Рабочее колесо высокооборотного осевого вентилятора
HIGH-SPEED AXIAL FAN IMPELLER

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к осевым вентиляторам авиационных газотурбинных двигателей.
Лопатки рабочего колеса высокооборотных вентиляторов работают в условиях сверхзвукового относительного потока, скорость которого существенно превышает скорость звука. Точное профилирование рабочих лопаток осуществляется с целью обеспечения плавного торможения относительного потока в системе слабых ударных волн в периферийной области, что обеспечивает низкий уровень потерь и высокую эффективность процесса сжатия воздуха в вентиляторе.
Одним из эффективных приемов снижения потерь при обтекании лопаток вентилятора является выполнение сверхзвуковой периферийной части лопатки стреловидной относительно направления потока, натекающего на лопатку. При этом потери определяются уже числом Маха набегающего потока, нормального к скошенной передней кромке стреловидной лопатки. Профилированием лопаток организуется торможение потока в межлопаточных каналах рабочего колеса в системе слабых скачков уплотнения.
Известно рабочее колесо высокооборотного осевого вентилятора, содержащее диск, установленные в диске лопатки, выполненные с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и тороидальной поверхностью входных и выходных кромок, и трактовые полки, установленные между лопатками во втулочном их сечении с образованием внутренней поверхности проточного межлопаточного канала, причем проекции образующих входных кромок лопаток на меридиональную плоскость содержат выпуклость в сторону против потока, расположенную в средней части лопаток, а внутренняя поверхность проточного межлопаточного канала выполнена наклонной в сторону против потока (US 2004/0170502).
В известном рабочем колесе лопатки выполнены с саблевидной входной кромкой, имеющей в средней части выпуклость вперед, скошенную назад от радиального направления, и прямую стреловидность в периферийной области. Лопатка рабочего колеса вентилятора с прямой стреловидностью обладает рядом существенных недостатков, затрудняющих ее практическое использование.
Во-первых, выполнение рабочей лопатки с прямой стреловидностью сопровождается определенными трудностями по обеспечению необходимой статической прочности, что ограничивает допустимую величину угла стреловидности в периферийной части лопатки. Поэтому при выполнении рабочей лопатки вентилятора с прямой стреловидностью периферийные профили необходимо смещать в направлении относительного потока в большей степени по сравнению с рабочей лопаткой, выполненной с обратной стреловидностью, для получения одинаковой стреловидности относительно направления натекающего на лопатку потока. Этим объясняются определенные трудности обеспечения динамической прочности рабочих лопаток колеса, выполненных с прямой стреловидностью.
Вторым недостатком прямой стреловидности в периферийной области рабочих лопаток, когда периферийные профили смещены по направлению потока, является формирование кромочного скачка уплотнения в межлопаточных каналах колеса.
На режимах работы с уменьшенным расходом воздуха через рабочее колесо вентилятора относительный поток натекает на переднюю кромку рабочей лопатки с положительным углом атаки к поверхности разрежения и, следовательно, с увеличенным углом атаки на поверхность сжатия. Интенсивность кромочного косого скачка уплотнения возрастает, и точка его пересечения с поверхностью разрежения предшествующей соседней лопатки смещается против потока, ближе к передней кромке лопатки, особенно интенсивно в том случае, когда рабочие лопатки в периферийной области имеют прямую стреловидность. Потери полного давления в периферийной области в потоке увеличиваются, и возникает вероятность появления срывного обтекания поверхности разрежения лопатки, приводящая к ограничению диапазона устойчивой работы вентилятора.
Известно рабочее колесо высокооборотного осевого вентилятора, содержащее диск, установленные в диске лопатки, выполненные с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и тороидальной поверхностью входных и выходных кромок, и трактовые полки, установленные на диске между лопатками во втулочном их сечении с образованием внутренней поверхности проточного межлопаточного канала, причем лопатки выполнены с обратной стреловидностью выходной кромки в периферийной части, проекции образующих входных и выходных кромок на меридиональную плоскость содержат выпуклость в сторону против потока, расположенную в средней части лопаток, а внутренняя поверхность проточного межлопаточного канала выполнена наклонной в сторону против потока (US №6071077).
Лопатка известного рабочего колеса выполнена с переменной по высоте стреловидностью. Входная кромка лопатки выполнена саблевидной с выпуклостью вперед в средней части лопатки и со скосом назад от радиального направления в ее периферийной области. Такая форма входной кромки лопатки делает ее в верхней части подобной стреловидному крылу самолета, что способствует снижению потерь при торможении натекающего потока в периферийной области лопатки. Однако в этом рабочем колесе заданная скелетная поверхность лопатки в результате профилирования для образования поверхности разрежения и поверхности сжатия "одета" традиционным так называемым "чечевицеобразным" профилем в поперечном сечении лопатки, причем угол клина этого профиля, прилегающий к входной кромке лопатки, увеличивается от периферии к втулке.
При таком выполнении лопаток торможение сверхзвукового потока в межлопаточном канале осуществляется в одном прямом скачке уплотнения, расположенном в межлопаточном канале приблизительно перпендикулярно к направлению потока, что вызывает увеличенные потери и снижает показатели эффективности этого рабочего колеса.
Наиболее близким техническим решением является рабочее колесо высокооборотного осевого вентилятора, содержащее диск, установленные в диске лопатки, выполненные с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и тороидальной поверхностью входных и выходных кромок, и трактовые полки, установленные на диске между лопатками во втулочном их сечении с образованием внутренней поверхности проточного межлопаточного канала, причем лопатки выполнены с обратной стреловидностью в периферийной части, проекции образующих входных и выходных кромок на меридиональную плоскость содержат выпуклость в сторону против потока, расположенную в средней части лопаток, а внутренняя поверхность проточного межлопаточного канала выполнена наклонной в сторону против потока (RU №2354854).
В известном рабочем колесе аэродинамические профили поперечных сечений лопаток расположены по ее высоте таким образом, что их центры тяжести в меридиональной плоскости находятся на некоторой кривой линии, заданной кубическим многочленом. Эта линия имеет вынос вперед в периферийной части и выпуклость в средней части, при этом передняя кромка лопатки соответственно имеет обратную стреловидность в периферийной части и выпуклость в средней части. Форма образующей входной кромки лопатки подбирается из условий отстройки от резонансных колебаний на расчетных режимах по второй и третьей формам колебаний. Такое выполнение лопаток рабочего колеса позволяет обеспечить их динамическую прочность и повысить запас газодинамической устойчивости рабочего колеса.
Однако при таком методе профилирования лопатки не учитываются аэродинамические характеристики потока воздуха в межлопаточном проточном канале, что приводит к дополнительным потерям скорости потока на стороне разрежения лопаток в периферийной области и снижению общего кпд рабочего колеса вентилятора.
Задачей изобретения является повышение кпд рабочего колеса высокооборотного осевого вентилятора при сохранении запаса газодинамической устойчивости и отсутствии изгибно-крутильного флаттера лопаток рабочего колеса.
Технический результат изобретения заключается в снижении аэродинамических потерь в межлопаточном проточном канале рабочего колеса на всех режимах работы высокооборотного осевого вентилятора.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в рабочем колесе высокооборотного осевого вентилятора, содержащем диск, установленные в диске лопатки, выполненные с аэродинамическими профилями в поперечных сечениях и тороидальной поверхностью входных и выходных кромок, и трактовые полки, установленные на диске между лопатками во втулочном их сечении с образованием внутренней поверхности проточного межлопаточного канала, лопатки выполнены с обратной стреловидностью в периферийной части, проекции образующих входных и выходных кромок на меридиональную плоскость содержат выпуклость в сторону против потока, расположенную в средней части лопаток, а внутренняя поверхность проточного межлопаточного канала выполнена наклонной в сторону против потока.
Согласно изобретению проекция образующей входной кромки на меридиональную плоскость каждой лопатки содержит прямолинейный участок, высота Δh которого от втулочного сечения лопатки определяется соотношением
Δh=(0,02÷0,05)H,
где H - высота лопатки, определенная по входной кромке;
а форма проекции образующей входной кромки рабочей лопатки на меридиональную плоскость от прямолинейного участка к периферии определяется следующим соотношением
о
вт
о
о
вт
X(h)-X=dX(h)×H,
о
где X(h) - текущее значение осевой координаты образующей входной кромки;
вт
X - значение осевой координаты образующей входной кромки на расстоянии Δh от втулки;
вт
H - значение высоты лопатки от торцевой поверхности лопатки до конца прямолинейного участка проекции образующей входной кромки на меридиональную плоскость;
о
о
dX(h) - значение относительной осевой координаты образующей входной кромки, определяемое многочленом четвертой степени как:
,
0
где C - значение переменной члена четвертой степени, которая выбирается в диапазоне -1,74÷-1,68;
1
C - значение переменной члена третьей степени, которое выбирается в диапазоне 2,88÷3,01;
2
C - значение переменной члена второй степени, которое выбирается в диапазоне -1,22÷-1,14;
3
C - значение переменной члена первой степени, которое выбирается в диапазоне -0,12÷0;
о
h - относительная координата по высоте вдоль входной кромки, которая определяется соотношением
о
i
вт
h=h/H,
i
где h - текущее значение высоты лопатки.
Такая форма образующей входной кромки в средней и периферийной частях рабочей лопатки снижает число Маха натекающего относительного потока, нормального к передней кромке рабочей лопатки, пропорционально углу стреловидности. Наличие прямолинейного участка в проекции образующей входной кромки на меридиональную плоскость во втулочной части лопатки обеспечивает сохранение запаса газодинамической устойчивости и отсутствие изгибно-крутильного флаттера лопаток рабочего колеса.
Существо изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан общий вид рабочего колеса высокооборотного осевого вентилятора (со снятыми лопаткой, трактовой полкой и коком);
на фиг. 2 представлен продольный разрез высокооборотного осевого вентилятора с подпорным компрессором;
на фиг. 3 показана проекция лопатки рабочего колеса на меридиональную плоскость;
на фиг. 4 представлена диаграмма с изображением формы криволинейной проекции образующей входной кромки лопатки на меридиональную плоскость в сравнении с проекцией образующей входной кромки лопатки известного рабочего колеса;
на фиг. 5 представлена диаграмма показателей эффективности описываемого и известного рабочего колеса на разных режимах работы двигателя;
на фиг. 6 представлены диаграммы линий постоянного уровня числа Маха по высоте лопатки и по длине межлопаточного проточного канала при обтекании лопаток известного рабочего колеса;
на фиг. 7 представлены диаграммы линий постоянного уровня числа Маха по высоте лопатки и по длине межлопаточного проточного канал при обтекании лопаток рабочего колеса согласно изобретению.
Высокооборотный осевой вентилятор газотурбинного двигателя содержит установленный в корпусе 1 приводной вал 2, на котором закреплено рабочее колесо 3 с диском 4 и лопатками 5, выполненными со сверхзвуковыми аэродинамическими профилями 6 в поперечных сечениях и с тороидальной поверхностью входных кромок 7 и выходных кромок 8.
Проточная часть осевого вентилятора образована вращающимся коком 9, трактовыми полками 10, установленными на диске 4 между лопатками 5 во втулочном их сечении 11 с образованием внутренней конической поверхности 12 проточного межлопаточного канала 13, и проставкой 14, а на периферии - наружной обечайкой 15, установленной на корпусе 1 с помощью стоек 16 и лопаток 17 с образованием наружного направляющего аппарата 18. Внутри проточной части установлена разделительная перегородка 19, на которой закреплены консольные лопатки входного направляющего аппарата 20, а внутренняя коническая поверхность 12 проточного межлопаточного канала 13 выполнена наклонной в сторону против потока.
Лопатка 5 состоит из пера 21, соединенного во втулочном сечении 11 с удлинительной ножкой 22, и хвостовика 23, который размещается в пазу диска 4 рабочего колеса 3. Рабочее колесо 3 с помощью конической цапфы 24 устанавливается на приводной вал 2 вентилятора с обеспечением расчетных монтажных радиальных зазоров между торцом лопатки 5 и наружной обечайкой 15. Лопатки 5 выполнены с обратной стреловидностью в периферийной части, а проекции на меридиональную плоскость образующей входной кромки 7 и образующей выходной кромки 8 каждой лопатки содержат выпуклость 25 в сторону против потока, расположенную в средней части лопаток 5.
Проекция образующей входной кромки 7 на меридиональную плоскость каждой лопатки 5 содержит прямолинейный участок 26, высота Δh которого от втулочного сечения 11 определяется соотношением
Δh=(0,02÷0,05)H,
где H - высота лопатки, определенная по входной кромке.
Форма проекции образующей входной кромки 7 лопатки 5 на меридиональную плоскость от прямолинейного участка 26 к периферии определяется следующим соотношением
о
вт
о
о
вт
X(h)-X=dX(h)×H,
о
где X(h) - текущее значение осевой координаты образующей входной кромки;
вт
X - значение осевой координаты образующей входной кромки на расстоянии Δh от втулки;
вт
H - значение высоты лопатки от торцевой поверхности лопатки до конца прямолинейного участка проекции образующей входной кромки на меридиональную плоскость;
о
о
dX(h) - значение относительной осевой координаты образующей входной кромки, определяемое многочленом четвертой степени как:
,
0
где C - значение переменной члена четвертой степени, которая выбирается в диапазоне -1,74÷-1,68;
1
C - значение переменной члена третьей степени, которое выбирается в диапазоне 2,88÷3,01;
2
C - значение переменной члена второй степени, которое выбирается в диапазоне -1,22÷-1,14;
3
C - значение переменной члена первой степени, которое выбирается в диапазоне -0,12÷0;
о
h - относительная координата по высоте вдоль входной кромки, которая определяется соотношением
о
i
вт
h=h/H,
i
где h - текущее значение высоты лопатки.
Проекция образующей входной кромки 7 лопатки 5 на меридиональную плоскость над втулочным сечением 11 содержит прямолинейный участок 26, который позволяет получить во втулочной области лопатки 5 допустимые запасы статической прочности и допустимые переменные напряжения при ее вынужденных колебаниях. Форма проекции образующей входной кромки 7 лопатки 5 на меридиональную плоскость, полученная с помощью вышеуказанного соотношения и показанная на фиг. 4, позволяет получить достаточную относительную разность между второй изгибной и первой крутильной частотами лопатки, что обеспечивает отсутствие изгибно-крутильного флаттера рабочего колеса.
Такая форма образующей входной кромки 7 в периферийной части рабочей лопатки снижает число Маха натекающего относительного потока, нормального к входной кромке 7, пропорционально углу стреловидности. Два смежных профиля решетки профилей образуют диффузорный межлопаточный проточный канал 13, ограниченный линиями разрежения и давления соседних аэродинамических профилей 6. Благодаря выбранной форме линии разрежения и линии давления, определяемой степенными многочленами, натекающий на лопатку сверхзвуковой относительный поток тормозится в системе слабых косых скачков уплотнения с образованием замыкающего скачка уплотнения в выходной части межлопаточного проточного канала 13, как это показано на диаграммах фиг. 6 и 7.
В результате, при торможении сверхзвукового потока потери полного давления существенно снижаются, увеличивается коэффициент полезного действия рабочего колеса и ступени в целом, а смещение зоны образования отрыва потока к выходу из решетки профилей увеличивает запас газодинамической устойчивости.
Возможность достижения указанного технического результата иллюстрируется экспериментально полученными данными, представленными диаграммами фиг. 5, где представлены характеристики известного и описываемого вентиляторов, а именно зависимости степени повышения полного давления и адиабатического кпд в наружном контуре от удельного расхода воздуха при значениях частоты вращения ротора соответствующих трем основным эксплуатационным режимам:
(A1, A1'), (C1, C1') - взлетный режим в условиях M=0, H=0;
(A2, A2'), (C2, C2') - крейсерский режим в условиях M=0.8, H=11 км;
(A3, A3'), (C3, C3') - крейсерский максимальный M=0.8, H=11 км;
A1, A2, A3, - зависимости степени повышения полного давления в наружном контуре от удельного расхода воздуха  описываемого рабочего колеса;
A1', A2', A3' - зависимости адиабатического кпд от степени повышения полного давления  описываемого рабочего колеса;
C1, C2, C3, - зависимости степени повышения полного давления в наружном контуре от удельного расхода воздуха  известного рабочего колеса;
C1', C2', C3' - зависимости адиабатического кпд от степени повышения полного давления  известного рабочего колеса;
B1 и B2 - линии рабочих режимов на взлетном и крейсерском режимах вентилятора с описываемым рабочим колесом;
B3 и B4 - линии рабочих режимов на взлетном и крейсерском режимах вентилятора с известным рабочим колесом.
Согласно представленным данным уровень максимальных кпд  описываемого рабочего колеса существенно выше известного рабочего колеса, повышение кпд на крейсерских режимах работы двигателя достигает величины 1,5-2,0%.