ЛОПАТКА И ДВУГРАННЫЙ УГОЛ ЛОПАТКИ
BLADE AND DIHEDRAL ANGLE OF BLADE

Область техники, к которой относится изобретение, и известный уровень техники
Изобретение относится к конструкции лопатки (или лопасти) компрессора турбины, относящегося к типу, который может использоваться в авиационном двигателе.
Такой компрессор содержит последовательность ступеней, расположенных последовательно. Каждая ступень содержит подвижный импеллер (ротор) или подвижный лопаточный венец и лопаточный статор (выпрямитель).
Каждый подвижный лопаточный венец сам содержит кольцевой диск, на котором прикреплены лопатки (или ребра) и вращаются перед участком статора. Это делает возможным всасывание и ускорение потока воздуха путем отклонения его в отношении вала двигателя. Последующий выпрямитель, выпрямляет поток в оси и замедляет его путем преобразования участка его скорости в давление.
Фигура 1 схематически изображает сечение, которое показывает участок такого компрессора. На этой Фигуре указаны подвижные лопатки 10 и лопатки 20 выпрямителей. Последние выполнены за одно целое с ободами 22, 26. Ссылочная позиция 27 обозначает фланец для крепления к корпусу компрессора.
Каждая подвижная лопатка 10 размещена на внутренней платформе 13, которая продолжается хвостовиком 18, который сам находится в зацеплении в корпусе ротора 25. Отметим, что эти части также могут быть изготовлены в виде единого блока, причем этот набор называется образованным за одно целое диском с лопатками.
Вращение ротора выполняется вокруг оси AA’.
Для того чтобы конструировать лопатки 10, 20 такого компрессора HP (высокого давления), проводятся исследования с целью улучшения аэродинамических характеристик лопаточного венца, тем не менее при обеспечении определенной механической прочности.
.
Особый интерес представляет расположение (вертикальный монтаж)  уложенных в стопку поперечных секций, формирующих лопатки Закон тангенциального монтажа соответствует положению центра силы тяжести каждой секции лопатки согласно плоскости, перпендикулярной основному радиальному направлению лопатки относительно основной радиальной оси лопатки.
Монтаж уложенных в стопку поперечных секций, формирующих лопатки лопаточного венца представляет собой важный параметр в этом типе исследований. Эта переменная более того играет роль с точки зрения аэродинамики, также как и с точки зрения механики. Поиск оптимального закона монтажа представляет собой в связи с этим существенный объем работы в проектировании любого лопаточного венца компрессора HP.
Заявитель выбрал документ US 2010 054 646 в качестве ближайшего аналога.
угла ν
M
B
A
Однако, в данном документе раскрыты лопатки, имеющие кривые (см. фиг. 10) несколько грушевидной формы, однако в данном документе не упоминается его отрицательное значение на конце лопатки, взаимосвязанное с максимальным значением на срединном участке, причем разница между максимальным и минимальным значениями является важной, оптимально между 20°и 23°, указанная разница является довольно малой для кривых Dи D, имеющих почти грушевидную форму, и значение на конце лопатки является существенным, но положительным для кривой D.
Задачей изобретения является оптимизация аэродинамических характеристик каждого лопаточного венца, определенная в частности запасом по помпажу и выходом, а также обеспечение или поддержание во время такой оптимизации механической прочности каждой лопатки.
Раскрытие изобретения
углом ν
причем
Для решения задачи предлагается лопатка компрессора, определенная в каждой из точек ее поверхности углом стреловидности и ,
углы ν
в
,
и углы стреловидности измеряют разницу направлений между потоком и лопатками, как проекцию соответственно в радиальной и аксиальной плоскости и аксиальной и тангенциальной плоскости направлении вращения машины содержащая:
хвостовик,
конец лопатки, причем расстояние между хвостовиком и концом, измеренное вдоль оси, называемой радиальной осью, перпендикулярной оси вращения компрессора, называется радиальной высотой (h),
угол ν
причем  является отрицательным и меньшим - 10° на конце лопатки,
угол ν
угол ν
зону между хвостовиком и концом, первый участок которой имеет строго положительный  передней кромки, и второй участок имеет строго отрицательный  передней кромки.
Зона максимального угла находится вдоль указанной радиальной оси между r=0,25h, или 0,3h, или 0,5h и r=0,65h или 0,7h.
Форма лопатки согласно изобретению и в частности выбор зоны максимального угла, как указано выше, позволяет достигать улучшения работоспособности компрессора без наложения механического ограничения и/или чрезмерного потребления. Аэродинамические характеристики (запас по помпажу, выход) в связи с этим могут быть оптимизированы без понижения механической прочности лопатки.
Угол ν
передней кромки может быть строго отрицательным на конце лопатки и строго положительным или строго отрицательным на хвостовике.
угол ν
Если зона, расположенная вблизи хвостовика лопатки, имеет строго отрицательный , угол на хвостовике, например, по большей мере соответствует -10° или -15°.
углом ν
углом ν
конце лопатки
Согласно варианту выполнения первый участок со строго положительным  образует интервал или продолжается по большей мере между хвостовиком лопатки и положением, расположенным на r=0,85h вдоль радиальной оси, с , например, отрицательным на .
угол ν
Первый участок, который имеет строго положительный , может образовывать интервал:
углом ν
продолжающийся вдоль радиальной оси по большей мере между r=0,1h и r=0,85h, с , например, отрицательным на хвостовике,
и/или имеющий длину, измеренную вдоль указанной радиальной оси, по меньшей мере соответствующую 0,4h или находящуюся между 0,1h и 0,60h.
углом ν
углом ν,
Предпочтительно, разница между , измеренным на хвостовике лопатки, и  измеренным на конце лопатки, составляет менее 10°.
Лопатка, как обозначенная выше, может:
быть подвижной с ее хвостовиком, предназначенным для прикрепления к кольцевому диску ротора указанного компрессора, или с лопаткой, являющейся частью образованного за одно целое диска с лопатками,
или быть неподвижной, являясь частью неподвижного статора или статора с изменением фаз газораспределения.
углом ν
углом ν
Предпочтительно также, чтобы разница между максимальным , и минимальным  находится в интервале от 20°до 23°.
Изобретение также относится к авиационному двигателю, содержащему компрессор, снабженный неподвижными лопатками и подвижными лопатками, с одной или несколькими лопатками, относящимися к типу, описанному выше.
Краткое описание фигур
Фигура 1 представляет собой схему секции компрессора, обеспеченного его неподвижными и подвижными лопатками.
Фигура 2A представляет собой схему лопатки в виде наложения с позиционированием триортогональной системы (X, Y, Z).
Фигуры 2B и 2C представляют собой схемы сечений лопатки в виде наложения с указанием различных углов, полезных для понимания изобретения.
угла ν
Фигура 3 показывает различные примеры изменения лопатки согласно изобретению.
Фигура 4 показывает изменение угла стреловидности согласно высоте лопатки.
Фигуры 5A-5C показывают виды лопатки, выполненной в соответствии с изобретением.
угла ν
угла ν
Фигура 6 показывает сравнение между изменением лопатки согласно изобретению и изменением , который не осуществляет замысел этого изобретения;
Фигура 7 показывает кривую стандарта iso в области Pi-D.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
Для каждой лопатки определена система XYZ, как, например, схематически изображено на Фигуре 2A: ось X представляет собой ось машины, ориентированную в направлении по ходу, и она параллельна оси вращения AA’ (смотри Фигуру 1).
Ось Z перпендикулярна оси X и определяет высоту z от хвостовика лопатки z=0 до верхней части лопатки z=h.
Ось Y является тангенциальной, перпендикулярной осям X и Z.
Начиная отсюда, определена другая система или локальная цилиндрическая система X, R, u, связанная с рассмотренной лопаткой, причем:
X также является осью машины, ориентированной по ходу,
R представляет собой радиальную ось, определенную как Z, причем она перпендикулярна оси X и определяет высоту в отношении хвостовика лопатки; она также называется осью монтажа,
u представляет собой азимутальную ось, ориентированную от внутренней поверхности свода лопатки по направлению к наружной поверхности свода смежной лопатки для двигателя типа SHAR (направление по часовой стрелке, обращенное назад) или в противоположном направлении для двигателя типа SHAV (направление по часовой стрелке, обращенное вперед); она перпендикулярна осям X и R. В особом случае лопаток, показанных на Фигуре 2A, декартова система координат X, Y, Z и локальная цилиндрическая система X, R, u объединены.
Вертикальный монтаж уложенных в стопку поперечных секций, формирующих лопатки. Укладка прорезей (напоминаем, что это представляет собой положение центра силы тяжести каждой секции лопатки согласно плоскости, параллельной осям X, u и перпендикулярной основному радиальному направлению R лопатки в отношении основной радиальной оси лопатки может быть определен различными путями:
G
G
положением x, y центра силы тяжести секций вдоль осей x и y,
углом ν
или углом стреловидности и , как описано, например, в документе Leroy H. Smith и др. «Sweep and dihedral effects in axial-flow turbomachinery», сентябрь, 63, ASME.
угол ν
Здесь выбрано это последнее определение. Угол стреловидности и  в связи с этим представляют собой углы, определенные в документе Leroy H. Smith и др., упомянутом выше. Углы a, r, u, определенные в этой статье, являются углами X, R, u, определенными выше.
Эти углы измеряют разницу направлений между потоком и лопатками, как проекцию соответственно в радиальной и аксиальной плоскости и аксиальной и тангенциальной плоскости в направлении вращения машины.
угол ν
угла ν
Если поток является чисто аксиальным, что приблизительно представляет собой случай на впуске машины, угол стреловидности выражает наклон лопатки в аксиальном направлении,   выражает наклон лопатки в тангенциальном направлении. Отрицательное значение угла стреловидности выражает наклон, расположенный впереди по ходу, а положительное значение выражает наклон, расположенный сзади по ходу; и отрицательное значение  выражает наклон по направлению к стороне нагнетания, а положительное значение по направлению к стороне разрежения. Наклоны определены при использовании радиальных направлений наружу.
угол ν
Угол стреловидности и  угол являются в связи с этим связанными с каждой из точек поверхности лопатки.
Фигуры 2B и 2C воспроизводят Фигуру 4 из статьи. Они показывают виды в сечении соответственно:
плоскости R, u (обе перпендикулярны оси AA’) подвижного лопаточного венца (Фигура 2B),
в плоскости R, X (которая содержит ось AA’) лопатки (Фигура 2C).
угла ν
На этих Фигурах была добавлена ссылочная позиция 11, которая определена кривой угла стреловидности и . На Фигуре 2C ссылочные позиции 13 и 15 соответственно обозначают участок лопатки, ближайший к хвостовику, и конец лопатки. На этой Фигуре можно также увидеть переднюю кромку 17 и заднюю кромку 19 показанной лопатки. Ссылочная позиция 30 обозначает линию потока из которой может быть получена ассиметричная поверхность потока (вокруг вала двигателя).
ƞ - угол, образованный в плоскости R, u между осью R  и касательной к кривой 11 в каждой ее точке;
На Фигуре 2B показан
μ - угол, образованный в плоскости X, R между осью R и касательной к кривой 11 в каждой ее точке;
угол ν
x
R
u
Здесь может быть рассмотрено, что угол стреловидности и  представляют собой углы на передней кромке рассмотренной лопатки. В этом случае кривая 11 следует за передней кромкой лопатки и в связи с этим соединена с передней кромкой 17. Наконец V, V, V обозначают проекцию на осях X, R, u вектора скорости осесимметричного потока относительно рассмотренного ряда лопастей.
При этом:
u
x
tan β = V/V
и:
R
x
tan ϕ = V/V
Следуя записям, приведенным выше, и в соответствии с замыслом статьи L.H. Smith угол стреловидности λ определяется следующим образом:
угол ν
и  определяется следующим образом:
Варианты выполнения лопатки согласно изобретению будут описаны совместно с Фигурой 3.
угла ν
Эта фигура показывает различные кривые, которые обеспечивают примеры изменения  передней кромки, как, например, определено выше, согласно положению вдоль оси R, такому как определено выше.
угла ν
угол ν
угол ν
Согласно этим Фигурам видно, что изменение  образует грушевиднуюформу, которая содержит участок, для которого  имеет строго положительные значения, и участок (который может сам содержать два подучастка), для которого  имеет строго отрицательные значения.
На Фигуре 3 вдоль оси y (оси R) можно выделить следующее:
угол ν
первый участок, в котором  является строго отрицательным; причем для каждой из показанных кривых I-IV это соответствует на оси R ординат двум зонам, одной близкой к хвостовику лопатки, другой близкой к концу лопатки,
угол ν
и второй участок, в котором  является строго положительным; причем для каждой из показанных кривых это соответствует на оси R ординат одной зоне (или одному интервалу), расположенной на расстоянии от хвостовика лопатки и от конца лопатки.
Более точно в случае примеров, которые показаны на Фигуре 3:
углом ν
кривая I имеет зону (или интервал) со строго положительным , который продолжается согласно оси R приблизительно между 0,35h и 0,72h,
углом ν
кривая II имеет зону (или интервал) со строго положительным , который продолжается согласно оси R приблизительно между 0,15h и 0,47h,
углом ν
кривая III имеет зону (или интервал) со строго положительным , который продолжается вдоль оси R приблизительно между 0,17h и 0,70h,
углом ν
кривая IV имеет зону (или интервал) со строго положительным , который продолжается согласно оси R приблизительно между 0,43h и 0,72h.
углом ν
угол ν
В зоне или зонах, отличных от зоны со строго положительным ,  является строго отрицательным, и он равен нулю в только двух точках.
Как следует из вышеизложенного, грушевидна форма продолжается здесь между первым положением, называемым низким положением, расположенным вблизи или на стороне хвостовика лопатки (протяженность r=0 вдоль оси R), и вторым положением, называемым высоким положением, расположенным вблизи или на стороне конца лопатки (который имеет протяженность h вдоль оси R).
Низкое положение размещено между хвостовиком лопатки (положение r=0 вдоль оси R) и положением, отделенным от хвостовика, расположенным на около r=0,25h.
угол ν
Высокое положение размещено между концом лопатки (который соответствует положению, отделенному от хвостовика расстоянием h) и положением, отделенным от хвостовика на около 0,75h. На конце лопатки , является строго отрицательным.
угол ν
Предпочтительно, , имеет строго положительное значение в интервале:
который продолжается вдоль R на длину между 0,1h и 0,6h,
углом ν
но который, более того, размещен или строго включен в зону (указана как P на Фигуре 3) лопатки, для которой r имеет значение между 0,1h и 0,85h. Другими словами, зона (или интервал) со строго положительным  имеет согласно R нижнюю точку, расположенную по меньшей мере на r=0,1h (может находиться за пределами этого значения, например, на r=0,2h или на r=0,3h), и верхнюю точку, расположенную по большей мере на r=0,85h (эта верхняя точка может быть за пределами 0,85h, например, на r=0,5h или r=0,7h).
Эти два условия, приведенные выше, удовлетворены для четырех кривых I-IV, описанных выше.
углом ν
Понятно, что профиль лопатки согласно изобретению может быть с отрицательным  на хвостовике и на конце лопатки, например, с минимальным углом на хвостовике (r=0) и/или на конце (r=h), составляющим менее -10° или даже -15°.
угол ν
Согласно еще другому примеру  имеет строго положительное значение между 0,2h и 0,8h, в связи с этим на интервале длиной 0,6h, который более того находится между 0,1h и 0,85h или который строго включен в пределы интервала 0,1h-0,85h. Для той же длины интервала (0,6h) последний может быть между 0,1h и 0,7h (который более того также находится между 0,1h и 0,85h).
углом ν
угол ν
Согласно другому примеру зона или интервал со строго положительным  продолжается на длину 0,4h с нижней точкой на 0,2h и верхней точкой, расположенной на 0,6h, удовлетворяя эти два условия, которые только что были обозначены. Для r<0,2h или r>0,6h  является строго отрицательным.
По поводу максимального угла он может иметь значение между около 2,5° и 7° или 8°, или даже 10°, или 15°, или 20°. Участок или зона, которая имеет максимальный угол, предпочтительно включена в интервал (указана как M на Фигуре 3), причем r изменяется от около r=0,25h до r=0,65h или r=0,7h. Другими словами, этот максимум находится предпочтительно между r=0,25h и r,=0,65h или 0,7h.
В связи с этим на кривой I максимум находится приблизительно на 0,5h, в то время как для кривой II он находится приблизительно на 0,3h.
углом ν
углом ν
И можно увидеть, что угловая разность между  на хвостовике и  на конце лопатки составляет менее чем около 10°. Она составляет менее 2° для кривой I, около 5°-8° для кривых II, III и IV.
углом ν
углом ν
Наконец, разность между максимальным  (положительным) и минимальным  (отрицательным) в случае четырех приведенных примеров I-IV находится по существу между 20° и 23°. В общем, эта разница составляет менее 20°.
угол ν
Ниже показана альтернатива, причем :
является положительным или незначительно положительным (например, он имеет значение между 0° и 5°) вблизи или на стороне хвостовика лопатки (протяженность r=0 вдоль оси R),
далее он увеличивается по направлению к положительному максимуму, и далее он уменьшается, чтобы достигать нуля, и, наконец, принимает отрицательные значения до конца лопатки.
угла ν
Фигура 3 показывает кривую V, которая обеспечивает согласно этой альтернативе пример изменения  (например, как уже определено выше), для которой вдоль оси R определены:
угол ν
первый участок (содержащий одну зону или один интервал, начинающийся от хвостовика лопатки), в котором  является строго положительным; причем этот участок указан как P’ на Фигуре 3,
угол ν
и второй участок (содержащий одну зону или один интервал, находящийся близко к концу лопатки), в котором  является строго отрицательным.
углом ν
углом ν
Профиль лопатки согласно изобретению может в связи с этим быть с положительным  на хвостовике и отрицательным на конце, например, с минимальным  на конце лопатки (r=h), составляющим менее -10° или даже -15°.
углом ν
угол ν
угол ν
угол ν
Для этой кривой V зона со строго положительным   продолжается вдоль оси R между 0 и около 0,72h; причем снаружи этой зоны  является строго отрицательным, и он равен нулю только в одной точке. В низком положении, уже определенном выше,  является строго положительным. В высоком положении, также уже определенном выше,  является строго отрицательным.
угол ν
Предпочтительно согласно этой альтернативе  имеет строго положительное значение в зоне, которая продолжается вдоль R по меньшей мере на длину 0,4h, но которая размещена (и которая может изменяться) по меньшей мере между r=0 и по большей мере r=0,85h (в P’ на Фигуре 3).
угла ν
Что касается максимального , он может иметь значение около между 3° и 20°.
углов ν
Зона, которая имеет максимальный угол, размещена предпочтительно около между r=0,25h и r=0,7h, или более предпочтительно между 0,5h и 0,7h, или между 0,5h и 0,65h. Эта конструкция позволяет достигать улучшения запаса по помпажу оптимизированной ступени без понижения его характеристик. Максимум, размещенный между 0,25h и 0,7h, позволяет достигать , составляющих менее -10° или даже -15°, без создания чрезмерного наклона кривой в верхнем участке лопатки.
Это позволяет не ослаблять лопатки в отношении присущих требований, касающихся механической прочности в конструкции лопаточного венца, например, в отношении режимов 2S1 (Полоса) и 1T (Крутящий момент). Максимум, размещенный между 0,5h и 0,65 или между 0,5h и 0,7h, представляет в большинстве случаев наилучший компромисс между преимуществами, отмеченными выше, и поиском улучшения выхода.
Во всяком случае, угол стреловидности может быть определен в соответствии закономерностями, известными из предшествующего уровня техники.
Другой возможный пример закона, показанного на фигуре 4, где можно увидеть, что угол стреловидности имеет значение близкое к 20° на хвостовике лопатки, уменьшение сначала незначительно в первой зоне вдоль оси z, далее следует по существу линейному закону, вплоть до достижения около r=0,7h экстремальное значение между -20° и -25°. Угол стреловидности далее снова уменьшается, когда достигается конец лопатки.
Фигуры 5A-5C показывают виды лопатки, произведенной в соответствии с изобретением:
Фигура 5A показывает вид ее внутренней поверхности свода 12 лопатки,
Фигура 5B показывает вид лопатки от ее передней кромки 14,
Фигура 5C показывает вид лопатки от ее задней кромки 16.
На этих Фигурах показана лопатка, установленная на ее хвостовике 18; последний может иметь форму, адаптированную к типу применяемого крепежного средства (например, форму молота, или рождественского дерева, или типа ласточкин хвост). Но изобретение также применимо к лопатке или к образованному за одно целое диску с лопатками, в котором отсутствует крепежное средство; оно также применимо в случае выпрямителя, в случае с которым крепежное средство также отсутствует.
угла ν
Фигура 6 показывает разницу между законом изменения , который не выполняет замысел этого изобретения (кривая I), и законом согласно изобретению (кривая II).
В отношении закона изменения согласно кривой I, закон согласно изобретению, показанный на этой Фигуре, улучшает запас по помпажу ступени компрессора высокого давления на величину, по меньшей мере соответствующую 1,5. Выход (например, политропный или изоэнтропный выход) по существу не подвержен влиянию: может даже быть рассмотрено, что он в некоторой степени лучше (на около несколько десятых процента; т.е. менее 0,8%) за счет формы хвостовика кривой II.
Запас по помпажу ступени может быть приблизительно определен следующим образом, используя скорость потока D и Pi, которая представляет собой скорость сжатия или общее давление на выпуске лопатки, разделенное на общее давление на впуске лопатки.
В плоскости Pi, D (Фигура 7) определена кривая стандарта iso, которая обеспечивает для приведенной скорости потока скорость сжатия. Пример изменения в этой кривой обеспечен на Фигуре 7.
Запас по помпажу определяется в свою очередь как отношение между:
отношение Pi/D точки, которая является ближайшей к помпажу (указано на Фигуре 7 как Pi/D PUMPING),
и отношение Pi/D в точке, где кривая, полученная при постоянной скорости вращения двигателя, обрезает рабочую линию (точка указана на Фигуре 7 как «Pi/D OPERATING LINE»). Рабочая линия определяет набор стабилизированных рабочих точек двигателя в области скорости потока Pi в номинальной работе.
Описание было выше приведено для лопатки или подвижной лопатки при вращении вокруг вала двигателя во время работы последнего, но оно также применяется к форме неподвижной лопатки, которая является частью неподвижного статора или статора с изменением фаз газораспределения.