ЛОПАСТЬ ВИНТА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
PROPELLER BLADE FOR TURBO-MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к лопасти винта для турбомашины, а также к винту без обтекателя, содержащему большое число лопастей и турбомашину, оборудованную таким винтом.
Турбомашина этого типа содержит две наружные лопасти, соосные и вращающиеся в противоположном направлении, соответственно верхнюю и нижнюю по потоку, которые приводит во вращение турбина турбомашины и которые простираются по существу радиально наружу относительно гондолы турбомашины.
Этот тип турбомашины с двумя лопастями, без обтекателя и с противоположным вращением, имеет очень большой потенциал снижения расхода топлива относительно современных двухконтурных турбореактивных двигателей. Однако эти устройства с высокоскоростными соосными лопастями, с противоположным вращением и без обтекателя втулки, имеют недостаток относительно высоких акустических эмиссий.
Одним из главных факторов, способствующих этим акустическим эмиссиям, является интерференция между соосными лопастями с противоположным вращением, в частности столкновение вихрей законцовки лопасти первого винта, ориентированных в сторону истечения создающего тягу рабочего тела, с лопастями второго винта ниже по потоку.
Чтобы устранить этот недостаток, предлагалось уменьшить радиальный размер второго винта с тем, чтобы вихри, генерируемые лопастями первого винта, проходили радиально снаружи концов лопастей второго, нижнего по потоку винта. Это решение приводит к нежелательному снижению тягового кпд.
В другом предложенном решении в документе FR 2935349 поток воздуха вдувается в лопасти первого винта и выходит в законцовке лопасти, так что ослабляет вихрь, генерируемый первым винтом. В очередном решении, описанном в европейском документе ЕР 2287072, воздух, выходящий в законцовке лопасти, генерирует второе завихрение, с вращением в том же направлении, что и первое завихрение, и способное трением дестабилизировать первое завихрение.
В документе FR 1153315 Заявителя предложено изменять наклон передней кромки относительно радиального направления с тем, чтобы оно проходило по локальному максимуму в верхней части лопасти. Эта особая форма передней кромки лопасти позволяет генерировать второй вихрь, вращающийся в том же направлении, что и вихрь законцовки лопасти. Этот второй вихрь перемещается по спинке лопасти вниз по потоку и радиально наружу, и интерферирует с вихрем, образовавшимся в законцовке лопасти. Взаимное трение двух завихрений рассеивает их энергию и дестабилизирует их, приводя к снижению акустических эмиссий, которые особенно значительны при взлете, вследствие особенно высоких скоростей вращения лопастей.
Однако второй вихрь генерируется постоянно и ухудшает аэродинамические и тяговые характеристики обеих лопастей с противоположным вращением на всех этапах полета и, в частности, в крейсерском режиме.
Наконец, из документа WO 2012/080669 Заявителя известно о создании усиливающей части на верхней стороне лопатки турбины с тем, чтобы уменьшить вихрь, образованный между концом лопатки турбины и крайним картером.
Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы улучшить тяговый кпд лопасти винта по всему диапазону функционирования и ограничить вредные акустические воздействия, вызванные образованием вихрей.
max
max
Для решения задачи предложена монтируемая на винте лопасть, которая простирается радиально по высоте от комлевой части лопасти до законцовки лопасти и содержит переднюю кромку и заднюю кромку, а также нижнюю сторону и верхнюю сторону, отличающаяся тем, что вдоль передней кромки, угол между радиальным направлением лопасти, соответствующим радиальному направлению винта, на котором предусмотрено монтировать лопасть, с одной стороны, и касательной к передней кромке, с другой стороны, проходит по локальному максимуму z, находящемуся между 60 и 80% высоты лопасти, причем верхняя сторона лопасти содержит усиливающую часть с вогнутой поверхностью, простирающуюся аксиально от передней кромки до задней кромки и расположенную по высоте лопасти между локальным максимумом z и законцовкой лопасти, так что образует инверсию кривизны лопасти в радиальном направлении.
Наклон передней кромки, находящийся между 60 и 80% высоты лопасти, позволяет инициировать создание второго вихря в дополнение к первому вихрю, генерируемому законцовкой лопасти. Этот второй вихрь, как правило, вращающийся в том же направлении, что и первый вихрь, развивается на верхней стороне лопасти и направляется в вогнутой усиливающей части с верхней стороны лопасти. Интегрирование вогнутой усиливающей части в лопасть позволяет, при небольшой скорости движения самолета, например, при взлетной скорости примерно 0,2 Мах, направлять второй вихрь вниз по потоку допасти. В отличие от предшествующего уровня техники, второй вихрь интерферирует с первым вихрем ниже по потоку лопасти, что приводит к улучшенному взаимодействию первого и второго вихрей и позволяет, таким образом, снизить вредные акустические воздействия, излучаемые вблизи от земли.
На крейсерской скорости, например примерно 0,7 Мах, линии воздушного потока на верхней стороне лопасти по существу параллельны, что указывает на отсутствие вихря, генерируемого на верхней стороне лопасти. Из этого следует, что тяговый кпд винта улучшился на крейсерской скорости.
Изобретение позволяет, таким образом, комбинировать преимущество снижения вредных акустических воздействий, когда лопасти вращаются на высокой скорости, с хорошим тяговым кпд на крейсерской скорости.
Предпочтительно упомянутый выше локальный максимум находится примерно на 70% высоты лопасти.
Дно усиления расположено предпочтительно в пределах от 75 до 90% высоты лопасти.
Согласно другому признаку изобретения усиливающая часть имеет глубину, измеренную в тангенциальном направлении, которая увеличивается от передней кромки к задней кромке, что позволяет улучшить направление второго вихря в сторону первого вихря, а также улучшить их взаимодействие ниже по потоку лопасти.
Изобретение относится также к винту без обтекателя для турбомашины, содержащему большое число лопастей вышеописанного типа, причем эти лопасти равномерно распределены вокруг винтовой оси.
Изобретение относится в равной мере к турбомашине, такой как турбовинтовой или турбореактивный двигатель самолета, которая содержит, по меньшей мере, один винт без обтекателя  вышеописанного типа.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительного варианта его осуществления, приводимого со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает схематичный вид в осевом разрезе винтовой турбомашины без обтекателя втулки;
Фиг. 2А - схему в изометрии лопасти согласно изобретению и вид в направлении, ориентированном к нижней стороне лопасти;
Фиг. 2В - схему в изометрии лопасти согласно изобретению, от передней кромки;
Фиг. 2С - схему в изометрии лопасти согласно изобретению, от задней кромки;
Фиг. 2D - схему с радиальным разрезом части лопасти согласно изобретению, рядом с законцовкой лопасти;
Фиг. 3 - схему образования двух вихрей и их взаимодействие;
Фиг. 4 - схему, вид сверху и вниз по потоку, интерференции двух вихрей, генерируемых лопастью согласно изобретению;
Фиг. 5 - линии воздушного потока на верхней стороне лопасти в крейсерском режиме;
Фиг. 6 - график, представляющий изменение по высоте лопасти угла падения воздуха относительно хорды лопасти, измеренное на уровне передней кромки лопасти, при работе в крейсерском режиме;
Фиг. 7 - график, представляющий изменение по высоте лопасти угла падения воздуха относительно хорды лопасти, измеренное на уровне передней кромки лопасти, при работе в режиме взлета;
Фиг. 8 - график, представляющий изменение коэффициента аэродинамического качества по высоте лопасти, в крейсерском режиме.
В первую очередь, на Фиг. 1 представлена турбомашина 10 с винтами без обтекателя, известная под английским акронимом «open rotor» или «unducted fan», которая содержит, сверху вниз по истечению газа внутрь турбомашины, компрессор 12, кольцевую камеру сгорания 14, турбину высокого давления 16 и две турбины низкого давления 18, 20, которые вращаются в двух противоположных направлениях вокруг продольной оси Х турбомашины.
Каждая из этих турбин вниз по потоку 18, 20 приводят во вращение наружный винт 22, 24, который простирается радиально наружу относительно гондолы 26 турбомашины, причем эта гондола 26 по существу цилиндрическая и простирается вдоль оси Х вокруг компрессора 12, камеры сгорания 14 и турбин 16, 18 и 20.
Поток воздуха 28, который проникает в турбомашину, сжимается, затем смешивается с топливом и сжигается в камере сгорания 14, газообразные продукты сгорания проходят затем в турбины, чтобы привести во вращение винты 22, 24, которые поставляют большую часть тяги, генерируемой турбомашиной. Газообразные продукты сгорания на выходе из турбин выталкиваются через сопло 32 (стрелки 30), чтобы усилить тягу.
Винты 22, 24 расположены соосно один позади другого и содержат большое число лопастей, равномерно распределенных вокруг оси Х турбомашины. Эти лопасти простираются по существу радиально и выполнены предпочтительно с изменяемым углом установки, то есть они могут вращаться вокруг своих осей так, что оптимизируют их угловое положение в зависимости от условий работы турбомашины.
В представленной конфигурации на Фиг. 1 турбомашина находится в так называемой толкающей конфигурации (pousseur). Альтернативно, в непоказанной так называемой тянущей конфигурации (tracteur), винты 22, 24 расположены выше по потоку гондолы.
На Фиг. 2А показана лопасть 34 согласно изобретению, которая простирается радиально в направлении Z между законцовкой 36 лопасти и комлевой частью 38 лопасти, продольно между передней кромкой 40 и задней кромкой 42 и тангенциально между нижней стороной 44 и верхней стороной 58, причем на Фиг.2 видна лишь верхняя сторона. Направление Z представляет собой радиальное направление лопасти, которое соответствует направлению, перпендикулярному оси Х вращения винта, когда лопасть смонтирована на нем.
Как показано на Фиг. 2А, угол α между радиальным направлением 46 и касательной 48 к передней кромке 40 проходит по локальному максимуму, расположенному примерно между 60 и 80% высоты лопасти, что позволяет генерировать второй вихрь 50, способный взаимодействовать с первым вихрем 52, генерируемым на уровне законцовки 36 лопасти. Первый и второй вихри 50, 52 показаны на Фиг. 3 и 4. Второй вихрь 50 протекает по верхней стороне 58 лопасти 34 (Фиг. 3) и вращается в том же направлении, что и первый вихрь 52. Взаимное трение двух вихрей 50, 52 рассеивает их энергию и дестабилизирует их, обеспечивая снижение акустических эмиссий.
В частной форме осуществления изобретения локальный максимум угла α расположен примерно на 75% высоты лопасти.
max
max
Согласно изобретению верхняя сторона 58 лопасти 34 также содержит усиливающую часть 54 вогнутой формы, которая простирается аксиально от передней кромки 40 до задней кромки 42 и расположена по высоте лопасти 34 между локальным максимумом z и законцовкой лопасти 36 (Фиг. 2А). Эта усиливающая часть 54 вогнутой формы с верхней стороны 58 образована напротив утолщения 56 выпуклой формы нижней стороны 44 лопасти 34. Кроме того, усиливающая часть 54 и утолщение 56 представляют схожие профили. Следовательно, согласно иллюстрации с Фиг.2D, когда верхняя сторона 58, в радиальном простирании в сторону законцовки лопасти, имеет первую кривизну, за которой следует вторая кривизна в противоположном направлении, определяя при этом усиливающую часть 54, нижняя сторона 44 имеет точно так же первую кривизну, за которой следует вторая кривизна в противоположном направлении, которая определяет утолщение 56. Таким образом, лопасть 34 имеет в своей общей протяженности инверсию кривизны в радиальном направлении, расположенную по высоте между локальным максимумом z и законцовкой 36 лопасти.
Ширина усиливающей части 54, измеренная по высоте лопасти 34, по существу постоянная и составляет порядка 15 до 20% высоты лопасти 34.
Дно усиливающей части 54 расположено примерно между 75 и 90% высоты лопасти 34.
max
Лопасть 34 согласно изобретению позволяет, таким образом, иметь хорошее направление для второго вихря, генерированного на уровне излома на высоте z, в вогнутой усиливающей части 54 с верхней стороны лопасти 34.
Интегрирование вогнутой усиливающей части 54 в лопасть позволяет, при небольшой скорости движения самолета, например при взлетной скорости примерно 0,2 Мах, направлять второй вихрь 50 вниз по потоку лопасти, где он взаимодействует с первым вихрем 52 законцовки 36 лопасти, что приводит к снижению вредных акустических воздействий, излучаемых вблизи от земли (Фиг. 3), относительно предшествующего уровня техники, где интерференция первого и второго вихрей происходит аксиально между передней кромкой и задней кромкой.
При крейсерской скорости, например, примерно 0,7 Мах линии 62 воздушного потока на верхней стороне лопасти 34 по существу параллельны, что указывает на отсутствие вихря, генерируемого на верхней стороне лопасти 34. Из этого следует, что тяговый кпд винта улучшился (Фиг. 5).
На Фиг. 6 показано изменение по высоте лопасти угла β падения воздуха относительно хорды лопасти, при работе в крейсерском режиме. Этот угол измерен по всей высоте h лопасти 34. На Фиг. 7 показана кривая, схожая с кривой на Фиг. 8, но при работе в режиме, соответствующем взлету. На Фиг. 8 и 9 высота стандартизована относительно общей высоты лопасти.
На Фиг. 6, в крейсерском режиме, наблюдается, что между 75 и 90% высоты лопасти, соответствующей положению вогнутого усиления, угол падения снижается относительно угла падения, показанного штрихпунктирной линией 64 лопасти, которая могла бы не содержать вогнутого усиления. Это снижение угла падения в зоне усиления показывает увеличение тягового кпд этой части лопасти 34 относительно лопасти без усиления.
На Фиг. 7, в режиме взлета, наблюдается снижение угла падения в зоне усиления относительно угла падения, показанного штрихпунктирной линией 66, лопасти без усиления.
На Фиг. 8 показано изменение коэффициента аэродинамического качества по абсциссе относительно стандартизованной высоты лопасти по ординате, в крейсерском режиме. Коэффициент аэродинамического качества лопасти соответствует отношению ее подъемной силы к аэродинамическому лобовому сопротивлению по высоте лопасти. Коэффициент аэродинамического качества F показывает, таким образом, локальный тяговый кпд (capacite de propulsion locale) лопасти в зависимости от ее высоты. На этой фигуре наблюдается пик 68 коэффициента аэродинамического качества в зоне лопасти, соответствующий усилению верхней стороны лопасти 34, показывающий, таким образом, что в этой зоне тяговый кпд (capacite de propulsion) лопасти 34 улучшился.