лопатками решетки спрямления потока второго контура;
на фиг. 1с (уже описана) показаны аэродинамические последствия выполнения конструктивной стойки, в которой переходная зона между входной частью спрямляющей лопатки и выходной частью собственно конструктивной стойки имеет выраженную вогнутость;
на фиг. 2а показан узел спрямления воздушного потока согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 2b схематично показан газотурбинный двигатель согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 3 схематично показан воздушный поток между конструктивной стойкой и спрямляющей лопаткой, изображенной со стороны спинки этой стойки.
Осуществление изобретения
На фиг. 2b показан двухконтурный газотурбинный двигатель 1, содержащий, как было указано выше, вентилятор 10 и спрямляющую решетку 20 типа OGV для спрямления потока второго контура FS, поступающего из вентилятора 10.
Спрямляющая решетка 20 содержит множество лопаток 21, равномерно распределенных вокруг кольца (не показано) с центром на оси Х-Х газотурбинного двигателя, соответствующей оси приводного вала.
Кроме того, газотурбинный двигатель 1 содержит по меньшей мере одну конструктивную стойку 30, более подробно описанную ниже. В частности, газотурбинный двигатель 1 содержит множество конструктивных стоек 30, расположенных по существу радиально вокруг оси Х-Х. Одна из этих конструктивных стоек 30 образует обтекатель для пилона (не показан), обеспечивающего подвеску двигателя на крыле самолета, на котором он установлен, и рассчитанного таким образом, чтобы выдерживать вес двигателя. Пилон служит также местом прохождения некоторого вспомогательного оборудования.
Конструктивная стойка, которая образует обтекатель пилона подвески двигателя, проходит в вертикальном направлении между крылом самолета и осью Х-Х газотурбинного двигателя. Если смотреть на газотурбинный двигатель спереди или сзади в направлении оси, эта стойка расположена в направлении «на двенадцать часов».
Газотурбинный двигатель 1 может содержать по меньшей мере одну другую конструктивную стойку 30, например, расположенную «на шесть часов», то есть вертикально и между осью Х-Х и землей, на одной линии с первой конструктивной стойкой. Эта конструктивная стойка 30 не образует обтекатель пилона подвески двигателя, но, тем не менее, имеет форму, идентичную с описанной выше первой стойкой. Газотурбинный двигатель может также содержать одну или нескольких других конструктивных стоек 30, идентичных с описанной выше первой стойкой.
На фиг. 2а представлен развернутый вид углового сектора вокруг оси Х-Х, занимаемого двумя лопатками 21 спрямляющей решетки, между которыми находится конструктивная стойка 30. Каждая лопатка, находящаяся с двух сторон от стойки 30, образует с последней канал прохождения воздуха, в котором воздух перемещается от входа к выходу, то есть слева направо на фиг. 2а.
В дальнейшем термины «вход» и «выход» будут использованы относительно направления воздушного потока в газотурбинном двигателе и, в частности, относительно направления воздушного потока в каналах, то есть слева направо на фигуре.
Узлом спрямления воздушного потока называют узел, содержащий по меньшей мере одну из конструктивных стоек 30 газотурбинного двигателя и спрямляющую решетку. Геометрия описанной ниже стойки позволяет улучшить прохождение воздуха между стойкой и лопаткой 21 спрямляющей решетки 20, находящейся со стороны спинки стойки.
Классически, лопатка 21 содержит переднюю кромку 22 и заднюю кромку 23. Осевая хорда лопатки 21 является сегментом, проходящим параллельно оси Х-Х от осевого положения передней кромки 22 до осевого положения задней кромки 23. Длина осевой хорды лопаток 21 имеет обозначение с.
Конструктивная стойка 30 представляет собой тип «интегрированной спрямляющей лопатки», то есть содержит входную концевую часть 31, имеющую профиль спрямляющей лопатки. Таким образом, входная концевая часть 31 конструктивной стойки 30 является идентичной входному концу каждой лопатки 21 спрямляющей решетки 20.
В частности, входная концевая часть 31 имеет переднюю кромку 310, выравненную с передними кромками лопаток 21 спрямляющей решетки 20, то есть находящуюся на одном уровне с ними относительно оси Х-Х, и имеет по меньшей мере на уровне своей передней кромки такую же толщину и такой же угол изгиба, что и лопатка 21 спрямляющей решетки 20, при этом угол изгиба является углом, образованным между линией изгиба на половине расстояния между поверхностью корытца и поверхностью спинки лопатки 21, и осью Х-Х.
Входная концевая часть 31 конструктивной стойки 30 ограничена в осевом направлении на выходе точкой А и на входе передней кромкой 310. Таким образом вся часть стойки 30, проходящая в осевом направлении от передней кромки 310 до точки А, должна быть выполнена геометрически идентичной с участком лопаток 21 спрямляющей решетки, проходящим от передней кромки каждой лопатки до сечения, находящегося в том же осевом положении, что и точка А.
Конструктивная стойка 30 содержит также выходную часть 33 и промежуточную часть 34, соединяющую входную концевую часть с выходной частью 33.
Как было указано выше, предпочтительно конструктивная стойка 30 является «главной» стойкой, основной функцией которой является поддержание газотурбинного двигателя под крылом самолета, одновременно выдерживая усилия, создаваемые весом газотурбинного двигателя, или в любом случае она имеет геометрию, идентичную с геометрией главной стойки, образующей обтекатель пилона крепления двигателя.
Эту функцию выполняет выходная часть 33, стенки которой предпочтительно выполнены литыми, чтобы выдерживать эти большие усилия.
Кроме того, конструктор рассчитывает геометрию выходной части 33 стойки, образующей обтекатель пилона, и, следовательно, выходной части всех других идентичных с ней стоек в зависимости от геометрии пилона и от типа самолета, на котором установлен газотурбинный двигатель. Следовательно, в целом можно считать, что выходная часть 33 каждой конструктивной стойки узла выполнена с возможностью образовать обтекатель стойки подвески газотурбинного двигателя, даже если пилон подвески реально окружен только конструктивной стойкой, расположенной «на двенадцать часов».
Стенки промежуточной части 34 предназначены для соединения входной части 31 с выходной частью 33, избегая любой прерывистости поверхности или касания. С другой стороны, они не должны выдерживать вес газотурбинного двигателя, как стенки выходной части 33. Следовательно, они предпочтительно выполнены из листового проката, чтобы облегчить вес газотурбинного двигателя.
Кроме того, промежуточная часть 34 может содержать так называемую не подлежащую изменениям зону 32, которая представляет собой место, специально предназначенное для прокладки вспомогательного оборудования, в частности, трубопроводов, например, масляных или топливных трубопроводов, электрических соединений, в случае необходимости, трансмиссионных валов и т.д.
Конструктивная стойка 30 содержит стенку 40 спинки, состоящую из:
- стенки 41 спинки входной концевой части,
- стенки 44 спинки промежуточной части 34, и
- стенки 43 спинки выходной части 33.
Стенка 44 спинки промежуточной части ограничена двумя крайними точками, соответственно на входе точкой А и на выходе точкой В, называемой выходной крайней точкой.
Входная крайняя точка А находится на соединении между стенками спинки входной концевой части 41 и промежуточной части 44. Как было указано выше, входная концевая часть 31 выполнена идентичной с соответствующей входной частью лопатки 21. Следовательно, при фиксированном осевом положении (относительно оси Х-Х) точки на стенке 41 спинки входной части положение этой точки по азимуту (ось у на фигуре) тоже является фиксированным.
Выходная крайняя точка В находится на соединении между стенками спинки промежуточной части 44 и выходной части 43. Осевое положение выходной крайней точки В находится на входе входного конца пилона подвески газотурбинного двигателя.
Описанная ниже геометрия конструктивной стойки позволяет стенке спинки промежуточной части 34 быть как можно меньше вогнутой, чтобы уменьшить завихрения воздуха.
В
В первую очередь, осевое положение х крайней точки В должно находиться на расстоянии от осевого положения передней кромки стойки, превышающем или равном длине хорды лопатки 21, предпочтительно строго превышающем эту длину.
Таким образом:
В
х ≥ с
если за начало оси Х-Х принять осевое положение передней кромки стойки и лопаток.
Действительно, чем больше осевое расстояние между точкой В и точкой А, тем более плавным является переход, образованный стенкой промежуточной части, и тем больше он ограничивает вогнутость.
А
Кроме того, предпочтительно осевое положение точки х входной крайней точки А находится на расстоянии, измеренном в направлении оси Х-Х, от осевого положения передней кромки 310 стойки, составляющем от 0,2 до 0,5 с.
Таким образом:
А
0.2 с ≤ х ≤ 0.5 с
Расположение точки А на осевом расстоянии от передней кромки 310, составляющем не менее 20% хорды, позволяет входной концевой части 31 стойки быть достаточно длинной, чтобы оказывать на входящий воздушный поток действие, аналогичное действию спрямляющей лопатки 21. В частности, это ограничивает нарушение статического давления на всей спрямляющей решетке 20 и переход нарушения давления на вентилятор на входе спрямляющей решетки. Следовательно, улучшаются акустические и аэродинамические характеристики вентилятора.
Кроме того, расположение точки А на осевом расстоянии от передней кромки менее 50% длины хорды лопатки позволяет ей, с одной стороны, быть достаточно удаленной от точки В, что увеличивает длину промежуточной части и позволяет уменьшить ее вогнутость.
С другой стороны, расположение точки А в положении сверх этого осевого расстояния приблизило бы ее к не подлежащей изменениям зоне 35. Следовательно, стенка 44 спинки промежуточной части должна была бы иметь более значительную вогнутость, чтобы обойти эту зону и соединить точку В, что привело бы к увеличению завихрений воздуха на уровне этой стенки.
А
Предпочтительно осевое положение точки х входной крайней точки А находится на расстоянии от передней кромки 310, меньшем 0,3 с и еще предпочтительнее равно 0,3 с, чтобы оптимизировать описанные выше эффекты.
А
В
Кроме того, угол α касательной к стенке 40 спинки стойки 30 относительно оси Х-Х на уровне точки А предпочтительно является близком к углу α касательной к стенке 40 на уровне точки В.
А
В
А
А
В
Предпочтительно угол α равен углу α с точностью до градуса, при этом α может принимать все значения между α -1 и α + 1:
А
В
α = α ± 1°
Таким образом, вогнутость стенки 44 спинки промежуточной части оказывается сведенной к минимуму.
В
В случае необходимости, угол α касательной в точке В и/или положение точки В на оси, ортогональной к оси Х-Х, которые обычно зависят от геометрии выходной части 33 конструктивной стойки и от положения по азимуту стойки 30 относительно спрямляющей решетки, можно слегка адаптировать таким образом, чтобы соблюдать вышеупомянутое отношение, поскольку это отношение соответствует:
АВ
АВ
где у является расстоянием, измеренным на оси, ортогональной к оси Х-Х, между точкой А и точкой В, и х является расстоянием, измеренным в осевом направлении, то есть параллельно оси Х-Х, между этими же точками.
На фиг. 3 показан воздушный поток в спрямляющем узле, содержащем спрямляющую решетку 20 и конструктивную стойку 30 в соответствии с описанной выше геометрией, при этом конструктивная стойка показана со стороны своей спинки, если смотреть в направлении входа.
Отмечается, что вместо того, чтобы пытаться сделать стойку тоньше, чтобы уменьшить аэродинамическое перекрывание, предпочтительно увеличивают толщину стороны спинки за счет уменьшения вогнутости стенки 44 на уровне промежуточной части 35, чтобы ограничить появление завихрений.