Трехъярусная рабочая лопатка турбовентилятора
THREE-TIER WORKING BLADE OF TURBO-FAN

Изобретение относится к области создания лопаточных машин и может быть использовано, в частности, в области авиадвигателестроения для создания совмещенной рабочей лопатки компрессора и турбины, размещенной на едином диске ротора.
В качестве прототипа изобретения выбрана трехъярусная рабочая лопатка турбовентилятора, содержащая последовательно расположенные от корпуса турбовентилятора к диску ротора рабочую лопатку вентилятора и рабочую лопатку турбины, соединенные между собой посредством промежуточного элемента с образованием трех проточных газовых каналов (см. US 2011268563 (A1), F01D5/08, опубл. 03.11.2011).
Недостатком известной трехъярусной рабочей лопатки турбовентилятора является отсутствие промежуточного элемента, выполненного в виде рабочей лопатки турбодетандера, что препятствует возможности дополнительного охлаждения газа (воздуха) при прохождении через канал, также снижает суммарную энергию турбин, приводящих вентилятор во вращение, а также жесткое соединение рабочей лопатки вентилятора с промежуточным элементом посредством неподвижного неразъемного соединения, что увеличивает изгибные напряжения в корневом сечении рабочей лопатки вентилятора, вызывая снижение запасов прочности и увеличение массы конструкции.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является возможность интенсивного охлаждения двигателя, повышение тяги двигателя, снижение массы и увеличение прочностных показателей трехъярусной рабочей лопатки турбовентилятора, а также надежности ее работы в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной трехъярусной рабочей лопатке турбовентилятора, содержащей последовательно расположенные от корпуса турбовентилятора к диску ротора рабочую лопатку вентилятора и рабочую лопатку турбины, соединенные между собой посредством промежуточного элемента с образованием трех проточных газовых каналов, промежуточный элемент выполнен в виде рабочей лопатки турбодетандера с образованием плавного перехода от профиля к профилю всех трех рабочих лопаток, при этом проточная часть газового канала рабочей лопатки турбодетандера ограничена полками, кроме того, рабочая лопатка вентилятора соединена с рабочей лопаткой турбодетандера посредством разъемного шарнирного соединения.
Наличие в конструкции трехъярусной рабочей лопатки турбовентилятора промежуточного элемента в виде рабочей лопатки турбодетандера позволяет сработать имеющийся перепад давления газового (воздушного) потока, создаваемого в газовом (воздушном) канале турбодетандера, сопровождаемый при этом снижением температуры газа (воздуха) в потоке, за счет превращения потенциальной энергий газового (воздушного) потока в кинетическую энергию вращения рабочей лопатки турбодетандера с выработкой дополнительной энергии для привода рабочей лопатки вентилятора, что приводит к повышению тяги двигателя. Снижение температуры газового (воздушного) потока за рабочей лопаткой турбодетандера позволяет интенсивнее охлаждать элементы двигателя, например затурбинный кок и реактивное сопло.
При этом наличие рабочей лопатки турбодетандера позволяет осуществить плавный переход от профиля к профилю всех трех рабочих лопаток, а именно от периферийного торца рабочей лопатки турбины к корневому торцу рабочей лопатки вентилятора, что позволяет избежать резкого ступенчатого перехода между соответствующими элементами, что позволяет снизить концентрацию напряжений в сечениях рабочей лопатки турбодетандера с экономией ее массы, увеличивая прочностные показатели трехъярусной рабочей лопатки турбовентилятора и, как следствие, повышая надежность ее работы в целом.
Проточная часть газового (воздушного) канала, ограниченная полками, препятствует утечкам газа (воздуха) между потоками, что приводит к сохранению тяги двигателя, и при сборке ротора турбовентилятора полки соседних рабочих лопаток турбовентилятора контактируют друг с другом, уменьшая вибрацию всех рабочих лопаток ротора турбовентилятора, повышая прочность и увеличивая надежность работы конструкции.
Рабочая лопатка вентилятора, соединенная с рабочей лопаткой турбодетандера посредством разъемного шарнирного соединения, позволяет создать ремонтопригодное разборное соединение, снижающее время и стоимость замены рабочей лопатки вентилятора; позволяет использовать материал рабочей лопатки вентилятора, например титановый, алюминиевый сплав или композит, отличный от материала рабочей лопатки турбины и турбодетандера, например никелевый, стальной сплав или металлокерамический композиционный материал, что снижает массу рабочей лопатки турбовентилятора; шарнирное соединение позволяет рабочей лопатке вентилятора при работе двигателя занять отклоненное положение, при котором изгибные напряжения в корневом сечении рабочей лопатки вентилятора минимальны, увеличивая прочность и надежность рабочей лопатки вентилятора и снижая ее массу.
На чертеже представлена трехъярусная рабочая лопатка турбовентилятора, вид сбоку.
Трехъярусная рабочая лопатка турбовентилятора содержит рабочую лопатку вентилятора 1, снабженную полкой 2, рабочую лопатку турбодетандера 3, снабженную полками 4 и 5, рабочую лопатку турбины 6, снабженную полками 7 и 8.
Проточная часть воздушного канала вентилятора 9 ограничена полкой 2 и корпусом турбовентилятора (на чертеже не показан), проточная часть газового (воздушного) канала турбодетандера 10 ограничена полками 4 и 5, проточная часть газового канала турбины 11 ограничена полками 7 и 8.
Рабочая лопатка вентилятора 1 по корневому торцу соединена с периферийным торцом рабочей лопатки турбодетандера 3 посредством разъемного соединения, например, шарнирным замком 12.
Рабочая лопатка турбины 6 по периферийному торцу жестко соединена с корневым торцом рабочей лопатки турбодетандера 3, например методом литья зацело, методом сварки из частей и т.п.
Трехъярусная рабочая лопатка турбовентилятора жестко фиксируется на диске ротора посредством разъемного замкового соединения, например, типа «елочный замок» (на чертежах не показан).
При работе газовые (воздушные) потоки турбодетандера и турбины, проходя через каналы, образованные рабочими лопатками турбодетандера 10 и турбины 11, срабатывают имеющийся у них (потоков) перепад давления, вырабатывая при этом механическую энергию. Полученная механическая энергия посредством рабочей лопатки вентилятора 1 сжимает воздушный поток вентилятора, формирующего тягу двигателя. Срабатывание перепада давления газового (воздушного) потока в канале турбодетандера 10 сопровождается снижением температуры потока в нем.
В совокупности это приводит к интенсивному охлаждению двигателя, повышению тяги двигателя, снижению массы и увеличению прочностных показателей трехъярусной рабочей лопатки турбовентилятора, а также ее надежности в целом.