РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА ИЛИ КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, а конкретно к рабочим лопаткам высокооборотных осевых вентиляторов или компрессоров авиационных газотурбинных двигателей.
Предлагаемая полезная модель применяется на стадии профилирования лопатки рабочего колеса вентилятора или компрессора, когда определяется геометрия лопатки, которая должна обеспечивать на выходе из лопатки требуемые распределения вдоль высоты лопатки степеней повышения полного давления, расходов воздуха и эффективностей происходящих в межлопаточных каналах процессов. Сначала для лопатки находят пространственную форму ее скелетной средней поверхности нулевой толщины, которая определяется найденными при профилировании распределениями углов вдоль линий пересечения скелетной поверхности осесимметричными поверхностями тока на различных высотах лопатки. Затем эти линии принимаются за средние линии профилей и «одеваются» телесными профилями выбранной аэродинамической формы и требуемой толщины, в результате чего и образуется телесная конфигурация лопатки. Полезная модель используется на этапе, когда уже найдена требуемая форма скелетной поверхности лопатки, т.е. когда уже известны распределения углов вдоль указанных линий, образующих скелетную поверхность и расположенных на различных высотах лопатки.
Известна рабочая лопатка (патент США №US 2007/0065291 с приоритетом от 16 сентября 2005 года), являющаяся неотъемлемой частью рабочего колеса вентилятора или компрессора, выполненного в форме «блиск», когда лопатки и диск составляют единую деталь. При профилировании этой лопатки использована такая скелетная поверхность нулевой толщины, у которой образующие ее кривые линии на поверхностях тока на всей высоте лопатки имеют выпуклость только в сторону против вращения на всей длине каждой линии. Это позволяет заключить, что аэродинамическая нагрузка распределена приблизительно равномерно вдоль длины указанной линии на всех высотах лопатки.
Наиболее близкой к предлагаемой рабочей лопатке осевого вентилятора или компрессора является описанная в патенте США №6071077 от 6 января 2000 года лопатка рабочего колеса высокооборотного осевого вентилятора или компрессора. Для профилирования закрепленных на диске этого рабочего колеса лопаток задана скелетная поверхность, сложная пространственная форма которой выбрана вследствие необходимости обеспечения на разных высотах лопатки требуемых распределений углов вдоль образующих ее линий на поверхностях тока, в частности, углов на входе в линию, углов на выходе из линии и углов поворота, равных разности между углом выхода и углом входа (углы входа и выхода отсчитываются от фронта лопатки). В лопатке этого рабочего колеса каждая средняя линия профиля, образующая заданную скелетную поверхность нулевой толщины, «одета» аэродинамическими профилями с изменяющимися по высоте формой и максимальной толщиной. В результате этого скелетную поверхность лопатки охватывают поверхность разряжения и поверхность сжатия, образуя необходимую для прочности поперечную толщину лопатки. 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. Предложенная в этом патенте геометрия лопатки приводит к тому, что на режимах с максимальной частотой вращения ротора в точках характеристик, находящихся на границе устойчивой работы рабочего колеса, торможение относительного сверхзвукового потока в межлопаточном канале в примыкающей к периферии области осуществляется в скачке уплотнения, приблизительно перпендикулярном к направлению потока и расположенном в межлопаточном канале перед входной кромкой последующей лопатки канала. Это обстоятельство, как будет объяснено ниже, ограничивает диапазон устойчивой работы этого рабочего колеса.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является расширение диапазона устойчивой работы рабочего колеса высокооборотного осевого вентилятора или компрессора за счет оптимального перераспределения аэродинамической нагрузки в рабочей лопатке вдоль образующих скелетную поверхность средних линий профиля в примыкающей к периферии области лопатки, где в высокооборотных вентиляторах и компрессорах на нее натекает сверхзвуковой поток в относительном движении.
zi
ci
Технический результат достигается в рабочей лопатке вентилятора или компрессора, полученной путем «одевания» заданными аэродинамическими профилями средних линий, являющихся линиями пересечения заданной скелетной поверхности нулевой толщины осесимметричными поверхностями тока и построенных по изменяющимся вдоль высоты лопаток заданным распределениям углов вдоль этих средних линий профилей, включая заданные углы на входе в средние линии профилей и заданные углы на выходе из средних линий профилей, для оптимального распределения аэродинамической нагрузки вдоль средних линий профилей в области лопатки от сечения, на котором натекающий на лопатку поток становится сверхзвуковым в относительном движении, до периферийного сечения, скелетную поверхность образуют средними линиями профилей, построенными по таким распределениям углов вдоль этих линий, в которых к углам (а), составляющим заданные распределения углов, алгебраически прибавляются корректирующие углы (а), изменяющиеся вдоль хорды профиля по формуле
ci
1
i
i
2
i
i
3
i
i
ziвых
ziвх
3
2
a=[c×(b/B)+c×(b/B)+с×(b/В)]×(а-а),
1
2
3
i
i
zi
сi
zi
ziвх
ziвых
где с - константа при члене третьей степени, находящаяся в диапазоне -2,71÷-2,61, c - константа при члене второй степени, находящаяся в диапазоне +4,14÷+4,04, c - константа при члене первой степени, находящаяся в диапазоне -1,43÷-1,33, B - длина хорды профиля, «одетого» на его локальную среднюю линию, b - расстояние вдоль хорды профиля от входа в среднюю линию профиля до места расположения текущего заданного угла а на локальной средней линии профиля, а - текущий корректирующий угол в градусах, алгебраически суммируемый с текущим заданным углом a, а - заданный угол в градусах на входе в локальную среднюю линию профиля, а - заданный угол в градусах на выходе из локальной средней линии профиля.
Дополнительно сущность полезной модели поясняется описанием и фигурами, где:
на фиг.1 показана применяемая для типичной рабочей лопатки скелетная поверхность нулевой толщины, составленная из средних линий профилей, на фиг.2 приведен вид типичного аэродинамического профиля лопатки рабочего колеса, «одетого» на среднюю линию профиля в сечении на осесимметричной поверхности тока,
на фиг.3 сопоставлены заданное и предлагаемое заявляемой полезной моделью распределение углов вдоль средней линии профиля в сечении на осесимметричной поверхности тока, расположенной в примыкающей к периферии области рабочей лопатки, на фиг.4 представлены развертки на осесимметричной поверхности тока, расположенной в примыкающей к периферии области рабочей лопатки, для межлопаточных каналов, образованных сечениями лопаток, спрофилированных с использованием заданной и предлагаемой в заявляемой полезной модели скелетных поверхностей нулевой толщины.
На фиг.1 показана используемая для профилирования типичной рабочей лопатки скелетная поверхность 1 нулевой толщины, построенная на средних линиях 2 профилей, являющихся линиями пересечения этой скелетной поверхности 1 осесимметричными поверхностями тока 3 с осью симметрии 4, представляющей собой ось вращения рабочего колеса. Линия 5, проходящая по входным концам 6 средних линий 2, и линия 7, соединяющая выходные концы 8 средних линий 2, образуют соответственно входную и выходную кромки рабочей лопатки. Линии 9 соединяют на средних линиях 2 точки 10, в которых задаются значения углов, составляющих их распределения вдоль средних линий 2, по которым определяются координаты средних линий 2 профилей. В месте расположения некоторой средней линии 11 натекающий в относительном движении на лопатку поток становится сверхзвуковым. Заявляемую полезную модель следует использовать для коррекции средних линий 2, расположенных в области лопатки от средней линии 11 до периферии лопатки.
ziвх
ziвых
i
i
zi
На фиг.2 в сечении на осесимметричной поверхности тока 3 показана одна из средних линий 2, на которую «одет» заданный аэродинамический профиль 12 лопатки рабочего колеса. Аэродинамический профиль 12 образует сторону разрежения 13 и сторону сжатия 14. Для расположенных на разной высоте лопатки линиях 2 могут быть заданы аэродинамические профили 12 разной требуемой формы с убывающей максимальной толщиной 15 при увеличении расстояния расположения средней линии 2 профиля 12 от оси вращения 4 рабочего колеса. Угол 16 (а) на входе 17 в среднюю линию 2 профиля 12 (или входной угол профиля) и угол 18 (а) на выходе 19 из средней линии 2 профиля 12 (или выходной угол профиля) определяются как углы между касательными 20 и 21 к средней линии 2 в соответствующем месте и фронтом 22 профилей 12. На фиг.2 показаны также хорда 23 (B) профиля 12, равная расстоянию от входа 17 в среднюю линию 2 до выхода 19 из средней линии 2, и расстояние 24 (b) вдоль хорды профиля от входа 17 в среднюю линию 2 профиля 12 до места расположения 25 текущего заданного угла (а) на средней линии 2 профиля 12.
i
i
i
ziвх
ziвых
ci
zi
ni
На фиг.3 представлены заданное 26 и предлагаемое 27 заявляемой полезной моделью распределения углов (а) от расстояния 24 (b) вдоль хорды 23 (В) локальной средней линии 2 профиля 12, определяющие форму этой локальной средней линии 2, расположенной в осесимметричной поверхности тока 3, находящейся в примыкающей к периферии области рабочей лопатки. На фиг.3 показаны также величины заданного угла 16 (а) на входе в локальную среднюю линию 2 профиля 12, заданного угла 18 (а) на выходе из локальной средней линии 2 профиля 12, текущего корректирующего угла 28(a), алгебраически суммируемого с текущим заданным углом 29 (a), и полученного от этого суммирования в соответствии с заявляемой полезной моделью текущего угла 30 (a).
zi
ni
zi
ni
На фиг.4 представлены на осесимметричной поверхности тока 3, расположенной в примыкающей к периферии области рабочей лопатки, развертки двух межлопаточных каналов, образованных парами соседних профилей 31 и 32, спрофилированных соответственно с использованием заданного и предлагаемого в заявляемой полезной модели распределений углов 29 (а) и 30 (a) для построения средних линий 33 и 34 этих профилей. На фиг.4 для межлопаточного канала, спрофилированного с использованием заданного распределения углов 29 (a), показано также расположение скачка уплотнения 35 перед входной кромкой последующей лопатки межлопаточного канала, которое соответствует точке характеристики, находящейся на границе устойчивой работы рабочего колеса на режимах с максимальной или близкой к ней частотой вращения ротора. Для межлопаточного канала, спрофилированного с использованием предлагаемого в заявляемой полезной модели распределения углов 30 (a), в этой же точке характеристики, на этих же режимах и при одинаковом со случаем заданного распределения углов противодавлении за рабочим колесом скачок уплотнения 36 (фиг.4) занимает положение в глубине межлопаточного канала вблизи максимального изгиба стороны разрежения аэродинамического профиля 32 предшествующей лопатки.
ci
1
3
1
2
3
ci
i
i
ziвых
ziвх
i
i
i
i
ziвых
ziвх
i
i
i
i
1
3
Применение в вышеприведенной формуле для нахождения корректирующих углов а левых граничных значений констант с÷c из их диапазонов изменения (с=-2,71, c=+4,14, с=-1,43) приводит к изменению величины корректирующего угла a от значения 0,0 при b/В=0 до максимального по модулю отрицательного значения, составляющего 0,142 от разности заданных выходного и входного углов профиля (а-а), при b/В=0,22, далее до значения 0,0 при b/В=0,53, затем до максимального по модулю положительного значения, составляющего 0,118 от разности заданных выходного и входного углов профиля (а-а), при b/В=0,79 и, наконец, до значения 0,0 при b/В=1. При вышеуказанных значениях констант с÷с величина снимаемой части аэродинамической нагрузки, действующей на первую половину локального аэродинамического профиля, приблизительно равна величине части аэродинамической нагрузки, добавляемой к нагрузке, действующей на вторую половину локального аэродинамического профиля.
ziвых
ziвх
сi
При увеличении радиуса расположения локального аэродинамического профиля величина разности заданных выходного и входного углов профиля (а-a) уменьшается, а, следовательно, уменьшается и величина модулей текущих корректирующих углов а. Однако вследствие того, что с увеличением радиуса расположения локального аэродинамического профиля одновременно увеличивается и число М натекающего в относительном движении на локальный аэродинамический профиль сверхзвукового потока, то относительная доля аэродинамической нагрузки, переносимая с первой половины локального аэродинамического профиля на его вторую половину в соответствии с заявляемым изобретением, сохраняется приблизительно одинаковой для всех радиусов расположения локальных аэродинамических профилей в области лопатки, обтекаемой сверхзвуковым потоком.
1
3
сi
zi
ni
zi
ni
ni
Благодаря отличительным признакам заявляемой полезной модели, в частности при использовании вышеуказанных левых граничных значений констант c÷c для нахождения корректирующих углов а, вследствие перехода от профилирования лопатки с применением заданных распределений углов а к профилированию лопатки с применением предлагаемых в заявляемом изобретении распределений углов а в области лопатки, где на нее натекает сверхзвуковой поток в относительном движении, происходит перераспределение аэродинамической нагрузки на локальные аэродинамические профили. Это перераспределение проявляется в том, что часть аэродинамической нагрузки снимается с первой половины локальных аэродинамических профилей и переносится на его вторую половину при сохранении суммарной аэродинамической нагрузки на локальный аэродинамический профиль. Применение такого перераспределения аэродинамической нагрузки вдоль локального аэродинамического профиля в области лопатки, на которую натекает сверхзвуковой поток, способствует тому, что (см. фиг.4) при противодавлении в точке характеристики, которая в случае применения заданных распределений углов а находится на границе устойчивой работы рабочего колеса на режимах с максимальной или близкой к ней частотой вращения ротора вследствие положения скачка уплотнения в межлопаточном канале перед входной кромкой последующей лопатки, при применении предлагаемых в заявляемом изобретении распределений углов a скачок уплотнения остается еще в глубине межлопаточного канала вблизи максимального изгиба стороны разрежения аэродинамического профиля предшествующей лопатки. Отсюда следует, что при применении предлагаемых в заявляемой полезной модели распределений углов a для перемещения скачка уплотнения в положение перед входной кромкой последующей лопатки, соответствующее границе устойчивой работы, требуется более высокое противодавление за рабочим колесом. Это означает, что граница устойчивой работы рабочего колеса смещается влево, тем самым, расширяя диапазон устойчивой работы рабочего колеса, снабженного рабочими лопатками с отличительными признаками заявляемой полезной модели.